礦井水文地質(zhì)勘查鉆探技術(shù)研究與應(yīng)用

王森林

（晉能控股集團(tuán)四臺(tái)礦，山西 大同 037016）

由于礦井的地域以及氣象條件各不相同，各個(gè)礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造差異較大。近年來(lái)，受開(kāi)采煤層賦存水文地質(zhì)條件以及開(kāi)采方式的影響，煤礦水害的類(lèi)型及特點(diǎn)變化較大[1-3]。影響礦井安全生產(chǎn)的主要因素是煤層頂板水害問(wèn)題。四臺(tái)礦的水文地質(zhì)類(lèi)型比較復(fù)雜，自投產(chǎn)以來(lái)，在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，由于煤層埋藏淺、大多煤層被新生代松散層所覆蓋，松散層中的孔隙水比較發(fā)育，多次造成涌水事故[4-5]。為查明四臺(tái)礦區(qū)的礦產(chǎn)儲(chǔ)量、煤層頂?shù)装逦恢谩⒚簩雍穸纫约吧喜亢畬拥乃牡刭|(zhì)條件，采用鉆探技術(shù)，通過(guò)繩索取芯、泥漿、降壓試驗(yàn)等工作手段，為礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量計(jì)算及開(kāi)采提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 地質(zhì)概況

四臺(tái)礦位于大同煤田的北部，井田范圍內(nèi)地貌以低山丘陵為主，地形平緩，黃土梁峁及“V”字形溝谷相間發(fā)育，地表大部分被第四系松散沉積物覆蓋，相對(duì)高差為206.5 m，地面標(biāo)高為+1250～+1350 m。礦區(qū)的總體走向是沿SE 傾向的單斜構(gòu)造，主要揭露有3 條正斷層，落差均大于10 m。含煤地層的煤層厚度為38.24～111.20 m/67.80 m，含煤系數(shù)為6.5%。主要開(kāi)采8 號(hào)煤層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。2103 工作面厚度為0～8.10 m/3.52 m。工作面平面布置圖如圖1。頂板由直接頂和老頂組成，平均厚度為4.0 m，巖性主要是泥巖、砂質(zhì)泥巖及中、細(xì)粒砂巖，節(jié)理、裂隙不發(fā)育，巖石強(qiáng)度屬于半堅(jiān)硬-較軟弱型；底板巖性主要是泥巖和砂質(zhì)泥巖，平均厚度為3.25 m，巖石裂隙不發(fā)育，比較完整，巖石強(qiáng)度屬于半堅(jiān)硬-較軟弱型。上覆巖層富水且存在相鄰積水空區(qū)，地表水及含水層裂隙水是造成礦井涌水的主要來(lái)源。水壓標(biāo)高為779.67～922.82 m，單位涌水量0.003 7～7.906 8 L/（s·m），滲透系數(shù)0.019～28.220 m/d，礦化度300～1098 mg/L，水質(zhì)類(lèi)型HCO3-Ca·Mg 型或HCO3·SO4-Ca·Mg 型。

圖1 工作面平面布置圖

2 繩索取芯鉆具

2.1 鉆機(jī)

為了滿(mǎn)足復(fù)雜煤層鉆進(jìn)和繩索取芯鉆進(jìn)的要求，根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)孔深以及終孔孔徑的要求，主要設(shè)備一覽表見(jiàn)表1。

表1 主要設(shè)備一覽表

2.2 鉆具組合

采用金剛石繩索取芯鉆探施工技術(shù)，鉆具選用Φ73 mm 新型繩索取芯外加厚鉆桿，鉆頭選用Φ75 mm 孕鑲金剛石鉆頭，根據(jù)地層的軟硬程度采用金剛石鉆頭，鉆頭直徑Φ77.5 mm。采用這樣的鉆具搭配，可以增大環(huán)狀間隙，提高取芯率[6]。

3 繩索取芯施工技術(shù)設(shè)計(jì)

3.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

8 號(hào)煤層一般采用二級(jí)鉆孔結(jié)構(gòu)，如果鉆孔比較復(fù)雜時(shí)，采用三級(jí)鉆孔結(jié)構(gòu)[7]。

二級(jí)鉆孔結(jié)構(gòu)方案：一開(kāi)使用孕鑲金剛石鉆頭，鉆頭Φ95 mm，下入Φ89 mm 套管；二開(kāi)使用鉆頭為Φ76 mm 的孕鑲金剛石鉆至終孔。

三級(jí)鉆孔結(jié)構(gòu)方案：由于上部堆積物破碎且直徑較大，一開(kāi)采用孕鑲金剛石鉆頭開(kāi)孔，鉆頭直徑130 mm，下入Φ127 mm 套管；二開(kāi)使用鉆頭為Φ110 mm 的孕鑲金剛石鉆頭，下入Φ108 mm 套管，預(yù)留Φ94 mm 口徑；三開(kāi)使用鉆頭為Φ76 mm 的孕鑲金剛石鉆至終孔。

3.2 鉆進(jìn)參數(shù)

（1）鉆壓。采取繩索取芯時(shí)，對(duì)煤層破碎、偏軟的地層，適當(dāng)減小鉆進(jìn)壓力，對(duì)煤層完整、堅(jiān)硬地層，適當(dāng)增大鉆進(jìn)壓力。隨著鉆進(jìn)逐漸深入，金剛石鉆頭磨損，導(dǎo)致鉆進(jìn)速度降低后再平穩(wěn)增大鉆進(jìn)壓力，正常鉆進(jìn)壓力為8～10 kN。

（2）轉(zhuǎn)速。為了減輕鉆具在回轉(zhuǎn)過(guò)程中與套管產(chǎn)生碰撞，確保管柱穩(wěn)定性，在鉆進(jìn)過(guò)程中，采用低速擋與油門(mén)調(diào)節(jié)，鉆機(jī)轉(zhuǎn)速在300～500 r/min。

（3）泵量。泵量大小要滿(mǎn)足沖洗液上返速度的要求，為及時(shí)排出煤屑、冷卻鉆頭，泵流量上流返速為0.5～1.5 m/s[8]。對(duì)煤層完整且?guī)r屑較多的地層，適當(dāng)增大泵量，對(duì)煤層破碎或鉆進(jìn)斷層泥的地層，適當(dāng)減小泵量，以降低泥漿對(duì)巖芯和孔壁的沖蝕，正常泵量為40～50 L/min。

3.3 鉆井液

由于采用繩索取芯技術(shù)，鉆具內(nèi)管路容易出現(xiàn)結(jié)垢造成堵塞。因此，在鉆探過(guò)程中，采用低固相不分散泥漿，泥漿采用600 萬(wàn)分子量聚丙烯酰胺和廣譜護(hù)壁劑為原材料，用2 kg 的廣譜護(hù)壁劑加0.05 kg 的聚丙烯酰胺配0.6 m3的淡水。首先將廣譜護(hù)壁劑和淡水在攪拌池中進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，將聚丙烯酰胺加入另一個(gè)攪拌桶中，持續(xù)攪拌半小時(shí)，最后將攪拌好的聚丙烯酰胺加入攪拌池中進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，將攪拌后的泥漿液注入泥漿池中。泥漿性能見(jiàn)表2。

表2 泥漿性能

3.4 鉆進(jìn)工藝

采用金剛石繩索取芯鉆探技術(shù)，使用新型加厚鉆桿，可有效防止在鉆探施工中環(huán)狀間隙過(guò)小或泵壓過(guò)高情況。

（1）將絞車(chē)固定在鉆機(jī)操作平臺(tái)上，讓鋼絲繩穿過(guò)鉆機(jī)上方的游動(dòng)滑輪，將繩索取芯器和打撈器連接起來(lái)；

（2）當(dāng)鉆進(jìn)至取芯段時(shí)，起鉆更換繩索取芯器鉆具，將內(nèi)管部分和打撈器試連接，確保正常后斷開(kāi)連接，將內(nèi)管放入外管內(nèi)，下鉆進(jìn)行鉆進(jìn)；

（3）待取芯結(jié)束后，將鉆桿缺口用墊叉卡住，取開(kāi)主動(dòng)鉆桿，將打撈器用絞車(chē)放入鉆桿內(nèi)部，直至與內(nèi)管處打撈矛頭相連接，提取內(nèi)管；

（4）將取出的巖芯放入巖芯箱后，將內(nèi)管（連接矛頭）放入鉆桿內(nèi)讓其自行滑至鉆頭處；

（5）重復(fù)上面操作方法，直至鉆進(jìn)完成。

開(kāi)孔時(shí)采用Φ130 mm 鉆頭，下入孔口管后，采用Φ110 mm 鉆頭，持續(xù)鉆進(jìn)到基巖內(nèi)，下入Φ108 mm 套管，再用Φ76 mm 鉆頭鉆進(jìn)至終孔。

3.5 ZK-1 和ZK-2 鉆孔設(shè)計(jì)

通過(guò)分析四臺(tái)礦8 號(hào)煤層，對(duì)ZK-1 和ZK-2 鉆孔進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別如圖2 和圖3 所示。

圖2 ZK-1 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 ZK-2 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4 應(yīng)用效果

通過(guò)在四臺(tái)礦8 號(hào)煤層工作面上的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)鉆探結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。鉆孔施工情況見(jiàn)表3。

表3 鉆孔施工情況

ZK1鉆孔孔深380.34 m，臺(tái)月效率198.74 m/月，平均采取率80.50%；ZK2 鉆孔孔深410.06 m，臺(tái)月效率420.38 m/月，平均采取率88.62%。鉆孔周期為83 d，純鉆進(jìn)時(shí)間為50 d，金剛石繩索取芯鉆進(jìn)進(jìn)尺69 m，平均鉆速在1.1 m/h，平均日進(jìn)尺約12 m，取芯率達(dá)84.56%，大大提高了鉆進(jìn)效率和取芯質(zhì)量。

5 結(jié)論

（1）四臺(tái)礦8 號(hào)煤層水文地質(zhì)條件復(fù)雜，采用勘查結(jié)合鉆探技術(shù)，通過(guò)繩索取芯、泥漿、降壓試驗(yàn)等工作手段，合理設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)，為準(zhǔn)確獲取地質(zhì)資料和高效鉆進(jìn)提供前提和保障。

（2）對(duì)金剛石繩索取芯鉆探效果進(jìn)行驗(yàn)證，繩索取芯鉆進(jìn)進(jìn)尺69 m，平均鉆速1.1 m/h，平均日進(jìn)尺約12 m，臺(tái)月效率為309.56 m/月，取芯率達(dá)84.56%，大大提高了鉆進(jìn)效率和取芯質(zhì)量。