北京大安山煤礦井下深孔鉆探實踐

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大安山鄉，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(屬遠景規劃資源儲量)。為探明下部煤層賦存條件，提高資源儲量級別，大安山煤礦與中煤科工集團西安研究院合作進行煤礦井下深孔鉆探技術研究。采用中煤科工集團西安研究院生產的ZDY1000G型全液壓動力頭式坑道鉆機、S75繩索取心鉆進工藝，進行了500 m孔深鉆探試驗。

1 地層情況

1.1 地層

大安山煤礦煤系為下侏羅統窯坡組陸相含煤建造，上覆龍門組礫巖，下伏南大嶺組玄武巖、凝灰巖、凝灰質粉砂巖、變質巖，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范圍內可采煤層8層，其中薄煤層3層，中厚煤層5層。孔口為15槽頂板粉砂巖。

2 設備選擇

2.1 鉆機

選擇ZDY1000G型全液壓動力頭式坑道鉆機(結構見圖1)。該鉆機轉速高，系煤礦和金屬礦井鉆探的多種用途的鉆孔。既可滿足地質勘探、瓦斯抽放、注水及其它硐內工程施工，也可用于地面勘探施工，適用于金剛石、硬質合金鉆進和沖擊回轉鉆進。

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

該鉆機采用分組式布置，全機分主機、泵站、操縱臺3大部分，各部分之間用液壓膠管連接，擺布靈活，解體性好，在現場拆裝和搬遷方便。主要技術參數見表1。

2.2 泥漿泵

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

2.3 附屬設備及工具

根據本工程特點，選用SJ-X型繩索取心絞車及S75-J型木馬夾持器，并采用多點測斜儀。

3 鉆具選擇

3.1 鉆頭

選用了3種規格的孕鑲金剛石鉆頭(如圖2所示)。

圖2 實驗鉆頭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，水口數量10個。

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，水口數量8個。

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，水口數量8個。

3.2 擴孔器

選用?75.5 mm普通孕鑲金剛石擴孔器。

3.3 繩索取心鉆具

配備3000 mm(長度)×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，內管?56 mm，長2000 mm，設計取心長度1900 mm。

4 鉆探工藝

4.1 鉆場設計和設備安裝

4.1.1 鉆場設計

鉆場設計要根據煤礦井下硐室設計規范和煤礦安全規程，以及鉆機和各種附屬設備的安裝尺寸，同時考慮鉆場水、電和通風需要[1]。

4.1.2 設備安裝

所有設備到達鉆場后，先進行鉆機的安裝。用地腳螺釘把鉆機底座固定在已經凝固好的水泥基座上，接上支撐桿短節，松開機身與前、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身緩緩頂起到垂直角度，用地質羅盤測量垂直角度無誤后，擰緊所有螺栓，然后安裝提升架。

將泵站、操作臺和泥漿泵放置在有利于安全操作的地方[2]，進行管路的連接。使用專用腳手架及木質材料大板，搭建2層工作臺。工作臺搭好后安設2層護欄，上、下工作臺設有人行梯子，安全帶固定在后方較高層護欄中部[3]。給油箱加滿油，電源和水源到位后，開機試運行，待所有準備工作完成后，開始正常鉆探。鉆場的平面布置如圖3所示。

圖3 鉆場布置示意Fig.3 Schematic layout of drill site

4.2 鉆進工藝及流程

4.2.1 繩索取心施工流程

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

4.2.2 鉆進技術參數

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，具體以孔底壓力計算為依據并視孔底地層情況進行調整。

0～260 m孔段采用加壓鉆進，由于+550 m以下巖層多以粉砂巖和細砂巖為主，針對地層情況，給進壓力為0～3 MPa；當孔深≥260 m后，鉆具重力超過了鉆頭所需要的壓力，應進行減壓鉆進。隨孔深的增加，逐步調整背壓，使鉆頭壓力始終處于合理范圍以內[6]。

孔底壓力的計算如下：

F鉆=4000i(P給-P起)+G頭+G桿-4416P泵

式中：F鉆——孔底壓力，N；i——傳動效率，液壓缸-鏈條傳動機構的傳動效率取0.79～0.82；P給——給進壓力表壓力，MPa；P起——起拔壓力表壓力，MPa；G頭——動力頭重力，N；G桿——鉆桿重力，95 (N/m)·L；L——鉆桿長度，m；P泵——泥漿泵壓力，MPa。

4.2.2.2 轉速

轉速的選取決定于地層、孔深、鉆孔結構及鉆具級配等多個因素[7]。由于整個鉆孔結構簡單，一徑到底，環空間隙較小，故在孔深0～300 m時使用高轉速鉆探，根據巖層的軟硬不均，轉速變化范圍為400～750 r/min。隨著孔深的增加，鉆桿質量也不斷增加，在300 m以深時，轉速也逐漸降低，轉速變化范圍為240～400 r/min。

4.2.2.3 泵量和泵壓

繩索取心鉆進泵量的確定，應以確保有效清除、攜帶巖粉和冷卻鉆頭為準[8]。根據規程，S75鉆進泵量范圍為40～60 L/min。此次試驗，開孔及孔深≤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、擴孔器要排隊輪換使用，先用外徑大的后用外徑小的[9]。

(2)鉆頭與擴孔器必須合理級配，擴孔器外徑應比鉆頭外徑大0.3～0.5 mm。

4.3 沖洗液及護壁堵漏

為防止對地下水的影響，鉆探施工中，采用清水作為鉆井液。當鉆遇松散、破碎的煤層時出現孔壁坍塌，頻繁憋泵，采用灌注水泥漿進行加固[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，并沖洗所有鉆桿內壁，防止鉆桿內孔水泥漿凝固結垢。隨孔深的不同，候凝36～72 h，然后下鉆掃孔后進行鉆進。試驗孔共注漿6次，效果都比較理想。

5 施工效果

5.1 鉆孔質量

經驗收，鉆孔質量達到優良。

(1)巖心采取率。是反映鉆探質量的指標，和地層巖性破碎程度、鉆探技術和質量控制有關[12]。破碎巖層降低鉆速和給進壓力，可減少對破碎巖層的擾動[13]。降低取心回次長度可減少巖心管內巖心磨損[14]。通過統計，本孔平均巖心采取率達99.2%。

(2)孔斜。在鉆進過程中控制好壓力、轉速，下套管后重新鉆進、擴孔，大徑換小徑時加導正器以防止鉆孔偏斜。鉆孔施工過程中及終孔后，經測量鉆孔彎曲情況如表2所示。開孔換徑后在孔深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，一是鉆機安裝時采用羅盤進行鉆機垂直度校核時，誤差較大；二是換徑時未帶導向，使S75鉆具偏向135°方向。

表2 鉆孔測斜數據Table 2 Borehole inclination date

(3)孔深誤差測量與校正。終孔后，對孔深進行校正，孔深誤差率<1‰，故不需修改報表，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行封孔。

(5)原始資料。鉆探施工中，及時記錄和整理了有關資料，工作結束后，對有關原始資料及時進行了整理歸檔。

5.2 經濟技術指標

(1)經統計，鉆探施工歷時63 d，采用繩索取心鉆進工藝，正常鉆探92個臺班，純鉆時間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。

(3)平均時效1.26 m，鉆月效率240.56 m，臺月效率494.19 m。

5.3 鉆頭使用效果

試驗孔共使用了3種金剛石取心鉆頭，圖4為使用過的3種鉆頭。施工中，當注漿或鉆進時效明顯降低的情況下提大鉆更換鉆頭[15]，故每個鉆頭只使用了一個回次。從鉆頭使用效果可以看出，時效降低主要是金剛石出刃不好，而工作層尚未完全消耗。如果進行修復，仍可繼續使用。

經統計，單個金剛石鉆頭進尺及時效如表3所示。

從表3分析得出，3種鉆頭在胎體硬度、金剛石粒度、水口數量這幾個參數上有所差別，針對大安山煤礦井下巖層以細砂巖和粉砂巖為主，A型鉆頭相比其它兩種鉆頭進尺多，時效快，壽命也長，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

序號鉆頭型號純鉆時間/h進尺/m時效/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細砂巖、粉砂巖、煤9A452.4057.901.102.05煤合計401.70505.171.263.60

6 結論與建議

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

2012-2014年共計鉆探8237 m，增加資源儲量1877.7萬t，年進尺由3000 m提高到4500 m，對深部煤層補充勘探，部署開拓工程提供了可靠的地質資料，減少了成本，提高了效率；鉆探效率有了大幅提高，平均時效1.26 m，最高達3.6 m。臺月效率在500 m左右。經統計，巖心采取率達到了95%以上。

(2)針對以粉、粗砂巖和煤層為主的地層，應選用合適的孕鑲金剛石鉆頭。

實驗及后續施工中，熱壓孕鑲金剛石鉆頭相比其它兩種鉆頭壽命長，時效快，較適合大安山煤礦的地層，其胎體硬度應控制在HRC30～35。

(3)ZDY1000G型鉆機在硐內(井下)勘探中有較大的應用潛力。

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

(4)應加強硐內(井下)施工管理。

硐內(井下)施工，涉及施工用水、電和相關機具材料的運輸搬遷及通風等安全生產因素較多，是一個較復雜的系統工程。必須加強整體協調和綜合管理，對于首次參與施工的人員，必須進行全面的安全教育培訓，合格后方可進行施工。