北京大安山煤礦井下深孔鉆探實(shí)踐

盧尚春

(北京昊華能源股份有限公司大安山煤礦，北京 102419)

0 引言

大安山井田位于北京市房山區(qū)大安山鄉(xiāng)，井田面積29.4579 km2，隸屬于北京昊華能源股份有限公司。以往的勘探中，地表只有少數(shù)鉆孔施工至+550 m水平，該水平以下煤層賦存條件未探明(屬遠(yuǎn)景規(guī)劃資源儲(chǔ)量)。為探明下部煤層賦存條件，提高資源儲(chǔ)量級(jí)別，大安山煤礦與中煤科工集團(tuán)西安研究院合作進(jìn)行煤礦井下深孔鉆探技術(shù)研究。采用中煤科工集團(tuán)西安研究院生產(chǎn)的ZDY1000G型全液壓動(dòng)力頭式坑道鉆機(jī)、S75繩索取心鉆進(jìn)工藝，進(jìn)行了500 m孔深鉆探試驗(yàn)。

1 地層情況

1.1 地層

大安山煤礦煤系為下侏羅統(tǒng)窯坡組陸相含煤建造，上覆龍門(mén)組礫巖，下伏南大嶺組玄武巖、凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)粉砂巖、變質(zhì)巖，地層以緩傾斜為主，傾向NE，主要由深灰色、黑灰色粉砂巖和灰色、淺灰色砂巖及煤組成。巖相以河床相、湖泊相、河流三角洲相為主。

1.2 含煤地層

500 m范圍內(nèi)可采煤層8層，其中薄煤層3層，中厚煤層5層?？卓跒?5槽頂板粉砂巖。

2 設(shè)備選擇

2.1 鉆機(jī)

選擇ZDY1000G型全液壓動(dòng)力頭式坑道鉆機(jī)(結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1)。該鉆機(jī)轉(zhuǎn)速高，系煤礦和金屬礦井鉆探的多種用途的鉆孔。既可滿(mǎn)足地質(zhì)勘探、瓦斯抽放、注水及其它硐內(nèi)工程施工，也可用于地面勘探施工，適用于金剛石、硬質(zhì)合金鉆進(jìn)和沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。

圖1 ZDY1000G型全液壓坑道鉆機(jī)Fig.1 ZDY1000G full-hydraulic tunnel drill rig

該鉆機(jī)采用分組式布置，全機(jī)分主機(jī)、泵站、操縱臺(tái)3大部分，各部分之間用液壓膠管連接，擺布靈活，解體性好，在現(xiàn)場(chǎng)拆裝和搬遷方便。主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 泥漿泵

試驗(yàn)中選用BW-250/50型泥漿泵，該泵具有壓力高、泵量大、工作平穩(wěn)、安全可靠的特點(diǎn)。

2.3 附屬設(shè)備及工具

根據(jù)本工程特點(diǎn)，選用SJ-X型繩索取心絞車(chē)及S75-J型木馬夾持器，并采用多點(diǎn)測(cè)斜儀。

3 鉆具選擇

3.1 鉆頭

選用了3種規(guī)格的孕鑲金剛石鉆頭(如圖2所示)。

圖2 實(shí)驗(yàn)鉆頭Fig.2 Test drilling bits

A型鉆頭：孕鑲熱壓鋸齒形金剛石鉆頭。金剛石粒度46～70目，金剛石濃度100%，胎體硬度HRC30～35，工作層厚度6 mm，水口數(shù)量10個(gè)。

B型鉆頭：電鍍鋸齒形金剛石鉆頭。金剛石粒度46～70目，金剛石濃度100%，胎體硬度HRC25～30或35～40，水口數(shù)量8個(gè)。

C型鉆頭：JBD-75S仿生金剛石鉆頭。金剛石粒度35～40、50～60目，金剛石濃度80%，胎體硬度HRC32～38，水口數(shù)量8個(gè)。

3.2 擴(kuò)孔器

選用?75.5 mm普通孕鑲金剛石擴(kuò)孔器。

3.3 繩索取心鉆具

配備3000 mm(長(zhǎng)度)×5.5 mm(壁厚)的S71繩索取心鉆桿200根。選用S75繩索取心鉆具。外管?73 mm，內(nèi)管?56 mm，長(zhǎng)2000 mm，設(shè)計(jì)取心長(zhǎng)度1900 mm。

4 鉆探工藝

4.1 鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)和設(shè)備安裝

4.1.1 鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)

鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)要根據(jù)煤礦井下硐室設(shè)計(jì)規(guī)范和煤礦安全規(guī)程，以及鉆機(jī)和各種附屬設(shè)備的安裝尺寸，同時(shí)考慮鉆場(chǎng)水、電和通風(fēng)需要[1]。

4.1.2 設(shè)備安裝

所有設(shè)備到達(dá)鉆場(chǎng)后，先進(jìn)行鉆機(jī)的安裝。用地腳螺釘把鉆機(jī)底座固定在已經(jīng)凝固好的水泥基座上，接上支撐桿短節(jié)，松開(kāi)機(jī)身與前、后橫梁及支撐桿與橫梁上的鎖緊軸瓦螺釘。然后用支撐油缸將機(jī)身緩緩頂起到垂直角度，用地質(zhì)羅盤(pán)測(cè)量垂直角度無(wú)誤后，擰緊所有螺栓，然后安裝提升架。

將泵站、操作臺(tái)和泥漿泵放置在有利于安全操作的地方[2]，進(jìn)行管路的連接。使用專(zhuān)用腳手架及木質(zhì)材料大板，搭建2層工作臺(tái)。工作臺(tái)搭好后安設(shè)2層護(hù)欄，上、下工作臺(tái)設(shè)有人行梯子，安全帶固定在后方較高層護(hù)欄中部[3]。給油箱加滿(mǎn)油，電源和水源到位后，開(kāi)機(jī)試運(yùn)行，待所有準(zhǔn)備工作完成后，開(kāi)始正常鉆探。鉆場(chǎng)的平面布置如圖3所示。

圖3 鉆場(chǎng)布置示意Fig.3 Schematic layout of drill site

4.2 鉆進(jìn)工藝及流程

4.2.1 繩索取心施工流程

開(kāi)孔用?91 mm的單管鉆頭進(jìn)尺1.5 m，下?89 mm×4.5 mm孔口管，然后用S75繩索取心鉆具鉆進(jìn)[4]。

4.2.2 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

4.2.2.1 鉆壓

繩索取心鉆頭比普通雙管鉆頭底唇面積大，要求的鉆壓也相應(yīng)增大[5]，通常情況下S75鉆頭所需鉆壓7～13 kN，具體以孔底壓力計(jì)算為依據(jù)并視孔底地層情況進(jìn)行調(diào)整。

0～260 m孔段采用加壓鉆進(jìn)，由于+550 m以下巖層多以粉砂巖和細(xì)砂巖為主，針對(duì)地層情況，給進(jìn)壓力為0～3 MPa；當(dāng)孔深≥260 m后，鉆具重力超過(guò)了鉆頭所需要的壓力，應(yīng)進(jìn)行減壓鉆進(jìn)。隨孔深的增加，逐步調(diào)整背壓，使鉆頭壓力始終處于合理范圍以?xún)?nèi)[6]。

孔底壓力的計(jì)算如下：

F鉆=4000i(P給-P起)+G頭+G桿-4416P泵

式中：F鉆——孔底壓力，N；i——傳動(dòng)效率，液壓缸-鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率取0.79～0.82；P給——給進(jìn)壓力表壓力，MPa；P起——起拔壓力表壓力，MPa；G頭——?jiǎng)恿︻^重力，N；G桿——鉆桿重力，95 (N/m)·L；L——鉆桿長(zhǎng)度，m；P泵——泥漿泵壓力，MPa。

4.2.2.2 轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速的選取決定于地層、孔深、鉆孔結(jié)構(gòu)及鉆具級(jí)配等多個(gè)因素[7]。由于整個(gè)鉆孔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一徑到底，環(huán)空間隙較小，故在孔深0～300 m時(shí)使用高轉(zhuǎn)速鉆探，根據(jù)巖層的軟硬不均，轉(zhuǎn)速變化范圍為400～750 r/min。隨著孔深的增加，鉆桿質(zhì)量也不斷增加，在300 m以深時(shí)，轉(zhuǎn)速也逐漸降低，轉(zhuǎn)速變化范圍為240～400 r/min。

4.2.2.3 泵量和泵壓

繩索取心鉆進(jìn)泵量的確定，應(yīng)以確保有效清除、攜帶巖粉和冷卻鉆頭為準(zhǔn)[8]。根據(jù)規(guī)程，S75鉆進(jìn)泵量范圍為40～60 L/min。此次試驗(yàn)，開(kāi)孔及孔深≤20 m段，泵量為36 L/min。其后，選擇泵量為52 L/min。

4.2.3 合理使用金剛石鉆頭

(1)金剛石鉆頭、擴(kuò)孔器要排隊(duì)輪換使用，先用外徑大的后用外徑小的[9]。

(2)鉆頭與擴(kuò)孔器必須合理級(jí)配，擴(kuò)孔器外徑應(yīng)比鉆頭外徑大0.3～0.5 mm。

4.3 沖洗液及護(hù)壁堵漏

為防止對(duì)地下水的影響，鉆探施工中，采用清水作為鉆井液。當(dāng)鉆遇松散、破碎的煤層時(shí)出現(xiàn)孔壁坍塌，頻繁憋泵，采用灌注水泥漿進(jìn)行加固[10]。

一般選用普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.3～0.5，注漿時(shí)將鉆具提離孔底2～3 m，將攪拌均勻后的泥漿從鉆桿中間倒入孔底，邊倒邊提鉆[11]，直到記錄塌孔處最上層的煤層位置停止注漿，然后將鉆具全部提出孔外，并沖洗所有鉆桿內(nèi)壁，防止鉆桿內(nèi)孔水泥漿凝固結(jié)垢。隨孔深的不同，候凝36～72 h，然后下鉆掃孔后進(jìn)行鉆進(jìn)。試驗(yàn)孔共注漿6次，效果都比較理想。

5 施工效果

5.1 鉆孔質(zhì)量

經(jīng)驗(yàn)收，鉆孔質(zhì)量達(dá)到優(yōu)良。

(1)巖心采取率。是反映鉆探質(zhì)量的指標(biāo)，和地層巖性破碎程度、鉆探技術(shù)和質(zhì)量控制有關(guān)[12]。破碎巖層降低鉆速和給進(jìn)壓力，可減少對(duì)破碎巖層的擾動(dòng)[13]。降低取心回次長(zhǎng)度可減少巖心管內(nèi)巖心磨損[14]。通過(guò)統(tǒng)計(jì)，本孔平均巖心采取率達(dá)99.2%。

(2)孔斜。在鉆進(jìn)過(guò)程中控制好壓力、轉(zhuǎn)速，下套管后重新鉆進(jìn)、擴(kuò)孔，大徑換小徑時(shí)加導(dǎo)正器以防止鉆孔偏斜。鉆孔施工過(guò)程中及終孔后，經(jīng)測(cè)量鉆孔彎曲情況如表2所示。開(kāi)孔換徑后在孔深50 m處頂角為0.91°，終孔孔深505 m處頂角為8.74°，全孔方位基本在135°左右。分析原因，一是鉆機(jī)安裝時(shí)采用羅盤(pán)進(jìn)行鉆機(jī)垂直度校核時(shí)，誤差較大；二是換徑時(shí)未帶導(dǎo)向，使S75鉆具偏向135°方向。

表2 鉆孔測(cè)斜數(shù)據(jù)Table 2 Borehole inclination date

(3)孔深誤差測(cè)量與校正。終孔后，對(duì)孔深進(jìn)行校正，孔深誤差率<1‰，故不需修改報(bào)表，終孔孔深505.17 m。

(4)封孔。終孔后，選用水灰比為0.3～0.5的普通硅酸鹽水泥進(jìn)行封孔。

(5)原始資料。鉆探施工中，及時(shí)記錄和整理了有關(guān)資料，工作結(jié)束后，對(duì)有關(guān)原始資料及時(shí)進(jìn)行了整理歸檔。

5.2 經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

(1)經(jīng)統(tǒng)計(jì)，鉆探施工歷時(shí)63 d，采用繩索取心鉆進(jìn)工藝，正常鉆探92個(gè)臺(tái)班，純鉆時(shí)間401.70 h，終孔深度505.17 m，順利完鉆。

(2)共使用S75金剛石繩索取心鉆頭9個(gè)。

(3)平均時(shí)效1.26 m，鉆月效率240.56 m，臺(tái)月效率494.19 m。

5.3 鉆頭使用效果

試驗(yàn)孔共使用了3種金剛石取心鉆頭，圖4為使用過(guò)的3種鉆頭。施工中，當(dāng)注漿或鉆進(jìn)時(shí)效明顯降低的情況下提大鉆更換鉆頭[15]，故每個(gè)鉆頭只使用了一個(gè)回次。從鉆頭使用效果可以看出，時(shí)效降低主要是金剛石出刃不好，而工作層尚未完全消耗。如果進(jìn)行修復(fù)，仍可繼續(xù)使用。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，單個(gè)金剛石鉆頭進(jìn)尺及時(shí)效如表3所示。

從表3分析得出，3種鉆頭在胎體硬度、金剛石粒度、水口數(shù)量這幾個(gè)參數(shù)上有所差別，針對(duì)大安山煤礦井下巖層以細(xì)砂巖和粉砂巖為主，A型鉆頭相比其它兩種鉆頭進(jìn)尺多，時(shí)效快，壽命也長(zhǎng)，比較適合大安山煤礦的地層。

圖4 使用后的金剛石取心鉆頭Fig.4 Diamond coring bits after use

序號(hào)鉆頭型號(hào)純鉆時(shí)間/h進(jìn)尺/m時(shí)效/m平均最高鉆遇巖層1B153.8548.170.893.602C137.3228.100.751.223B234.6031.900.921.404A126.2757.702.203.60粉砂巖、粗砂巖、煤5A212.7512.801.001.786B360.8194.601.593.55粉砂巖、煤7A389.90141.201.573.008B433.8032.800.971.58細(xì)砂巖、粉砂巖、煤9A452.4057.901.102.05煤合計(jì)401.70505.171.263.60

6 結(jié)論與建議

(1)應(yīng)用ZDY1000G型全液壓坑道鉆機(jī)，采用S75繩索取心鉆進(jìn)工藝，有效地提高了效率。

2012-2014年共計(jì)鉆探8237 m，增加資源儲(chǔ)量1877.7萬(wàn)t，年進(jìn)尺由3000 m提高到4500 m，對(duì)深部煤層補(bǔ)充勘探，部署開(kāi)拓工程提供了可靠的地質(zhì)資料，減少了成本，提高了效率；鉆探效率有了大幅提高，平均時(shí)效1.26 m，最高達(dá)3.6 m。臺(tái)月效率在500 m左右。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，巖心采取率達(dá)到了95%以上。

(2)針對(duì)以粉、粗砂巖和煤層為主的地層，應(yīng)選用合適的孕鑲金剛石鉆頭。

實(shí)驗(yàn)及后續(xù)施工中，熱壓孕鑲金剛石鉆頭相比其它兩種鉆頭壽命長(zhǎng)，時(shí)效快，較適合大安山煤礦的地層，其胎體硬度應(yīng)控制在HRC30～35。

(3)ZDY1000G型鉆機(jī)在硐內(nèi)(井下)勘探中有較大的應(yīng)用潛力。

選擇ZDY1000G型全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)，轉(zhuǎn)速高，扭矩大，集成度較高，組裝方便。既能滿(mǎn)足煤礦和金屬礦井鉆探的多種用途的鉆孔，又可滿(mǎn)足地質(zhì)勘探、瓦斯抽放、注水及其它工程硐內(nèi)施工。適用于金剛石、硬質(zhì)合金鉆進(jìn)和沖擊回轉(zhuǎn)鉆探。在硐內(nèi)(井下)勘探中有較大的應(yīng)用潛力。

(4)應(yīng)加強(qiáng)硐內(nèi)(井下)施工管理。

硐內(nèi)(井下)施工，涉及施工用水、電和相關(guān)機(jī)具材料的運(yùn)輸搬遷及通風(fēng)等安全生產(chǎn)因素較多，是一個(gè)較復(fù)雜的系統(tǒng)工程。必須加強(qiáng)整體協(xié)調(diào)和綜合管理，對(duì)于首次參與施工的人員，必須進(jìn)行全面的安全教育培訓(xùn)，合格后方可進(jìn)行施工。