75 mm雙管單動采煤管在薄煤層及粉煤鉆探中的應用

李勝，尹亮先，章術，首照兵

(四川省煤田地質局137地質隊，四川達州 635006）

李勝，尹亮先，章術，首照兵

(四川省煤田地質局137地質隊，四川達州 635006）

在鄰水孔家山井田鉆探施工中，由于施工區域煤層厚度不穩定，并且煤層主要以粉煤為主，前期技術準備不充分，造成煤層打丟打薄。通過對其原因的分析及采煤工具的選取和采煤工藝的摸索，引入 75 mm雙管單動采煤管，并確定了一套簡單易行的采煤工藝方法。應用表明，該鉆具及工藝能夠極大地提高煤樣的采取率，防止煤層打薄打丟情況的發生。

煤層取心鉆探; 75 mm雙管單動采煤管;粉煤;薄煤層

煤田鉆探中煤心采取質量直接影響到煤田地質勘查成果，它直接影響確定煤層厚度、煤層瓦斯含量及采取煤層的數據，從而影響到評估礦產的可開發前景。近年來，隨著煤田資源的勘查與開發向深部、超深部發展，且優質礦產逐年遞減，而礦層卻逐步變薄，并且部分礦區煤層還是以粉煤為主。如何取準取全資源勘查資料，提高深部、超深部資源勘查鉆孔的鉆探效率和鉆孔質量，對鉆探施工工藝提出了更高的要求。因此，需探索采用新的鉆探工具和實用可行的操作方法，以滿足礦產資源勘查對鉆探勘查施工技術的要求。針對孔家山煤田前期勘探過程中出現煤層打丟打薄等問題，引入了 75 mm雙管單動采煤管，經過多次理論結合實踐的摸索，基本掌握了用該工具采煤的工藝，取得了較好的應用效果。

1 礦區概況及巖性

井田位于中山背斜南段，該背斜在新華夏系第三沉降帶四川盆地川東褶皺帶東緣，位于華鎣山背斜和明月峽背斜之間。軸向N25°～30°E，軸線呈舒緩波狀，樞紐波狀起伏，軸部傾角5°～12°，南東翼傾角54°～70°，北西翼傾角35°～40°。軸部出露最老地層為三疊系下統飛仙關組，翼部地層主要由三疊系下統嘉陵江組、中統雷口坡組、上統須家河組和侏羅系下統珍珠沖組、中下統自流井組、中統新田溝組和沙溪廟組等地層組成。

地層巖性主要是以泥巖及灰巖為主，龍潭組為井田內的含煤地層，本組共分5段，第一、三、五段為灰～深灰色鈣質泥巖、炭質泥巖、粉砂巖～細砂巖、淺灰～灰色伊利－蒙脫粘土巖，第一段含煤1～3層，底部為灰～淺灰色高嶺石粘土巖，含大量植物化石及腕足、瓣鰓類動物化石，顯水平層理;第二、四段為灰～深灰色中厚～厚層狀灰巖、白云質灰巖，含燧石結核，巖性堅硬，中夾灰色薄層狀泥巖，含大量動物化石碎屑。

2 前期施工狀況

ZK4－1號孔，孔深850 m，2010年2月14日開孔，3月25日終孔，在最后幾天防煤打煤時，由于采取措施不當，致使煤層未打夠;3月29日采用螺桿馬達偏心，由于封孔架橋強度不夠，螺桿馬達未能正常偏出，4月16日，再次架橋下入螺桿馬達偏心，開鉆后憋泵憋車，起拔鉆具遇阻，強行上拉鉆具，起鉆后發現螺桿馬達已經斷裂;4月21日，移孔重新鉆進取心。此次煤層打丟，不但影響了項目的施工周期，而且前后共造成單位經濟損失33萬余元。

3 煤層打丟打薄的原因分析

通過多方面分析判斷，我們認為引起上述問題的原因主要有以下幾個方面。

(1）鉆孔內上部巖層有掉塊，在揭穿煤層頂板以后，掉塊落在煤層上部，當再次下入鉆具鉆取目的層時(所采煤層屬于粉煤，煤質較軟），鉆頭會壓在掉塊上部對煤層產生磨蝕作用，從而使煤樣磨蝕融入泥漿中，形成煤花上返進入泥漿池，造成煤層打丟或是打薄。

(2）前期鉆探選用的鉆頭是雙鋸齒狀，唇面形狀過寬，而金剛石鉆頭的鉆取原理是研磨巖石取心，使得目的煤層是粉煤很難被刻取進入巖心管。

(3）就ZK4－1鉆孔來看，煤層夾矸多，當夾矸較長、夾矸硬度較大時，如果繼續鉆進，而壓力掌控不好，可能就會造成煤層無法頂著夾矸繼續進入巖心管，而造成煤層剝蝕變薄。

(4）煤心瓦斯氣體含量高，在起鉆取心的過程中，如果卡簧工作狀態不好，不能很好的抱緊巖心，就可能使得瓦斯氣釋放形成的壓力將巖心管內的煤心沖脫。

(5）鉆進參數及鉆頭選取不合理，選用泵量過大，以及鉆頭水口開口不合理，對粉煤產生了很大的沖刷作用。

4 施工工具選擇及工藝措施

上述各種因素均有可能是導致煤層打薄打丟的緣故，所以選擇合適的采煤工具、采用合理的鉆進操作方法、控制適當的性能參數對該礦區煤層的采取起著至關重要的作用。因此在煤層鉆進時要注意下列問題。

4.1 采煤工具的優選

4.1.1 采煤管的選擇

根據應用效果及操作性比較，選擇重慶煤機廠生產的 75 mm雙管單動采煤管。經實踐檢驗證明，該采煤管鉆采煤心的采取率、完整性、純潔性等均有較大的提高［1］。

圖1 采取的煤心

4.1.2 采煤管的結構及工作原理(見圖2）

圖2 采煤管的結構

鉆進時，硬質合金鉆頭和外管隨鉆桿一起回轉，當有煤心進入內管時，在摩擦力的作用下，與軸承座相連的內管及其卡簧是不回轉的。沖洗液經過外管接頭的同心孔進入采煤管，經過內外管間隙后，大部分鉆井液通過鉆頭上的斜孔瀉出，減少了對煤心的沖刷，當提鉆時，由于卡簧收縮，內管中煤心的直徑比卡簧抱緊狀態的內徑大，因而煤心被卡死不易脫落［2］。

4.1.3 采煤管的拆裝與間隙的調整

4.1.3.1 采煤管裝配

首先將調整機構安裝好，包括軸承座、可調螺桿、鎖緊螺母等。然后將半合管閉合，連接調節頭及內鉆頭(放入與鉆頭一一對應的卡簧，并且涂抹機油潤滑），在內管的卡槽處纏繞膠帶，防止在鉆進時半合管錯位。其次，將連接好的內管和調節器與外管連接，最后連接合金鉆頭。取心拆卸的過程與安裝過程相反。

4.1.3.2 采煤管的間隙調節

從外管接頭處卸下外管，并退到可調節螺桿上調節螺母。經實踐檢驗，一般情況下，鉆井液粘度在25～50 s時，內管鉆頭與硬質合金鉆頭的距離在1.5～2.0 mm較為適宜;當鉆井液粘度＞50 s時，此間距在1.5～3.0 mm時較為合適。在調節好內鉆頭間距并連接裝配好采煤管后，要用手轉動內管，如果內管在外管內能夠自由轉動，就說明采煤管已經調試到了最佳狀態，否則就要重新取出內管進行各部位的檢查［2］。

4.2 采煤管鉆頭的合理優選

4.2.1 采煤管鉆頭的選擇

鉆頭采用二階梯普通硬質合金鉆頭。該鉆頭鉆頭唇面較小，在很大程度上減少了對煤層的磨蝕，并且硬質合金鉆頭以切削的方式刻取巖心，保證了煤樣的采取成功率。其次，該鉆頭在階梯處設計斜水口，鉆井液經過內外管的間隙，流經鉆頭時從階梯處的斜水口流出，避免了鉆井液從鉆頭底部水口流出對煤樣的沖刷。

4.2.2 采煤管鉆頭硬質合金的鑲焊

鉆頭硬質合金的鑲焊，要保證選用的鉆頭與卡簧一一對應，上階梯鑲焊的硬質合金外徑要跟上部巖層的孔徑一致，下階梯鑲焊的硬質合金要保證鉆頭的內徑，并且該硬質合金鉆頭的內徑要比選定卡簧在抱緊狀態下的內徑大0.5～1 mm，這就能保證煤樣進入巖心管起拔取心時，卡簧在收縮后能夠抱緊煤心，防止煤心脫落。

4.3 鉆具連接

鉆具外管自下而上連接為:硬質合金鉆頭+采煤管+擴孔器+變徑接頭+繩索鉆桿。

鉆具內管自下而上連接為:內鉆頭(卡簧）+半合管+調節裝置+外管接頭。

4.4 鉆進參數及煤系地層操作注意事項

4.4.1 鉆進工藝參數

4.4.1.1 鉆壓

進入煤層，剛開始接觸鉆進時，宜采用低鉆壓(3～5 kN）鉆進，根據標尺桿下降的速度，要及時跟進調節鉆壓，鉆壓調節的幅度在5～16 kN，既要防止鉆壓過小使得鉆頭磨蝕煤樣，又要防止鉆壓過大造成煤心阻塞采煤管水路而引起燒鉆事故［4］。

4.4.1.2 轉速

進入煤層時，宜采用低轉速(80～120 r/min）鉆進，使鉆頭以刻取的方式將煤樣裝入半合管內。

4.4.1.3 泵量

進入煤層，宜采用50 L/min左右泵量鉆進，一是要防止鉆井液對煤心的沖刷，二是防止鉆孔上部覆蓋層被沖垮后產生掉塊對煤層產生磨蝕。

4.4.2 操作注意事項

(1）起下鉆要做到操作平穩，不猛剎、猛放、猛蹾鉆具，防止鉆具劇烈擺動。當下鉆接觸目的煤層時，鉆具提離孔底20 cm處，開動鉆機和水泵，輕壓慢轉掃孔，掃除因起下鉆抽吸作用而產生的掉塊或是將掉塊籠在半合管內，防止鉆頭“騎”在掉塊上造成煤層磨蝕。

(2）取心鉆進時，將泥漿泵調至最小泵量，前期給進壓力要均勻，并且根據標尺桿下降的速度，及時跟進鉆壓，并隨時觀察泥漿泵壓力表的變化，若泵壓升高，鉆機有輕微憋車現象，一般可能是進尺過快，鉆頭水眼堵塞，應適當調整鉆壓，若調整鉆壓不能排除，應割心起鉆。若是泵壓逐漸升高，機械鉆速基本不變，而根本無進尺，一般是卡心或是鉆遇夾矸，下部煤層無法頂著夾矸進入半合管，應立即割心起鉆。當無上述異常情況發生時，一般控制回次進尺在0.4～0.6 m較為適宜，如熟悉和了解礦區煤層性質以及鉆進壓力和泵量，回次進尺可以控制在0.8～1.2 m較為適宜。

(3）在煤層較厚的情況下，當完成割心工作后，不能馬上起鉆取心，應該關閉水泵，輕輕晃動離合器，讓鉆頭在井底干燒幾圈，使鉆頭底部的煤樣產生輕微的燒結，這樣就可以防止在起鉆過程中由于瓦斯氣體含量過高而將煤樣從半合管中沖脫，并且燒結的煤樣在整個采取樣品的比例也不是很大，不會對煤樣化驗結果產生影響。如果煤層較薄，在完成割心工作后，要輕拉鉆具距離孔底20～30 cm，然后下鉆蹾具，使煤心抱緊在采煤管內，防止煤樣脫落。

5 鉆井液的選擇

針對該礦區的地層，鉆井液體系要達到造壁性好、韌性強，形成的泥皮既可以抑制煤層氣體釋放又可以防止井壁垮塌，盡量減少井壁失穩產生掉塊對煤樣采取率的影響;同時由于該礦區煤層呈粉煤狀態，因而該鉆井液要保持較高的粘度，減少在鉆頭泄流時對煤樣的沖刷作用［3］。

鉆井液配方為:黃泥粉12%+堿4‰+鈉羧鉀基纖維素5‰+低熒光封堵降濾失防塌劑6‰+水。

6 應用效果分析

通過實踐摸索，該套采煤工具及鉆采工藝較為成熟，基本滿足了該礦區采煤取心率的要求，在后續的施工鉆進中，鉆機現場嚴格執行防煤、打煤制度，并根據各孔的巖煤層和孔內具體情況研究制訂相應的防煤、打煤技術措施，取得了非常高的煤心采取率，并提高了整個礦區的工程施工質量。

表1 礦區采煤管應用效果統計表

7 結論與認識

該采煤工藝在ZK4－1號孔應用成功以后，又保證了ZK4－3號孔的順利施工，隨后項目鉆孔全部采用該鉆采工藝，在各鉆孔的采煤過程中很大程度上減少了煤層打丟打薄事故發生率，減少了由于采煤工作失誤而導致的成本損失。

(1）經鉆孔生產試驗證明，該型號采煤管能防止沖洗液在鉆頭處對煤樣沖刷，在起鉆取心過程中釋放部分瓦斯氣體，使煤樣保持原始結構，從而避免煤質污染、燒壞。

(2）采用該采煤鉆進方法，提高了煤心采取率，最高達92%，使煤心采取率全部達到地質規范設計要求。

(3）在單動雙管的使用過程中，仍存在一定問題。煤系地層鉆進要嚴格執行防煤、打煤制度，并且在深孔鉆進中起下鉆輔助時間過多，在很大程度上影響了鉆探施工周期。

［1］郝永生.單動雙管取芯技術在松散、破碎地層的應用［J］.鐵道工程學報，2010，(6）.

［2］姚亞峰，等.ZQM－89型半合管式單動雙管取煤器的研制［J］.煤炭工程，2006，(4）.

［3］董武臣.提高巖礦心采取率的措施［J］.水力采煤與管道運輸，2009，(9）.

［4］余倫秀.淺談提高工勘中巖心采取率的幾點措施［J］.地質學報，2009，(6）.

LI Sheng，YIN Liang-xian，ZHANG Shu，SHOU Zhao-bing(No.137 Team of Sichuan Coalfield Geology Bureau，Dazhou Sichuan 635006，China）

In Kongjiashan mine field，because of uncertain coal thickness and pulverized coal mainly，and also because of inadequate technical preparing，coal seam conditions were judged inaccurately.By the analysis on the problem reason，selection of mining tool and exploring of mining technologies， 75mm double tube single swivel mining tube was introduced and a simple mining technology was determined.The application showed that the tool and the technology selected could greatly improve the coal sampling rate to avoid the inaccurate judgment of coal seam.

coal seam coring drilling; 75mm double tube single swivel mining tube;pulverized coal;thin coal seam

P634.4+3

:B

:1672－7428(2012）06－0050－04

2011－09－23;

2011－12－08

李勝(1969－），男(漢族），重慶江津人，四川省煤田地質局137地質隊鉅鋒鉆探公司副總經理、工程師、注冊安全工程師、注冊二級建造師，鉆探專業，從事鉆探項目管理工作，四川省達州市華蜀南路200號137隊鉆探公司。