鉆探取芯技術在井下構造探測中的應用

文 俊

（成都理工大學環境與土木工程學院， 四川 成都 610059）

引言

構造區的精確探測一直是國內外煤炭行業研究的方向，尤其是現代化、信息化、高產高效的礦井，更是把地質構造的精確探測作為必不可少的地質保障手段。隨著當前煤層快速開采技術的不斷發展，提前精確查明地質構造的斷層位置、走向、斷距，陷落柱的位置大小、含水性等，就顯得非常重要[1]。目前井下探測構造主要采用不取芯鉆探，僅靠鉆孔見矸、返水等情況判斷探測構造性質、大小、位置等，易對所探構造作出誤判，有的構造還需進行巷探，不僅花費人力、物力、財力，且鉆進效率低下，影響了鉆孔質量和施工進度[2]。因此，有必要研究繩索取芯鉆探技術，通過巖芯取樣可分辨出鉆孔的軌跡和構造的要素，提高鉆探的準確度和高效性。

1 現場概況

小河嘴礦為川煤集團下屬生產礦井。批準開采3 號、9 號、15 號煤層，現開采3 號煤層。每年生產規模400.00 萬t，地下開采深度420～730 m 標高。井田內地層平緩，傾角3°～15°，一般在10°以內。結合礦方地質資料，井田內主要為傾向北西，走向北東的單斜構造，伴有少數落差較小，延伸長度較短的高角度正斷層。斷層走向多為北東向，傾向多為北西。目前回采的4301 工作面地質條件復雜，結合礦方資料和前期物探結果，共查明和揭露斷層48 條，所見斷層落差均未超過20 m，屬小型斷層。即將揭露的是F18 正斷層。為進一步探清回采區域構造發育情況，探測F18 正斷層的具體位置及走向，確保工作面快速回采，采用鉆探取芯技術對工作面構造進行精準化探測。

2 鉆探取芯方案

在復雜地質條件下煤巷掘進中，礦用鉆孔物探技術作為一種行之有效的觀測儀器，可以直接進入錨桿(錨索)鉆孔、地質鉆孔，通過其輸出的圖像直觀地反映出巷道周圍巖體不連續面(如層理、節理、裂隙)，為地質構造發育情況判斷、巷道支護設計、圍巖注漿加固效果等提供可靠依據。繩索取芯鉆進技術是以鉆桿為通道，通過繩索和專用打撈工具等方式，將巖芯提升到孔外的特殊工藝[3]。繩索取芯技術無需在孔外提升鉆桿，能夠極大減少下鉆具的時間，提高鉆進效率。本次取芯包括下斜鉆孔（＞-30°）取芯和近水平（-30°～+30°）鉆孔取芯兩種，具體流程見下圖1。

如圖1 所示繩索取芯工藝可施工角度為-90°～+30°，超出該范圍不可使用。繩索取芯鉆桿壁薄扣，因此擰卸鉆桿時必須采用人工擰卸，防止絲扣損傷。繩索取芯施工需要安裝提升架（鉆塔），因此占用空間較大，鉆孔軸線方向需要尺寸4.5～5 m。

3 工藝參數

3.1 轉速

本次繩索取芯鉆桿采用金剛石鉆頭進行鉆進。對金剛石鉆進而言，一般情況下要求轉速v＞300 r/min，具體參數見表1。

表1 金剛石鉆頭采用的轉速值

選擇金剛石鉆頭轉速時，還應考慮巖石性質和鉆孔等因素。當鉆進巖層較破碎、孔壁不穩、軟硬不均時，應從下限轉速開始逐步調高；當鉆孔結構簡單、孔深不大、環空間隙小時，可以選用高轉速。

3.2 鉆壓

對金剛石鉆進而言，鉆壓起到的作用僅為將鉆頭壓在孔底，保證起不發生反彈即可。所以在金剛石鉆進中通常采用“低壓、慢給進”[4]，具體參數見表2。

表2 各類表剛石鉆頭采用的鉆壓值

選擇和施加鉆壓時，除巖石性質外，還應注意金剛石質量、鉆頭類型、鉆壓階段等因素。當鉆頭所選用的金剛石質量好、粒度大、數量多時，可以選上限鉆壓；當胎體較軟、鉆頭口徑大、壁厚與巖石接觸面積大時，應使用上限鉆壓；此外鉆進磨合階段時，最好使用低鉆壓、低轉速，待鉆頭唇面形狀與巖芯吻合后再逐步提高鉆壓鉆速。

3.3 沖洗液量

沖洗液主要用于鉆進過程中排粉、冷卻外及潤滑鉆具等作用，一般選擇小泵量和高泵壓[5]，具體可參照下表3。

表3 金剛石取芯鉆進常用泵量值

選擇合理的泵量時，應考慮以巖粉量、鉆頭溫度和返水量等因素。當巖層較為堅硬致密時，鉆進的巖粉量較少，可以從下限泵量開始逐步提高；當巖層具有強研磨性時，需要較大泵量冷卻吸收摩擦產生的熱量，應使用上限泵量；當鉆進漏失地層時，孔口返水明顯減少，要需要維持沖洗液的循環應選用大泵量。

4 設備選型

4.1 鉆機

金剛石繩索取芯鉆進要求鉆機轉速在150 r/min以上，最好可以實現無極調速，要求鉆機具有事故處理能力強、結構緊湊、操作簡單、施工角度范圍大和搬遷方便等特點。滿足-90°～30°范圍內的取芯技術，并且探測長度不小于200 m。經多方對比，選用ZDY4500LXS 鉆機。其結構如圖2 所示。

如圖2，ZDY4500LXS 型鉆機是履帶式全液壓鉆機，轉速范圍寬、扭矩大、360°全方位回轉，適于采用牙輪鉆頭、硬質合金鉆頭及螺旋鉆具施工大直徑鉆孔。鉆機采用分組式布置，全機分主機、泵站、操縱臺、行走部件、司機座位五大部分，各部分之間用高壓軟管連接，結構緊湊，油路系統集成度高，便于日常維護和檢修。主機傾角調節系統操作簡單、全液控操控，工作效率高，工人勞動強度小，操作方便，可適應不同作業環境下的角度需求。

4.2 鉆具

繩索取芯鉆具主要包括鉆頭、擴孔器、雙管總成和鉆桿等，各部件配合完成繩索取芯的高效進行。

4.2.1 鉆桿

取芯鉆桿采用直連式繩索和有接頭式繩索兩種，如下頁圖3 所示。

繩索取芯鉆桿為專用鉆桿，一方面由于鉆桿作為內管總成提升通道，必須為內平鉆桿；另一方面要求鉆桿高轉速狀態下穩定性好，強度高。根據接頭的方式分為有接頭、無接頭兩種，根據繩索取芯鉆桿壁薄、平扣連接易損壞等特點，坑道繩索取芯鉆桿一般采用有接頭的方式。S75 繩索取芯鉆具選配Φ61～71mm 繩索取芯鉆桿。

4.2.2 鉆頭

鉆頭結構如圖4 所示。

如圖4，繩索取芯目前最常用的鉆頭為金剛石取芯鉆頭，根據金剛石的鑲嵌方式分為表鑲、孕鑲兩種，根據煤系地層特點及鉆進效率方面的考量，S75繩索取芯鉆具一般根據地層硬度不同采用胎體硬度20～35 的Φ75～49 mm 孕鑲金剛石取芯鉆頭。

4.2.3 擴孔器

擴孔器結構如圖5 所示。

如圖5，擴孔器是一種起到擴大孔徑和修整孔壁保證孔徑不縮小的一種鉆具，擴孔器的直徑比鉆頭直徑略大，兩個配合使用還起到扶正作用，減少鉆具偏斜。

4.2.4 雙管總成

雙管總成包括外管總成和內管總成，外管總成結構如圖6 所示。

如圖6，外管總成由鉆頭、擴孔器、外管、座環、扶正環、彈卡室和彈卡擋頭等組成，實現容納內管總成、內管總成限位、單動等功能。

內管總成結構如圖7 所示。

如圖7，內管總,由卡簧座、卡簧、卡簧擋圈、內管、單動機構、回收管、彈卡、撈矛頭等組成，實現懸掛機構、到位報信機構、巖芯滿管報警機構、緩沖機構、輔政機構、安全脫卡機構等。

4.3 打撈器總成

打撈器總成如圖8 所示。

如圖8，打撈器總成由打撈器、脫卡管組成，其中打撈器又由打撈鉤、重錘、繩卡組成。打撈器主要的功用是將內管總成提出孔外，脫卡管的作用是內管總成卡滯無法提出時，采用脫卡管可將打撈器順利提出。

4.4 近水平（上仰）鉆孔施工所需鉆具

施工近水平或上仰繩索取芯鉆孔時，將內管總成及打撈器送入孔底無法繼續像垂直孔施工利用自重自然下落，水力輸送器的作用即是為了解決這一問題。近水平或上仰繩索取芯鉆進時，水力輸送器需要將內管總成或打撈器送入孔底，需有鋼絲繩穿過水便進行憋壓，通纜式水接頭即是這一裝置。

4.5 液壓提升設備

繩索取芯鉆進必須配備絞車用于提升內管總成，目前市場上絞車均為液壓馬達驅動絞車。另外必須配備Φ4 mm、Φ6 mm、Φ8 mm 鋼絲繩與油管（3 根Φ13 mm×5 m 油管），鋼絲繩根據鉆孔深度分為400 m、500 m。繩索取芯鉆進必須采用清水鉆進，且金剛石鉆頭高轉速磨削巖石，需用清水冷卻鉆頭、攜帶巖粉，所以需配備泥漿泵。一般可根據鉆孔直徑、鉆孔角度、深度等因素選擇泥漿泵型號，可選3NB-150、3NB-250、3NB-300 等。

5 現場試驗

施工地點位于北翼4301 工作面G2 鉆場內，為有效探測F18 正斷層的具體位置及走向，在G2 鉆場左幫施工兩個探測取芯鉆孔，總共施工7 根Φ127 mm套管并進行全孔段取芯，其參數如表4 所示。

表4 探測鉆孔具體參數表

5.1 鉆孔取芯流程

1）鉆孔開孔時，首先采用Φ133 mm 鉆頭進行開孔，鉆進16 m 后停止進行沖孔，沖洗無雜質后再下入14 mΦ108 mm 套管并進行加固，8 h 以后進行透孔試壓。

2）試壓達到標準壓力后，連接取芯鉆頭、巖芯管，擰緊牢固后打開壓力水循環，緩慢施加鉆壓，以低轉速、輕鉆壓試運轉，待鉆進0.3～0.5 m 以后，逐漸調整到正常取芯鉆進。

3）取出巖芯后，對巖芯進行護表、巖性描述和編號，存放在巖芯箱，并對鉆孔進行封孔操作，保證孔口管內充滿水泥、無滲水、滴水現象。

5.2 取芯效果

對巖芯情況進行分析，探1 孔位于工作面正前34 m，巖芯見斷層泥巖，巖性明顯變化，施工至42 m時巖芯為砂巖，判定42 m 處為斷層位置；探2 孔位于工作面正前24 m，巖芯巖性發生變化，判定24 m 處為斷層另一位置，24～28 m 巖芯巖性為砂巖，28 ～34 m巖芯巖性為泥巖，確定斷層走向為北東偏西走向。

6 結語

通過在G2 鉆場進行鉆探取芯，明確了斷層位置為工作面正前34 m 處，24～28 m 巖芯巖性為砂巖，28～34 m 巖芯巖性為泥巖，結合礦方地質資料可確定斷層走向為北東偏西走向，說明斷層有進一步發育可能。由此可見，該工藝能夠有效減少對巖芯的磨損，具有減少了輔助作業時間、鉆進效率高、地質效果好、繩索取芯鉆進巖芯采取率高、完整度和純潔性好等優點，有利于復雜地層鉆進、孔內安全和便于測斜工作，具有一定的推廣意義。