摘要:該文主要論述了繩鉆技術在復雜地層煤田勘探礦區中研究應用情況及取得的效果,即從鉆孔結構沖洗液技術、護壁堵漏技術、鉆具配套及硬巖鉆進等方面進行了有效的探索和應用,對類似礦區施工具有較強的實踐性和指導意義。

主題詞:繩索取芯鉆探技術;施工措施;含煤礦區復雜地層

“科學技術是第一生產力”。這是*理論對馬克思主義科技理論的重要貢獻,在這一理論的指導下,我國的科學技術水平出現蓬勃發展的局面。作為煤田地質勘探專業隊伍的福建省121煤田地質勘探隊,從上個世紀八十年代中期為加快勘探步伐,縮短勘探周期,依靠科技進步,積極推廣應用繩索取芯金剛石鉆進技術(以下簡稱繩鉆技術);經過二十多年的努力和探索,使繩鉆技術不斷完善,鉆進效率和勘探質量明顯提高。二十二年來累計完成鉆探進尺48.4萬米,在閩、云、貴、川等省份探明煤炭儲量50余億噸,為當地的經濟建設做出突出貢獻。通過多年對該技術的研究和應用,使福建省121隊的鉆探技術競爭力不斷提高,繩鉆技術應用水平達到國內領先。

1含煤田地層的基本特點

煤田勘探施工的主要區域分布在福建、云南、貴州、四川等省份。福建煤田地質主要勘探對象見三疊紀童子巖組,童子巖組之上由翠屏山組所覆蓋,為非煤系地層,主要巖層見泥巖、粉沙巖、細粉砂巖和中粒沙巖。云、貴、川主要含煤地層為二疊系上統龍潭組,主要巖性以粉砂巖、細砂巖、泥質砂巖、粉質泥巖為主,而覆蓋其上部的三疊系個舊、永寧鎮組以灰巖為主。

福建省121隊煤田勘探礦區按鉆探施工技術要求,有如下幾個特點:

(1)鉆孔漏失嚴重為主要特點。特別是永寧鎮組、個舊組中的石灰巖溶洞發育,溶洞最大達20米。童子巖組的風化帶和斷層破碎帶也是主要漏失區,屬裂隙裂縫性,有時也出現小溶洞,并有地下水活動。另外,由于繩鉆工藝環空間隙小,泵壓損失大,常使地層失去平衡以致誘發漏失。

(2)孔壁坍塌也是繩鉆工藝施工中常見現象,坍塌常出現在斷層破碎帶中。另外,在厚煤層中(特別見粉煤層)鉆進,由于鉆孔護壁不穩定,上下鉆具操作不當也易引起煤層坍塌,這種現象在各勘探區都經常遇到。

(3)硬巖“打滑”地層,在翠屏山底部約40m,屬硅質膠結的石英砂巖。同時,含有少量的隧石,巖石硬度在*級以上。采用一般金剛石鉆頭鉆進其效果差,鉆效低,新鉆頭投入使用后很快被磨鈍而打滑不進尺。

(4)煤系中煤層多,一般鉆孔都可見煤層十幾層,煤層有塊煤、粉煤兩種。粉煤取芯難度大,若操作不當往往造成采取率達不到要求致使鉆孔質量降級。

(5)巖層傾角變化大,軟硬互層頻繁,屬易斜地層。

(6)龍潭組中部分泥巖遇水膨脹,鉆進中發生縮徑現象,對泥漿性能要求高。

總之,煤田地質工作條件的特點綜合反映了南方各省普遍出現的“硬、脆、碎、漏、塌、斜、脹”的復雜面貌,直接影響鉆探效率和鉆孔質量的提高。

2繩鉆施工技術的研究和應用

2.1對鉆孔結構的設計和選擇

鉆孔結構設計和選擇正確與否,直接影響鉆探效率的提高和施工成本的降低,該項工作對鉆孔的順利施工影響極大。因此,根據客觀條件選擇合理的鉆孔結構是保證繩索取芯鉆進正常進行的重要條件,可以減少重復擴孔和起下技術套管的程序和時間,從而提高鉆進效率。

(1)對構造簡單、開孔為煤系地層且鉆孔較淺、巖石較完整的礦區,一般選用2-3級鉆孔結構,下1-2層技術套管。如一開φ110、二開φ95、三開φ77為常用的鉆孔結構。

(2)對上部較復雜、無煤系開孔的鉆孔、或存在灰巖溶洞的礦區,一般選用4-5級鉆孔結構,利用技術套管將上部復雜地層隔離后,再使用s75鉆具完成煤系地層的施工;即一開φ130或更大、二開φ110、三開φ95、四開φ77終孔,為常用的鉆孔結構。(見表1)

表1云南老廠礦區鉆孔實際成孔結構一覽表

序號孔號終孔深度(m)套管備注φ146φ127φ108φ8914225-21026.6918.6119.77196.58536.4624213-1887.1821.7429.67144.0434307-1806.1819.06562.00589.4144109-2754.1818.9818.21108.9854229-1785.784.024.40103.7864229-2874.5048.00202.8074221-21030.3080.7694.53282.2284221-1827.428.8792.7294225-3831.4213.2421.6942.05104213-2891.239.3036.7475.86141.94114109-1783.9510.3380.14350.36

由此可見,選擇合理的鉆孔結構,充分發揮技術套管對上部復雜地層的隔離作用,見順利完成鉆孔施工重要保障。

2.2沖洗液的研究和應用

沖洗液是鉆探的血液,是保證繩鉆技術能否順利應用的關鍵技術。針對煤田地質情況,研制出既符合繩鉆開高轉要求的“三低一好”(低粘度、低切力、低密度、潤滑性好),又能滿足不同地層護壁要求的各類沖洗液,經過多年的研究和探索,已形成系列:

(1)無固相沖洗液。與清水相比,具有較好的攜帶和懸浮巖屑的能力,且能在井壁上形成薄的吸附膜,具有一定的護壁能力,有較好的潤滑和減阻作用。由于現場配制簡單、成本低、鉆進時效高等特點,深受一線職工歡迎。該類型的沖洗液主要應用于無煤系地層或條件較好的煤系地層。

常用的無固相沖洗液有:聚丙烯酰胺(php)無固相沖洗液、田菁膠(tg-1)型無固相沖洗液、my型無固相沖洗液等。無固相沖洗液適當加入鉀離子(k+)可提高其護壁能力。

(2)低固相沖洗液。以優質鈉膨潤土為基本造漿材料,以添加一定量的泥漿處理劑調整沖洗液性能達到即能滿足繩鉆開高轉數的需要,又能達到護壁的目的。如以(3-5)%人工鈉土配成基漿,添加硝基鐵鉀、磺化瀝青(dlsas)、廣譜護壁劑(pgs)、潤滑劑等制成的優質低固相沖洗液,適應于破碎帶、泥巖、煤層等遇水膨脹、坍塌水敏性地層。

(3)實例應用

福建省121隊2000年106鉆機在四川攀枝花礦區施工2個孔,累計見可采煤層46層,煤層厚度達65.46m,由于沖洗液類型選擇合理,性能穩定,沒有出現坍塌現象,保證鉆孔的順利施工,使繩鉆的優越性得到充分發揮,取得較好的經濟技術效果。(見表2、表3)

表2沖洗液類型的選擇及性能

地層沖洗液類型密度(g/cm3)粘度(s)ph值失水量(mm)濾餅厚(mm)塑粘(mm)摩擦系數非煤系php-f無固相1-1.0115-168---0.1-0.13煤系pgs-dlsas-f低固相1.02-1.0518-228-1016-200.510-110.12-0.16

表3鉆探施工主要經濟技術指標

孔號終孔深度(m)鉆月數(個)鉆效(m)時效(m/h)純鉆率(%)孔故率(%)煤層厚度(m)優質層合格層鉆孔質量9031870.681.07813.723.115.02040.44157特9023942.741.40673.393.2444.3025.02186特小計1813.422.47734.173.1846.2065.463313

從以上可以看出,在沖洗液類型選擇方面,一般情況下無煤系地層選用無固相沖洗液,即可以降低生產成本,又可提高鉆進時效;在煤系地層,選用低固相沖洗液可實現安全順利施工。

2.3適當增大鉆頭外徑

適當增大鉆頭外徑,對鉆探施工是非常有利的。根據龍永煤田的實際情況,先后兩次增加鉆頭外徑,由φ75到φ76到φ77(擴孔器外徑隨之加大),直徑加大后一是有利于排除巖屑,減少沖刷,有利于孔壁穩定;二是可保證經過改扣的φ89套管能夠繼續作為技術套管;三是增徑后有利于減少沖洗液的漏失;四是有利于減輕泥漿泵的負荷。見表4。

表4增徑后泵壓變化情況表

鉆頭外徑(mm)泵量(l/min)沖洗液類型孔深(m)工作泵壓(mpa)7557低固相500-6003.0-4.07657低固相500-6002.5-3.57757低固相500-6001.0-1.57792低固相500-6001.5-2.0

2.4護壁、堵漏技術的研究和應用

(1)充分發揮技術套管的隔離作用,將上部復雜地層隔離,為下部施工創造條件。如云南老廠礦區上部被永寧鎮組、個舊組灰巖所覆蓋,該礦區“十山九空,孔孔有硐”,用技術套管將上部灰巖隔離是解決涌、漏水最有效的措施(見表1),該措施適應于灰巖溶洞、采空區、鉆孔超徑、縮徑、涌水量大嚴重坍塌的鉆孔。

(2)對于滲透性漏失的地層(漏失量小3.5m/h)采用綜合惰性材料灌孔壓堵可取得較好的效果。該辦法的堵漏原理是:選用一定粒度的惰性材料與“801”堵漏劑、濃泥漿按一定比例配成堵漏漿液。待內管總成打撈起來后,將堵漏漿液倒入繩鉆桿內,對上立軸,用水泵將堵漏漿液一部分壓到漏失通道,一部分順環空間隙返到孔口,以達到堵漏的目的,該堵漏措施在龍永煤田效果明顯。應用情況如下:

①龍永煤田東中礦區6-7號孔在孔深258.50-269.57m孔段為裂隙漏失,漏失量2.1m3/h,水位為48m,經采用“801”堵漏劑3kg+鋸末5kg+稠泥漿配成堵漏漿液,從繩鉆桿內灌入,在開泵壓送后,漏失量減少到0.9m3/h。

②東中礦區6-8號孔在孔深172.10-174.46m段為裂隙漏層,漏失量達3.1m3/h,采用“801”堵漏劑3kg+綜合惰性材料5kg+濃泥漿配成堵漏漿液,從繩鉆桿內灌入,漏失量減少到0.4m3/h。

③培豐礦區8-2號孔在孔深575.50-587.40m漏失不返水,水位216m,采用dtr堵漏劑100kg+花生殼25kg+泥漿0.5m3配制堵漏漿液,泵入后靜壓4:30h,掃孔后返水正常。

④富嶺礦區5-1號孔孔深128.50m處出現漏水,漏失量達2.5m3/h采用高吸水樹脂(pan-km)堵漏劑5kg+濃泥漿配成堵漏漿液,從繩鉆桿內灌入用泵壓堵,先后灌壓3次,漏失量分別減少到0.9m3/h、0.3m3/h和0.01m3/h,達到預期目的。

可以看出,采用綜合惰性堵漏劑材料進行灌孔堵漏效果明顯,由于該方法材料來源廣、成本低、操作簡單,是施工現場最常用的辦法之一。

(3)其他堵漏護孔方法

當遇裂隙較發育、地下水活動歷害、灌孔堵漏效果不明顯時,也可采用水泥封孔護壁堵漏、改性瀝青球堵漏、粘彈性材料堵漏、化學漿液堵漏等方法,也取得一定的效果。

2.5完善繩鉆鉆具配套技術

多年的實踐證明:在客觀條件復雜的情況下,單一的繩索取芯鉆具無法滿足多級鉆孔結構施工的需要,為提高鉆進效率,減少輔助時間,機臺應用s95、s75雙套鉆具比應用單一的s75鉆具施工效果要好得多。使用方法是:采用s95鉆具鉆穿復雜地層下入φ89套管后,換用s75鉆具完成終孔,如東中礦區雙套鉆具配套使用前后情況對比,見表5:

表5東中礦區增配s95鉆具前后經濟技術指標對比

鉆具鉆孔數工程量(m)平均孔深(m)時效(m/h)純鉆率(%)孔故率(%)提鉆間(m)報廢工程量(m)鉆效(m)s75116448.40537.360.7827.129.83.98851.26140.13s95/s75126199.40563.581.3833.812.68.0454.28339.02

2.6硬巖石的治理措施

(1)應用繩索取芯液動沖擊回轉鉆進技術是對付巖石的有效手段。福建省121隊先后應用mtz77s型、s75c型、s95c型液動沖擊回轉鉆具在“打滑”硬巖鉆進與普通繩鉆相比,時效提高77%-162%。福建地質八隊在紫金山礦區采用普通沖擊回轉鉆進技術,工程量達到29134m,比回轉鉆進小時效率提高40%,臺月效提高127%。

(2)選用弱包鑲防“打滑”金剛石鉆頭鉆進,其基本原理是金剛石鉆頭胎體磨損比普通鉆頭快,不容易使鉆頭胎體拋光打滑,使工作中的金剛石顆粒處于克取狀態。該鉆頭與普通金剛石鉆頭比時效成倍提高,雖然鉆頭壽命短(10-15)m/個,但從整體效益評價是可行的。

(3)投砂鉆進法。將內管打撈后向孔內投入適量堅硬的碎石子,將“打滑”后的孕鑲鉆頭胎體進行磨損,露出金剛石顆粒進行鉆進,達到提高時效的目的;但采用該方法其鉆進參數與正常鉆進有所不同,鉆頭壓力提高約20%,轉數降低100-200rpm,才能達到比較好的效果,該方法也是較常用的。

3取得的成效

福建煤田地質局在推廣應用繩鉆技術的二十多年來,依靠科技進步,開展技術創新,對該技術的應用進行了積極的探索和研究,先后完成7項ⅱ類科研項目,13項ⅲ類科技成果,近30項小改小革。其中《繩索取芯金剛石鉆進技術在煤田勘探中的推廣與應用》獲中國煤炭工業協會科技進步三等獎,《福建煤田鉆孔護壁與堵漏的研究》獲探查三次煤田勘探科技進步一等獎,《鉆探設備典型檢修工藝研究》、《雙面施焊內外一次成型等離子焊》填補了國內技術空白。科技成果的應用大大提高了繩鉆技術應用水平,各項經濟技術指標達到國內領先水平,見表6。

表6、福建煤田地質繩鉆主要經濟技術指標表

年份開動鉆機進尺(萬米)鉆月數(個)鉆月效率(m/月)時效(m/h)巖芯采取率(%)特甲級孔率(%)七.五7-1510.334422331.078687八.五3-1510.242424221.679191.3九.五2-46.00996042.049495十.五4-1013.282156173.-208.581346413.149496

1、鉆探質量大幅提高,特甲級孔率從老工法的65-70%提高95%以上,一次成孔率、巖礦芯采取率大大提高。

2、鉆探效率大大提高,使用老工法鉆月效率180m/月推廣應用繩鉆“七.五”期間233m/月、“八.五”期間422m/月、“九.五”期間604m/月、“十.五”期間仍保持600m/月以上。小時效率由老工法的0.65m/h提高到應用繩鉆技術“七.五”期間1.07m/h、“八.五”期間1.67m/h、“九.五”期間達3.01m/h、2006年達3.14m/h。

3、處理復雜情況的能力大大增強,孔內事故大幅度下降,職工的勞動強度降低,改善了生產條件,實現了文明生產。

4、經濟效益和社會效益顯著。鉆探直接成本下降20-30%,縮短了勘探周期,地質報告的精度和研究程度提高。

4結論

筆者認為,金剛石繩索取芯鉆進技術本身是一門科學,在推廣應用過程中必須以嚴謹的科學態度處理其中的一切,只有這樣才能鞏固和發展。繩鉆技術同時又是一個復雜的系統工程,任何一種單一的技術手段都不同程度地存在局限性,對復雜情況的處理只有采取綜合技術措施,才是科學的、合理的。

參考文獻:

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篇2:超前鉆探探放水施工技術規范

一、技術要求

1、鉆孔布置技術要求

(1)在進行正常超前探測時,采用洛陽風動工具廠生產的KHYD40dIA型巖石鉆機,開孔直徑42mm,在巷道窩頭處,總共布置4個鉆孔,第一個孔,在巷道鉛直中心線距底板1m,垂直角度為與實際的煤層底板平行,鉆孔方位角與巷道方位角一致(如圖);第二個孔與第三個孔分別在距底板1.5m,距中心垂線左右各1m,垂直角度為與實際的煤層底板平行,鉆孔方位角與巷道方位角成20-25°夾角(如圖);第四個鉆孔,在第一個鉆孔正上方1.5m,鉆孔參數與第一個鉆孔一致(如圖)。

(2)在探放老空水或其它情況打鉆時,根據井下采掘情況需改變打鉆位置及參數時,由地測科根據井下采掘情況進行分析,確定打鉆位置及參數。

2、鉆機安裝規范

(1)在地面將鉆機、鉆桿、開關以及配件仔細檢查,確認完好合格,調試運行正常,方可運行。

(2)固定鉆機時,要確保鉆機固定牢固,并嚴格按照地測科要求的參數施鉆,以確保鉆孔的質量。

二、安全技術規范:

1、下山掘進時,打鉆前,窩頭要鋪設排水管路和排水泵,以保證打鉆時,窩頭積水及時抽排。

2、打鉆人員進入作業現場,必須先敲幫問頂,仔細檢查作業范圍內的幫頂安全狀況,發現不安全因素,必須先進行處理,確認安全后,方可繼續打鉆作業,固定鉆機時,必須將鉆機固定在安全可靠的地方,同時將鉆機固定牢固平穩,確保打鉆安全及參數的準確性。

3、作業現場鉆機支架的正上方,距頂板300mm內懸掛一臺便攜式瓦斯檢查儀,瓦斯濃度超過1%時,停止作業,并采取措施,降低瓦斯濃度,當瓦斯濃度在1%以下時方可恢復打鉆作業;瓦斯濃度超過1.5%時,要停電撤人。并向通風值班人員及調度室匯報有關情況,按指示執行。

4、作業前,要提前清理好現場,安排作業人員對作業地點附近進行灑水滅塵,煤幫、頂、底沖洗后,方可進行打鉆作業,施工鉆孔時的回水必須及時排干。

5、隊組在打鉆時,打鉆人員要嚴格按照打鉆措施要求執行。

6、鉆探人員打鉆發現有異常,要及時匯報地測科。

7、地測科超前物探組技術人員根據三維勘探資料和已知的水文地質資料提前對掘進巷道的水文地質資料進行分析,對存在突水因素的區域要先通過物探手段對其控制,確實存在突水危險時要制定專門防水措施,安排專業隊組進行打鉆放水工作,防止突水事故發生。

三、檢查

1、地測科要不定期對探放水隊組打鉆情況進行檢查,檢查隊組現場打鉆情況和打鉆記錄。對掘進隊組所報進尺進行核查,防止隊組虛報進尺。

2、探放水隊打鉆過完成后,必須通知安全員、瓦檢員,安全員、瓦檢員要認真統計核對打鉆米數,并檢查牌板填寫情況,確定后在管理牌板和打鉆記錄上簽字認可。