深部找礦鉆探施工工藝與方法

張鴻飛

(黑龍江省煤田地質(zhì)二○四勘探隊，黑龍江七臺河 154600）

深部找礦鉆探施工工藝與方法

張鴻飛

(黑龍江省煤田地質(zhì)二○四勘探隊，黑龍江七臺河 154600）

介紹了在老礦區(qū)深部進行找煤所采用的工藝與方法，即在采空煤層井段采用風動潛孔錘鉆進方法進行施工，在鉆穿采空煤層后在深部采用繩索取心鉆進方法施工。對施工中遇到的技術(shù)問題所采用的方法及取得的經(jīng)驗與教訓(xùn)進行了闡述。

采空煤層;潛孔錘;繩索取心;深部找礦

0 引言

單獨用一種工藝在某個礦區(qū)進行鉆探施工是司空見慣的事情，用兩種工藝結(jié)合在某一礦區(qū)施工也有很多先例，但用風動潛孔錘與繩索取心鉆進結(jié)合在某一礦區(qū)施工卻鮮見，特別是用風動潛孔錘與繩索取心鉆進結(jié)合用于上部是多年采煤留下的采空煤層，而在采空煤層下部進行找煤施工不但在國內(nèi)是先例，在國際上也是絕無僅有的。本文介紹的就是用風動潛孔錘與繩索取心鉆進結(jié)合在黑龍江省七臺河國有礦山西部區(qū)(一期）進行深部勘探施工過程、取得的效益、經(jīng)驗與教訓(xùn)，供同行參考。

1 該區(qū)設(shè)計目的任務(wù)

1.1 目的

為保障黑龍江省東部煤電化項目煤炭資源有效供給能力，延長七臺河老礦山用力年限，確定在七臺河國有礦山西部區(qū)深部進行煤炭資源勘查。

1.2 任務(wù)

(1）基本查明深部構(gòu)造特征;

(2）基本查明深部(－800 m以下）煤層層位、層數(shù)、厚度及可采范圍，評價可采煤層的穩(wěn)定程度及可采性;

(3）基本查明深部可采煤層的煤質(zhì)特征、煤類，評價可采煤層的煤質(zhì)變化程度;

(4）基本查明主要可采煤層的頂?shù)装骞こ痰刭|(zhì)特征、煤層瓦斯、地溫等開采技術(shù)條件;

(5）初步查明其他有益礦產(chǎn)賦存情況;

(6）估算可采煤層控制的、推斷的、預(yù)測的資源量。

2 勘探區(qū)地層煤層及采空煤層情況

2.1 地層

本區(qū)地層基底為元古代花崗巖，含煤地層為白堊系下統(tǒng)滴道組、城子河組、穆棱組，上覆地層為第四系。

(1）花崗巖(γ2）:出露于該區(qū)外北部倭肯河北岸，為煤系地層基底。

(2）白堊系雞西群滴道組(K1dd）:下伏于城子河組下部，區(qū)內(nèi)未出露。巖性下部為含礫粗砂巖、粗砂巖、中砂巖、粉砂巖和薄層碳質(zhì)泥巖及不可采煤層。上部巖性中粉砂巖和黑灰色泥巖較多，夾少量泥巖和煤層，可采及局部可采煤層3～5層。與城子河組分界煤層為106號煤層頂板中的中、粗砂巖底部為界，屬平行不整合接觸。

(3）白堊系雞西群城子河組(K1ch）:為該區(qū)主要含煤層組，下伏于穆棱組下部，地層較厚。巖性以粉砂巖、細砂巖、粉砂巖互層為主，其次是中粗砂巖及碳頁巖。下部較細，自下而上中、粗砂巖增多，夾少量泥巖和凝灰?guī)r，含可采和局部可采煤層數(shù)十層。其與上部穆棱組以42號煤層頂板粗砂巖的底界為界，整合接觸。

(4）白堊系雞西群穆棱組(K1m）:巖性以灰綠、深灰色粉細砂巖互層為主，夾多層凝灰?guī)r、泥巖，含煤2～5層，局部可采，較厚與下伏城子河組整合接觸。

(5）第四系(Q）:分布于河流兩岸及沖溝等地，巖性為黑色腐植土、亞粘土、砂泥及砂礫等，較薄。2.2構(gòu)造

本區(qū)位于七臺河斷陷西部，總體為向西南傾伏的單斜構(gòu)造，傾角一般在15°～40°，斷層發(fā)育，褶皺多為開闊至中等的短軸傾伏褶皺，大的斷層主要為走向近南北的青龍山斷層。

2.3 煤層

本區(qū)含煤地層為下白堊統(tǒng)滴道組、城子河組，含煤105層，厚度為73.37 m，其中可采和局部可采為36層，可采厚度為40.93 m。新建礦區(qū)開采的87、90、91、92、93號層為主力煤層，其它為局部可采;新興礦區(qū)開采的48、58、63、65、67、68號為可采煤層，其它為局部可采;新立礦開采的90、93號為主要可采。

2.4 設(shè)計采空煤層情況

我隊中標的20個鉆孔設(shè)計中，根據(jù)調(diào)查和電法勘探施工成果，每個鉆孔都有采空煤層，共有采空煤層72層。

3 施工情況

3.1 設(shè)備改造情況

由于風動潛孔錘鉆進時的轉(zhuǎn)速、壓力和風量等參數(shù)不同于繩索取心金剛石鉆進，它要求轉(zhuǎn)速低，壓力適中，風量盡可能大。因此，必須對現(xiàn)有的液壓鉆機進行改進，以適應(yīng)風動潛孔錘鉆進。經(jīng)過多次考察和調(diào)研，選擇了YXT355－4B調(diào)速電動機并配以相應(yīng)的調(diào)速器及氣盒子完全能滿足風動潛孔錘鉆進施工需要。所用設(shè)備及器具情況見表1。

3.2 潛孔錘鉆進施工

3.2.1 施工過程簡述

七臺河國有礦山西部區(qū)(一期）深部勘探施工的所有鉆孔上部采空煤層井段全部采用風動潛孔錘鉆進施工，全區(qū)共完成鉆孔40個(地面），鉆探工程量為46248 m，其中我隊完成鉆孔19個，鉆探工程量為19611 m。施工中共鉆遇采空煤層46層，采空煤層厚度最厚為5 m，施工中經(jīng)常出現(xiàn)夾埋鉆現(xiàn)象，如SK－33、SK－49等鉆孔。由于采煤結(jié)束后巷道內(nèi)的液壓支護、行軌等器具沒有及時回收，導(dǎo)致施工中遇鐵現(xiàn)象多次，無法正常鉆探施工，如SK－18、SK－33等鉆孔。由于我隊施工的鉆孔位于礦區(qū)中心位置，多年的采煤疏干導(dǎo)致地下水枯竭，許多鉆孔在施工中出現(xiàn)鉆井液大量漏失，孔口不返水，如SK－13、SK－21、SK－19等鉆孔。施工中鉆遇采空煤層情況見表2。

表1 潛孔錘鉆進所需設(shè)備器具

3.2.2 設(shè)備選擇

潛孔錘鉆進階段鉆探設(shè)備的選擇見表2。

3.2.3 參數(shù)選擇

我隊施工的19個鉆孔上部過采空煤層均采用風動潛孔錘施工完成，其鉆進參數(shù)均按照潛孔錘鉆進技術(shù)要求來選擇，具體情況見表3。

3.2.4 鉆具組合

19 個鉆孔上部過采空煤層均采用風動潛孔錘施工，其鉆具組合如下:

一開: 190 mm牙輪鉆頭+變徑接頭+ 121 mm鉆鋌+ 89 mm鉆鋌+變徑接頭+89 mm×79 mm×6 mm六方主動鉆桿。

二開: 150 mm潛孔錘頭+ 127 mm潛孔錘+變徑接頭+ 121 mm鉆鋌+變徑接頭+ 89 mm鉆鋌+變徑接頭+ 89 mm鉆桿+89 mm×79 mm×6 mm六方主動鉆桿。

三開: 110 mm潛孔錘頭+ 90 mm潛孔錘+變徑接頭+ 89 mm鉆鋌+變徑接頭+ 89 mm鉆桿+89 mm×79 mm×6 mm六方主動鉆桿。

3.3 繩索取心鉆進施工

3.3.1 施工過程簡述

該項目于2010年6月6日正式開工(實驗鉆孔除外），于2011年10月野外施工結(jié)束(我隊于2011年8月結(jié)束野外施工）。共有30個鉆孔采用潛孔錘與繩索取心鉆進結(jié)合進行施工，其它無采空煤層的鉆孔均采用繩索取心鉆進工藝施工完成。

表2 深部勘探鉆孔過采空煤層情況

表3 鉆進參數(shù)選擇

我隊施工的鉆孔19個，完成鉆探工程量19611 m，其中繩索取心鉆進7415.93 m，純鉆率35%，孔內(nèi)事故率7.4%，停鉆率4.4%，堵漏率15.1%，鉆月數(shù)為47.8，鉆月效率410.30 m，臺月數(shù)44.18，臺月效率443.91 m;小時效率1.47 m。

從以上的數(shù)據(jù)來看，各項技術(shù)指標均低于其它各區(qū)各項技術(shù)指標，原因:一是采區(qū)中心采掘時放炮導(dǎo)致地層錯動松散，施工時出現(xiàn)卡、夾、埋鉆等事故;二是多年采煤疏干導(dǎo)致地下水枯竭，鉆進時造成孔內(nèi)嚴重漏失，堵漏時間長;三是因井下采煤結(jié)束后遺留的鐵軌、液壓支護等物件造成施工中遇鐵，移孔次數(shù)多，增加了施工時間。

3.3.2 設(shè)備選擇

繩索取心鉆進設(shè)備選擇見表4。

表4 繩索取心鉆進設(shè)備

3.3.3 鉆頭選擇

繩索取心金剛石鉆進，鉆頭參數(shù)的選擇要依據(jù)地層情況、巖石硬度及研磨性合理選擇。根據(jù)地質(zhì)資料主要以粉砂巖、砂巖為主，可鉆性4～7級，因此鉆頭胎體各項參數(shù)的選擇見表5。

3.3.4 鉆進參數(shù)

繩索取心鉆進階段鉆進參數(shù)選擇見表6。

表5 金剛石鉆頭選擇表

表6 鉆進參數(shù)選擇

3.3.5 鉆具組合

繩索取心鉆進時采用的鉆具組合為: 80 mm金剛石鉆頭+ 80.5 mm擴孔器+ 73 mm巖心管+ 71 mm鉆桿+ 74 mm變徑+89 mm×79 mm× 6 m主動鉆桿。

3.3.6 鉆井液

采空煤層井段鉆進時采用空氣或空氣加泡沫劑的方式循環(huán)，泡沫劑的加量根據(jù)使用說明書進行。過采空煤層以后，采用低固相或無固相(清水+處理劑）鉆井液進行施工。

地層壓力一般隨鉆井深度的增加而增大，據(jù)此調(diào)整鉆井液性能，以保持近平衡鉆進。根據(jù)鉆井工程規(guī)程要求以及七臺河礦區(qū)構(gòu)造，必須維護井壁的穩(wěn)定，從而確保該井達到地質(zhì)目的，因此對鉆井液的性能使用要求如下。

(1）繩索取心鉆進時根據(jù)井內(nèi)地層情況，選擇低固相或無固相鉆井液，低排量鉆進。鉆遇復(fù)雜地層時，選用優(yōu)質(zhì)低固相鉆井液，必要時可加入防塌劑、加重劑進行護壁。

(2）根據(jù)總體設(shè)計方案，結(jié)合在該區(qū)域鉆井施工中鉆井液使用的成功經(jīng)驗，本次鉆井施工采用土粉鉆井液、PHP－CMC低固相鉆井液和PHP－CMC無固相鉆井液進行施工。各井段鉆井液性能見表7。

(3）鉆井液配制:選用優(yōu)質(zhì)膨潤土作為造漿材料，造漿率大于10 m3/t。配制過程中，首先把膨潤土加入一定量的純堿并加水攪拌均勻，預(yù)水化使其轉(zhuǎn)化為鈉質(zhì)膨潤土。然后，用水解度30%、分子量160萬的聚丙烯酰胺和其他處理劑處理，以提高造漿能力和粘度，降低失水量。最后將泥漿稀釋到所需的固相含量，水解聚丙烯釋酰胺應(yīng)稀釋成水溶液使用。鉆進過程中，要不斷地補充水解聚丙烯酰胺溶液以補充沉除鉆屑時的消耗。

表7 鉆井液性能

(4）鉆井液管理:選配優(yōu)秀的泥漿管理人員，負責現(xiàn)場鉆井液的配制、測定、調(diào)整和儀器、材料的保管。配齊鉆井液性能測試儀器。每次開鉆前，鉆井液性能必須調(diào)整到設(shè)計要求的范圍。每2 h測量一次鉆井液密度和粘度，8 h測量一次API全套性能。井內(nèi)情況復(fù)雜時1 h測量一次鉆井液密度和粘度，4 h測量一次API全套性能并填入班報表。鉆井液性能進行較大調(diào)整前必須做小型試驗。鉆進過程中，盡量保持鉆井液壓力與地層壓力平衡，維持近平衡鉆進。及時、準確、取全鉆井液錄井資料。做好簡易水文觀測，并記入班報表。

3.4 井身結(jié)構(gòu)

該項目所有鉆孔的井身結(jié)構(gòu)基本如圖1所示。

圖1 鉆孔井身結(jié)構(gòu)

4 取得的效果

4.1 鉆探成果

如果該項目有采空煤層的鉆孔采用繩索取心或普通工藝方法進行施工，那么每過一層采空煤層須下一次套管進行隔離。以SK－32號鉆孔為例，該孔過了5層采空煤層，至少要下6層套管進行隔離。也就是說該孔至少要進行7次開孔才能施工完成，而第六次開孔孔徑要超過300 mm，采用繩索取心鉆進工藝或普通工藝方法均無法完成施工任務(wù)，而且在施工中要浪費大量人力、物力和財力。

探索了一條適合在老礦區(qū)進行鉆探施工的新方法，即風動潛孔錘鉆進結(jié)合繩索取心鉆進工藝在采空煤層中進行施工。該方法得到所有參戰(zhàn)單位大量推廣和應(yīng)用。有效地預(yù)防了在采空煤層施工中夾鉆、埋鉆和粘附卡鉆的方法;嘗試了一條在鉆孔全部漏失時頂漏鉆進的工藝和方法。

4.2 經(jīng)濟效益

采用風動潛孔錘鉆進結(jié)合繩索取心鉆進工藝進行七臺河國有礦山西部區(qū)(一期）深部煤炭詳查施工，大大縮短了施工周期，節(jié)約了大量資金。該工藝先由我隊在SK－32號孔進行試驗，取得成功后在我隊內(nèi)部進行推廣應(yīng)用，后來又推廣到108隊、110隊、佳木斯六院、龍煤地勘公司等多家單位，取得了良好的社會效益。

5 經(jīng)驗與教訓(xùn)

5.1 施工中出現(xiàn)的主要問題

5.1.1 問題

由于風動潛孔錘鉆進結(jié)合繩索取心鉆進工藝在采空煤層底部進行找煤在我隊屬首次，因此在施工中遇到了許多技術(shù)難題，經(jīng)過我隊廣大工程技術(shù)人員及工人的不懈努力，技術(shù)問題都一一解決。具體問題主要有以下幾個方面:

(1）老礦區(qū)內(nèi)因地下水疏干多數(shù)鉆孔存在鉆井液嚴重漏失情況，個別鉆孔無水位，施工中無上返鉆井液;

(2）因在采煤時放炮等多種因素影響導(dǎo)致巖層破碎，施工中經(jīng)常出現(xiàn)卡夾埋鉆具現(xiàn)象;

(3）因采空煤層的存在，在一開始施工中經(jīng)驗不足導(dǎo)致有幾個鉆孔出現(xiàn)了孔斜超標的現(xiàn)象;

(4）開始施工時經(jīng)驗不足出現(xiàn)掉鉆頭現(xiàn)象;

(5）在施工過采煤層時，有幾個鉆孔鉆遇鐵等金屬物，使施工無法正常進行，導(dǎo)致移孔重新施工。

5.1.2 解決辦法

SK－13號孔因地處新建礦區(qū)中心位置，多年的采煤放炮施工導(dǎo)致巖層破碎，加上采煤時要對井下進行疏干，使地下水位下降，所以在鉆探施工時導(dǎo)致鉆井液全部漏失，無上返鉆井液，經(jīng)采用多種方法和多次隨鉆堵漏無效，后采用頂漏鉆進的方法，歷時45天該孔才完成施工任務(wù)。

SK－19號孔設(shè)計無采空煤層，采用繩索取心鉆進至485 m后下套管進行護壁。但因下套管后采用繩索取心鉆進時下部仍然漏失嚴重(采煤掘進時放炮影響巖層出現(xiàn)裂隙），漏失堵漏時間長(該孔堵漏時間長達51天），后又起出套管用潛孔錘擴孔至528 m重新下入表套進行繩索取心鉆進，順利完成該孔施工任務(wù)。

SK－23號孔施工到385 m在下套管時因采空煤層內(nèi)坍塌物埋住套管，經(jīng)處理無效(歷時65天）后移孔重新施工，安全順利完成該孔施工任務(wù)。

SK－21號孔是全孔全部漏失鉆孔，多年的采煤放炮施工導(dǎo)致巖層破碎，加上采煤時要對井下進行疏干，使地下水位下降，孔內(nèi)根本無水位可言。所以在鉆探施工時導(dǎo)致鉆井液全部漏失，無上返鉆井液，經(jīng)采用多種方法和多次隨鉆堵漏(堵漏時間長達15天），沒有效果。后經(jīng)技術(shù)人員研究探討采頂漏鉆進方法進行施工，歷時45天完成施工任務(wù)。

SK－18號孔移孔3次(兩次遇鐵，一次打斜），共施工4次完成。

SK－33號孔移孔2次(采空煤層內(nèi)遇鐵和埋鉆），共施工3次。

SK－32號孔共移孔2次(掉鉆頭一次和埋鉆），共施工3次完成。

5.2 造成的后果

因采空煤層懸浮物坍塌埋夾鉆、礦區(qū)在采煤時疏干使鉆孔漏失、采空煤層內(nèi)遇鐵等問題造成的后果主要有以下幾點:

一是施工時間長，如SK－18、SK－19、SK－33、SK－14、SK－32號等鉆孔都用了很長的時間才施工完成;二是純鉆率低，我隊施工的19個鉆孔純鉆率只有35%，而潛孔錘施工部分純鉆率只有13.5%;三是潛孔錘施工井段停等時間長，停鉆率為25.32%;四是堵漏時間長，占15.1%;五是整個項目鉆探成本比預(yù)想增加了許多。

從以上效果看雖然效率較低，成本偏高，但如果不采用風動潛孔錘加繩索取心鉆進工藝進行施工，而是單獨使用繩索取心鉆進工藝或普通工藝方法施工，則要進行7次開孔，下6層套管，或許難以完成施工任務(wù)，即使完成，成本和時間都要大大增加。

5.3 取得的經(jīng)驗與教訓(xùn)

5.3.1 經(jīng)驗

(1）掌握了在采空煤層采用風動潛孔錘鉆進工藝，對在老礦區(qū)施工時遇到的坍塌埋鉆、夾鉆、粘附卡鉆等問題積累了一定處理問題和解決問題的經(jīng)驗;

(2）掌握了在鉆孔全部漏失的情況下進行頂漏鉆進的經(jīng)驗;

(3）掌握了在采空煤層地層施工時進行防斜和糾斜的技術(shù)措施;

(4）利用SMJ5510ZJ15/800Y型車裝鉆機進行潛孔錘鉆進采空煤層;

(5）鍛煉了隊伍，提高了鉆探技術(shù)水平;

(6）改變動力形式，解決了潛孔錘低速鉆進的問題。

5.3.2 教訓(xùn)

(1）具體問題要具體分析。針對礦區(qū)中心部位因受采空煤層影響出現(xiàn)漏失，在采用多種堵漏方法沒有效果時，就要研究采用別的方法進行處理，不能一味的采用已經(jīng)用且沒有效果的方法，否則就會浪費許多人力和物力。

(2）過采空煤層時不能急于求成，要針對出現(xiàn)的每一個問題認真進行分析研究，找出解決問題的方法，否則就會走彎路。如采空煤層內(nèi)坍塌埋鉆、夾鉆、粘附卡鉆、孔斜等。

6 結(jié)語

通過這個項目的施工，解決了在老礦區(qū)進行深部找礦難的問題，第一次在老礦區(qū)采用潛孔錘結(jié)合繩索取心鉆進過采空煤層這一技術(shù)難題。本礦區(qū)的成功實踐，為在其它礦區(qū)推廣使用這一技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

［1］錢書偉，楊勝生，賈文敏，等.全漏失鉆孔預(yù)送沖洗液時間的確定［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程），2011，38(3）:44－45.

［2］黃晟輝，趙大軍，馬銀龍，等.氣動潛孔錘鉆進技術(shù)在云南旱區(qū)找水工程中的應(yīng)用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程），2011，38 (4）:28－30.

［3］李博.風動潛孔錘鉆進技術(shù)在北京地鐵降水中的應(yīng)用研究［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程），2011，38(4）:45－48，52.

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［5］張金昌.深部找礦關(guān)鍵鉆探技術(shù)問題與對策［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程），2011，38(11）:1－6.

Construction Technologies and Methods for Deep Coal Prospecting

ZHANG Hong-Fei(Heilongjiang Province 204 Coal Geological Exploration Team，Qitaihe Heilongjiang 154600，China）

The paper introduced the technologies and the methods for deep coal prospecting in old mine，that is after drilling through mined out section with pneumatic down hole hammer，the wire-line coring drilling is used in deep construction.The technical problems encountered in the construction and the experiences obtained were discussed.

mined out coal seam;down hole hammer;wire-line coring;deep prospecting

P634

:A

:1672－7428(2012）10－0026－06

2012－02－20;

2012－05－21

張鴻飛(1963－），男(漢族），吉林舒蘭人，黑龍江省煤田地質(zhì)二○四勘探隊高級工程師，探礦工程專業(yè)，從事鉆探生產(chǎn)與管理工作，黑龍江省七臺河市桃山區(qū)景豐路22號(地質(zhì)大廈），zhf6510248@163.com。