煤礦井下復(fù)雜地層近水平鉆孔繩索取心鉆進(jìn)工藝試驗(yàn)研究

郝永進(jìn)， 趙江鵬

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

目前煤礦井下水害治理主要采用鉆探手段，而查明地層賦存條件、巖性特征及水文地質(zhì)條件是水害治理采取針對性措施的基礎(chǔ)條件，因此有必要實(shí)施一定數(shù)量的井下取心鉆孔[1]。

中煤新集二礦1煤層組開采受下伏高壓承壓灰?guī)r水威脅，經(jīng)井田底板灰?guī)r水文條件勘查及區(qū)域水文地質(zhì)條件研究，該區(qū)太原組灰?guī)r含水層具高水壓、低存儲、少補(bǔ)給、難疏降等特點(diǎn)。為進(jìn)一步查清煤層底板太原組灰?guī)r分布和富水情況[2-3]，目前該礦區(qū)采用常規(guī)單管取心方法進(jìn)行鉆孔施工，施工效率低(圓班12 m)、巖心采取率低(55%)、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。

本次試驗(yàn)旨在解決煤層底板軟硬巖頻繁交替、局部破碎縮徑復(fù)雜地層條件下鉆孔傾角-15°～-35°、孔深150～200 m、采用清水為沖洗液的快速取心鉆孔施工工藝與裝備問題，提高井下取心鉆進(jìn)效率，平均鉆進(jìn)效率達(dá)到18 m/d以上、巖心采取率達(dá)到70%以上、降低工人強(qiáng)度，優(yōu)選出一套適用于煤礦井下復(fù)雜地層的快速取心裝備與工藝。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 地質(zhì)概況

試驗(yàn)鉆孔位于新集二礦220108底板巷5號上幫鉆場，本次鉆孔自太原組1灰開孔，終孔位置進(jìn)入10灰底板不小于0.5 m；根據(jù)前期初探地質(zhì)資料顯示，鉆孔布置范圍內(nèi)分布1灰～10灰10層灰?guī)r，灰?guī)r間互層泥巖、砂質(zhì)泥巖，并在太原組2灰、3灰、4灰、8灰、10灰部分發(fā)育煤線。

前期初步勘探顯示，1號、補(bǔ)1號鉆孔所在地層傾角6.5°，2號鉆孔所在地層傾角0°。鉆孔設(shè)計(jì)傾角與地層夾角<30°，加之頻繁軟硬互層，鉆孔易發(fā)生“順層跑”情況造成鉆孔偏斜。泥巖、煤線有等軟巖、破碎地層可能導(dǎo)致塌孔、縮徑，進(jìn)而引發(fā)卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故。

1.2 鉆孔結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)鉆孔2個(gè)，終孔層位為石炭系太原組10灰底板，由于1號鉆孔報(bào)廢，后期補(bǔ)充設(shè)計(jì)施工了補(bǔ)1號鉆孔，鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of test drilling

鉆孔采用二開孔身結(jié)構(gòu)，一開：孔徑133 mm，下入?108 mm套管；二開：75 mm孔徑施工至終孔。

其中1號鉆孔一開深度22.5 m，下入套管22 m；2號鉆孔、補(bǔ)1號鉆孔一開深度26.5 m，下入套管25 m。

2 鉆探裝備選用

2.1 鉆機(jī)

金剛石繩索取心鉆進(jìn)要求鉆機(jī)轉(zhuǎn)速300 r/min以上，且鉆機(jī)需配置絞車、提升架(鉆塔)完成內(nèi)管總成提升，并且滿足坑道空間狹小的要求。常規(guī)坑道鉆機(jī)一般屬低轉(zhuǎn)速、大扭矩類型，最高轉(zhuǎn)速240 r/min且無法配備提升架、絞車，無法滿足施工要求。綜合繩索取心施工要求，后選用ZDY1000G型全液壓坑道鉆機(jī)，該鉆機(jī)具有通孔直徑大、轉(zhuǎn)速高、工藝適應(yīng)性強(qiáng)、解體性好、搬遷方便等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。鉆機(jī)主要參數(shù)為：扭矩1000～220 N·m，轉(zhuǎn)速270～1000 r/min，最大給進(jìn)/起拔力85 kN，給進(jìn)/起拔行程1200 mm，主軸傾角±90°，功率55 kW，整機(jī)質(zhì)量2275 kg，主機(jī)外形尺寸(長×寬×高)2565 mm×820 mm×1635 mm。

2.2 繩索取心鉆具

與地面繩索取心鉆具相比，坑道用繩索取心鉆具的特殊性主要表現(xiàn)在以下幾方面：

(1)坑道鉆探受鉆場空間限制，要求鉆具尺寸較短。

(2)坑道近水平繩索取心鉆進(jìn)時(shí)，內(nèi)管總成和打撈器的下放無法利用自重下放，必須利用外力作用才能實(shí)現(xiàn)。

(3)近水平孔鉆進(jìn)時(shí)需對內(nèi)管扶正，保持其同心。

(4)近水平孔鉆進(jìn)時(shí)，由于鉆具自重的作用，鉆桿柱與孔壁的摩擦遠(yuǎn)大于同等深度的垂直孔，對鉆桿的強(qiáng)度要求更高。

(5)垂直孔用的彈卡定位機(jī)構(gòu)在水平孔鉆進(jìn)時(shí)由于彈卡自重及加工因素的影響，時(shí)常出現(xiàn)彈卡定位失效等問題[6-8]。

本次試驗(yàn)選用了JS75和NQEU75兩種水平孔繩索取心鉆具，鉆桿試驗(yàn)了有接頭和直連式兩種型式。兩套鉆具主要參數(shù)見表2。

表2 2種繩索取心鉆具主要參數(shù)Table 2 Main parameters of two coring tools

2.2.1 JS75鉆具

JS75繩索取心鉆具雙管總成結(jié)構(gòu)基本與垂直孔鉆具相同(圖1)，施工近水平鉆孔時(shí)，內(nèi)管總成和打撈器均通過接頭與水力輸送器連接借助水壓送入。

圖1 JS75外管總成Fig.1 Outer tube assembly of JS75

近水平鉆孔施工時(shí)，內(nèi)管總成和打撈器無法靠自重下入孔底，因此均需通過水力輸送器借助水壓送入。其中內(nèi)管總成通過水力輸送器直接送入，打撈器則是和水力輸送器組成水力輸送打撈器(圖2)送入。

圖2 水力輸送打撈器Fig.2 Hydraulic transport fisher

使用JS75鉆具繩索取心鉆進(jìn)流程如下：取心鉆進(jìn)→巖心滿管→卡斷巖心→更換通纜水接頭→連接水力輸送打撈器→送入水力輸送打撈器打撈內(nèi)管→提升內(nèi)管總成→取出巖心→連接水力輸送器下入內(nèi)管總成→內(nèi)管總成到位→提出水力輸送器→連接水便→繼續(xù)鉆進(jìn)→重復(fù)上述過程至終孔。

2.2.2 NQEU75鉆具

NQEU75繩索取心鉆具針對近水平繩索取心特點(diǎn)，在鉆具結(jié)構(gòu)上做出優(yōu)化調(diào)整，更適合于近水平鉆孔施工，外管總成中將上擴(kuò)孔器和彈卡擋頭結(jié)合為保徑器(圖3)。

圖3 NQEU75外管總成Fig.3 Outer tube assembly of NQEU75

內(nèi)管總成和打撈器結(jié)構(gòu)中加裝彈性閥片(圖4、圖5)，直徑略小于鉆桿內(nèi)徑，保證形成水壓順利送入內(nèi)管總成、打撈器，同時(shí)打撈時(shí)不至形成真空腔。

圖4 NQEU75水平打撈器Fig.4 Horizontal fisher of NQEU7

圖5 NQEU75水平彈卡總成Fig.5 Horizontal latch assembly of NQEU75

使用NQEU75鉆具繩索取心鉆進(jìn)流程如下：取心鉆進(jìn)→巖心滿管→卡斷巖心→更換通纜水接頭→打撈器打撈內(nèi)管→提升內(nèi)管總成→取出巖心→入內(nèi)管總成→內(nèi)管總成到位→連接水便→繼續(xù)取心鉆進(jìn)→重復(fù)上述過程至終孔。

繩索取心鉆進(jìn)一般采用金剛石鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn),針對沉積巖地層硬度相對較軟的特點(diǎn)，選用了孕鑲金剛石鉆頭[9-10]。

試驗(yàn)選用了胎體硬度HRC15～45、不同底唇面(平底式、圓弧式、階梯式、鋸齒式、底噴式)的金剛石取心鉆頭匹配相應(yīng)的工藝參數(shù)進(jìn)行施工[11]。

2.3 輔助設(shè)備

為保證試驗(yàn)的順利進(jìn)行，還需配備提升架、液壓絞車及鋼絲繩、泥漿泵、注漿泵等其他輔助設(shè)備。

由于坑道施工多以近水平鉆孔為主，沖洗液若使用泥漿護(hù)壁主要存在以下問題：(1)坑道條件所限，沒有足夠的空間進(jìn)行造漿、固控、沉淀等設(shè)施的布置；(2)近水平鉆孔使用泥漿護(hù)壁，沖洗液的靜液柱壓力不足以支撐泥皮護(hù)壁。因此本次試驗(yàn)選擇清水為沖洗介質(zhì)，初期采用BW250型泥漿泵對清水進(jìn)行加壓，實(shí)現(xiàn)鉆頭冷卻、攜粉、泵送鉆具。后經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)、測定，礦井系統(tǒng)靜壓水壓力2～3 MPa，水量14～22 m3/h，實(shí)現(xiàn)攜粉、冷卻、泵送鉆具等效果更優(yōu)。因此后期補(bǔ)1號鉆孔、2號鉆孔均采用礦井靜壓水施工。

3 試驗(yàn)情況

3.1 1號鉆孔

耐壓試驗(yàn)合格后，采用JS75繩索取心鉆具+?71 mm有接頭式繩索取心鉆桿繼續(xù)鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至孔深41 m時(shí)塌孔導(dǎo)致埋鉆事故，孔內(nèi)遺留3根1.5 m鉆桿、一根2.5 m外管及一根1.3 m內(nèi)管，該孔報(bào)廢。

3.2 補(bǔ)1號鉆孔

耐壓試驗(yàn)合格后，采用JS75繩索取心鉆具+?71 mm有接頭式繩索取心鉆桿，繼續(xù)鉆進(jìn)至58.8 m，由于孔內(nèi)塌孔，鉆桿從接頭與桿體多處發(fā)生斷裂、漏水、捋扣。采用水泥漿進(jìn)行全孔注漿封實(shí)，養(yǎng)護(hù)合格后，更換鉆具組合：NQEU75繩索取心鉆具+?70.1 mm直連式鉆桿，透孔、鉆進(jìn)至151.5 m(10灰底板泥巖)，達(dá)到目的層位終孔。

3.3 2號鉆孔

耐壓試驗(yàn)合格后，采用NQEU75繩索取心鉆具+?70.1 mm直連式鉆桿透孔、鉆進(jìn)至終孔孔深194.5 m(10灰底板泥巖)，達(dá)到目的層位終孔。

3.4 鉆孔取心情況

補(bǔ)1號鉆孔孔深151.5 m，其中取心段124.8 m，采取巖心總長度92.9 m，其中灰?guī)r段巖心采取率95%以上，平均采取率74.4%；2號鉆孔孔深194.5 m，取心段162.5 m,采取巖心長度為144.4 m，其中灰?guī)r段巖心采取率近100%，平均巖心采取率89%。

3.5 施工效率情況

補(bǔ)1號鉆孔在繩索取心的27.3～151.5 m孔段，鉆進(jìn)時(shí)間60.6 h，平均鉆進(jìn)效率2.1 m/h；2號鉆孔在繩索取心的23～194.5 m孔段，鉆進(jìn)時(shí)間47.8 h，平均鉆進(jìn)效率3.6 m/h(詳見表3)。

表3 鉆孔鉆進(jìn)效率統(tǒng)計(jì)Table 3 Summary of drilling efficiency

綜合考慮實(shí)際施工過程中各類影響因素及現(xiàn)場施工準(zhǔn)備、人員上下班等行走時(shí)間，得出補(bǔ)1號、2號鉆孔平均日進(jìn)尺分別為22.7、36.7 m/d。

3.6 2種鉆具試驗(yàn)情況

2種繩索取心鉆具通過3個(gè)鉆孔的對比試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

(1)JS75鉆桿有接頭連接方式，鉆桿桿體與接頭連接強(qiáng)度有限、易脫扣、捋扣,對施工影響較大；NQEU75鉆桿的直連式結(jié)構(gòu)無此類問題。

(2)JS75鉆具鉆桿桿體、鉆桿接頭、外管、擴(kuò)孔器內(nèi)徑之間非嚴(yán)格內(nèi)平，影響內(nèi)管總成、打撈器提放；NQEU75各部分之間嚴(yán)格內(nèi)平，無此現(xiàn)象。

(3)JS75雙管總成中內(nèi)管總成與打撈器的下入需加配水力輸送器，且施工流程繁瑣、輔助時(shí)間較長；NQEU75雙管總成由于優(yōu)化了內(nèi)管總成和打撈器結(jié)構(gòu)，使用效果優(yōu)于JS75鉆具。

4 復(fù)雜地層鉆進(jìn)工藝方法

前期勘探資料表明，本次試驗(yàn)鉆孔所在煤層底板分布10層灰?guī)r，灰?guī)r之間填充砂質(zhì)泥巖、泥巖，并夾有5條煤線，軟硬互層現(xiàn)象嚴(yán)重。

對鉆進(jìn)而言，主要存在巖石破碎、塌孔，造成排粉困難、埋鉆事故，水敏性泥巖縮徑糊鉆，煤與軟巖、軟硬互層造成注漿后透孔鉆孔易偏斜3類問題[12-13]。給本次施工造成很大的困難，造成2次斷鉆事故,針對這些問題，在施工3個(gè)鉆孔的過程中，分別采用了孔底注漿、擴(kuò)孔+孔底注漿、分時(shí)分段透孔的方法，取得了顯著的效果。

4.1 坍塌破碎地層處理

在鉆遇6灰底板破碎泥巖時(shí)，發(fā)生掉塊卡鉆，輕則造成回轉(zhuǎn)、起拔困難，嚴(yán)重時(shí)有可能造成斷鉆等事故[14]。針對這類情況，可采用孔底注漿法解決。即：先采取?75 mm PDC全面鉆頭+?73/63.5 mm螺旋鉆桿的鉆具組合快速鉆進(jìn)穿過破碎地層后，采用水灰比1∶1的水泥漿(可在水泥漿中加入水玻璃加速凝固)注漿加固。

然后下鉆至孔底，采取逐根提鉆、一提一注的方式注漿至孔口，加蓋帶壓(至少7 MPa)注漿，保證注漿效果。

待水泥漿終凝后，采用NQEU75繩索取心鉆具+?70.1 mm直連式鉆桿透孔至孔底，可有效解決。

4.2 水敏性泥巖處理

在鉆遇3灰底板泥巖、6灰底板含鋁泥巖、煤線時(shí)，鉆頭穿過后，泥巖遇水膨脹、孔徑縮小，導(dǎo)致鉆頭后孔段回轉(zhuǎn)困難、起拔壓力大、孔口不返水等孔內(nèi)事故[15]。

針對這類情況，淺孔段(≤50 m)采用擴(kuò)孔+孔底注漿處理，即：?94/75 mm PDC擴(kuò)孔鉆頭+?73/63.5 mm螺旋鉆桿的鉆具組合擴(kuò)孔至孔底，然后比照破碎地層的注漿方法進(jìn)行注漿、透孔處理。

當(dāng)縮徑泥巖位于深孔段(>50 m)時(shí)，類比坍塌破碎地層采用孔底注漿法解決。

4.3 軟巖、煤線鉆孔偏斜處理

鉆遇軟巖、煤線時(shí)，采取注漿或擴(kuò)孔+注漿的方法待水泥漿終凝后透孔，在透孔至軟巖、煤線時(shí)，由于地層硬度小于終凝后的水泥硬度，且軟硬互層嚴(yán)重，透孔時(shí)極易在該區(qū)段發(fā)生孔斜、開分支孔等情況[16]。

針對這類情況，采取分時(shí)分段的方法解決，具體流程如下：

先采用NQEU75繩索取心鉆具的外管總成?70.1 mm直連式鉆桿逐根提鉆、一提一注的方式注漿、候凝。

待水泥漿初凝時(shí)，采用NQEU75繩索取心鉆具+?70.1 mm直連式鉆桿快速透孔至軟巖段前1～2 m，提鉆。

待剩余孔段水泥漿終凝后，再次采用NQEU75繩索取心鉆具+?70.1 mm直連式鉆桿透孔穿過軟巖段，可有效解決。

5 結(jié)論

(1)ZDY1000G型全液壓鉆機(jī)滿足了本次金剛石繩索取心試驗(yàn)要求。

(2)試驗(yàn)鉆孔角度、孔深達(dá)到了試驗(yàn)要求，繩索取心巖心采取率、鉆進(jìn)效率高于常規(guī)單管取心，與單管取心比較，繩索取心鉆具保證了巖心的品質(zhì)和純潔性。

(3)通過3個(gè)試驗(yàn)鉆孔的施工，優(yōu)選出了NQEU75繩索取心鉆具在鉆具強(qiáng)度、鉆具結(jié)構(gòu)、施工流程等方面更適合于復(fù)雜地層近水平繩索取心鉆進(jìn)施工。

(4)試驗(yàn)總結(jié)出了一套解決適用于巖石破碎、塌孔，水敏性泥巖縮徑、糊鉆，頻繁軟硬互層鉆孔偏斜等復(fù)雜地層的處理方法。

綜上所述，本次試驗(yàn)采用鉆探裝備及配套鉆探工藝很好地完成了新集礦區(qū)的試驗(yàn)預(yù)期，可在同類地層、鉆孔中推廣應(yīng)用。