摘要:該文主要論述了繩鉆技術(shù)在復(fù)雜地層煤田勘探礦區(qū)中研究應(yīng)用情況及取得的效果,即從鉆孔結(jié)構(gòu)沖洗液技術(shù)、護(hù)壁堵漏技術(shù)、鉆具配套及硬巖鉆進(jìn)等方面進(jìn)行了有效的探索和應(yīng)用,對類似礦區(qū)施工具有較強(qiáng)的實踐性和指導(dǎo)意義。

主題詞:繩索取芯鉆探技術(shù);施工措施;含煤礦區(qū)復(fù)雜地層

“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”。這是*理論對馬克思主義科技理論的重要貢獻(xiàn),在這一理論的指導(dǎo)下,我國的科學(xué)技術(shù)水平出現(xiàn)蓬勃發(fā)展的局面。作為煤田地質(zhì)勘探專業(yè)隊伍的福建省121煤田地質(zhì)勘探隊,從上個世紀(jì)八十年代中期為加快勘探步伐,縮短勘探周期,依靠科技進(jìn)步,積極推廣應(yīng)用繩索取芯金剛石鉆進(jìn)技術(shù)(以下簡稱繩鉆技術(shù));經(jīng)過二十多年的努力和探索,使繩鉆技術(shù)不斷完善,鉆進(jìn)效率和勘探質(zhì)量明顯提高。二十二年來累計完成鉆探進(jìn)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(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)建設(shè)做出突出貢獻(xiàn)。通過多年對該技術(shù)的研究和應(yīng)用,使福建省121隊的鉆探技術(shù)競爭力不斷提高,繩鉆技術(shù)應(yīng)用水平達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先。

1含煤田地層的基本特點

煤田勘探施工的主要區(qū)域分布在福建、云南、貴州、四川等省份。福建煤田地質(zhì)主要勘探對象見三疊紀(jì)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(xì)粉砂巖和中粒沙巖。云、貴、川主要含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M,主要巖性以粉砂巖、細(xì)砂巖、泥質(zhì)砂巖、粉質(zhì)泥巖為主,而覆蓋其上部的三疊系個舊、永寧鎮(zhèn)組以灰?guī)r為主。

福建省121隊煤田勘探礦區(qū)按鉆探施工技術(shù)要求,有如下幾個特點:

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

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

(3)硬巖“打滑”地層,在翠屏山底部約40m,屬硅質(zhì)膠結(jié)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(jìn)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(jìn)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(dāng)往往造成采取率達(dá)不到要求致使鉆孔質(zhì)量降級。

(5)巖層傾角變化大,軟硬互層頻繁,屬易斜地層。

(6)龍?zhí)督M中部分泥巖遇水膨脹,鉆進(jìn)中發(fā)生縮徑現(xiàn)象,對泥漿性能要求高。

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

2繩鉆施工技術(shù)的研究和應(yīng)用

2.1對鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計和選擇

鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)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(jù)客觀條件選擇合理的鉆孔結(jié)構(gòu)是保證繩索取芯鉆進(jìn)正常進(jìn)行的重要條件,可以減少重復(fù)擴(kuò)孔和起下技術(shù)套管的程序和時間,從而提高鉆進(jìn)效率。

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

(2)對上部較復(fù)雜、無煤系開孔的鉆孔、或存在灰?guī)r溶洞的礦區(qū),一般選用4-5級鉆孔結(jié)構(gòu),利用技術(shù)套管將上部復(fù)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(jié)構(gòu)。(見表1)

表1云南老廠礦區(qū)鉆孔實際成孔結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),充分發(fā)揮技術(shù)套管對上部復(fù)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(yīng)用

沖洗液是鉆探的血液,是保證繩鉆技術(shù)能否順利應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。針對煤田地質(zhì)情況,研制出既符合繩鉆開高轉(zhuǎn)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(hù)壁要求的各類沖洗液,經(jīng)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(hù)壁能力,有較好的潤滑和減阻作用。由于現(xiàn)場配制簡單、成本低、鉆進(jìn)時效高等特點,深受一線職工歡迎。該類型的沖洗液主要應(yīng)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(dāng)加入鉀離子(k+)可提高其護(hù)壁能力。

(2)低固相沖洗液。以優(yōu)質(zhì)鈉膨潤土為基本造漿材料,以添加一定量的泥漿處理劑調(diào)整沖洗液性能達(dá)到即能滿足繩鉆開高轉(zhuǎn)數(shù)的需要,又能達(dá)到護(hù)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(hù)壁劑(pgs)、潤滑劑等制成的優(yōu)質(zhì)低固相沖洗液,適應(yīng)于破碎帶、泥巖、煤層等遇水膨脹、坍塌水敏性地層。

(3)實例應(yīng)用

福建省121隊2000年106鉆機(jī)在四川攀枝花礦區(qū)施工2個孔,累計見可采煤層46層,煤層厚度達(dá)65.46m,由于沖洗液類型選擇合理,性能穩(wěn)定,沒有出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象,保證鉆孔的順利施工,使繩鉆的優(yōu)越性得到充分發(fā)揮,取得較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)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(shù)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(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

孔號終孔深度(m)鉆月數(shù)(個)鉆效(m)時效(m/h)純鉆率(%)孔故率(%)煤層厚度(m)優(yōu)質(zhì)層合格層鉆孔質(zhì)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(chǎn)成本,又可提高鉆進(jìn)時效;在煤系地層,選用低固相沖洗液可實現(xiàn)安全順利施工。

2.3適當(dāng)增大鉆頭外徑

適當(dāng)增大鉆頭外徑,對鉆探施工是非常有利的。根據(jù)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(kuò)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(wěn)定;二是可保證經(jīng)過改扣的φ89套管能夠繼續(xù)作為技術(shù)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(fù)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(hù)壁、堵漏技術(shù)的研究和應(yīng)用

(1)充分發(fā)揮技術(shù)套管的隔離作用,將上部復(fù)雜地層隔離,為下部施工創(chuàng)造條件。如云南老廠礦區(qū)上部被永寧鎮(zhèn)組、個舊組灰?guī)r所覆蓋,該礦區(qū)“十山九空,孔孔有硐”,用技術(shù)套管將上部灰?guī)r隔離是解決涌、漏水最有效的措施(見表1),該措施適應(yīng)于灰?guī)r溶洞、采空區(qū)、鉆孔超徑、縮徑、涌水量大嚴(yán)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(nèi)管總成打撈起來后,將堵漏漿液倒入繩鉆桿內(nèi),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(huán)空間隙返到孔口,以達(dá)到堵漏的目的,該堵漏措施在龍永煤田效果明顯。應(yīng)用情況如下:

①龍永煤田東中礦區(qū)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(jīng)采用“801”堵漏劑3kg+鋸末5kg+稠泥漿配成堵漏漿液,從繩鉆桿內(nèi)灌入,在開泵壓送后,漏失量減少到0.9m3/h。

②東中礦區(qū)6-8號孔在孔深172.10-174.46m段為裂隙漏層,漏失量達(dá)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(nèi)灌入,漏失量減少到0.4m3/h。

③培豐礦區(qū)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(qū)5-1號孔孔深128.50m處出現(xiàn)漏水,漏失量達(dá)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(nèi)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(dá)到預(yù)期目的。

可以看出,采用綜合惰性堵漏劑材料進(jìn)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(xiàn)場最常用的辦法之一。

(3)其他堵漏護(hù)孔方法

當(dāng)遇裂隙較發(fā)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(hù)壁堵漏、改性瀝青球堵漏、粘彈性材料堵漏、化學(xué)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(shù)

多年的實踐證明:在客觀條件復(fù)雜的情況下,單一的繩索取芯鉆具無法滿足多級鉆孔結(jié)構(gòu)施工的需要,為提高鉆進(jìn)效率,減少輔助時間,機(jī)臺應(yīng)用s95、s75雙套鉆具比應(yīng)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(fù)雜地層下入φ89套管后,換用s75鉆具完成終孔,如東中礦區(qū)雙套鉆具配套使用前后情況對比,見表5:

表5東中礦區(qū)增配s95鉆具前后經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對比

鉆具鉆孔數(shù)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(yīng)用繩索取芯液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)是對付巖石的有效手段。福建省121隊先后應(yīng)用mtz77s型、s75c型、s95c型液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆具在“打滑”硬巖鉆進(jìn)與普通繩鉆相比,時效提高77%-162%。福建地質(zhì)八隊在紫金山礦區(qū)采用普通沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù),工程量達(dá)到29134m,比回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)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(jìn),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(tài)。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(jìn)法。將內(nèi)管打撈后向孔內(nèi)投入適量堅硬的碎石子,將“打滑”后的孕鑲鉆頭胎體進(jìn)行磨損,露出金剛石顆粒進(jìn)行鉆進(jìn),達(dá)到提高時效的目的;但采用該方法其鉆進(jìn)參數(shù)與正常鉆進(jìn)有所不同,鉆頭壓力提高約20%,轉(zhuǎn)數(shù)降低100-200rpm,才能達(dá)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(zhì)局在推廣應(yīng)用繩鉆技術(shù)的二十多年來,依靠科技進(jìn)步,開展技術(shù)創(chuàng)新,對該技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)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(jìn)技術(shù)在煤田勘探中的推廣與應(yīng)用》獲中國煤炭工業(yè)協(xié)會科技進(jìn)步三等獎,《福建煤田鉆孔護(hù)壁與堵漏的研究》獲探查三次煤田勘探科技進(jìn)步一等獎,《鉆探設(shè)備典型檢修工藝研究》、《雙面施焊內(nèi)外一次成型等離子焊》填補(bǔ)了國內(nèi)技術(shù)空白。科技成果的應(yīng)用大大提高了繩鉆技術(shù)應(yīng)用水平,各項經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平,見表6。

表6、福建煤田地質(zhì)繩鉆主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)表

年份開動鉆機(jī)進(jìn)尺(萬米)鉆月數(shù)(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(zhì)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(yīng)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(yīng)用繩鉆技術(shù)“七.五”期間1.07m/h、“八.五”期間1.67m/h、“九.五”期間達(dá)3.01m/h、2006年達(dá)3.14m/h。

3、處理復(fù)雜情況的能力大大增強(qiáng),孔內(nèi)事故大幅度下降,職工的勞動強(qiáng)度降低,改善了生產(chǎn)條件,實現(xiàn)了文明生產(chǎn)。

4、經(jīng)濟(jì)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(zhì)報告的精度和研究程度提高。

4結(jié)論

筆者認(rèn)為,金剛石繩索取芯鉆進(jìn)技術(shù)本身是一門科學(xué),在推廣應(yīng)用過程中必須以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度處理其中的一切,只有這樣才能鞏固和發(fā)展。繩鉆技術(shù)同時又是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程,任何一種單一的技術(shù)手段都不同程度地存在局限性,對復(fù)雜情況的處理只有采取綜合技術(shù)措施,才是科學(xué)的、合理的。

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篇2:超前鉆探探放水施工技術(shù)規(guī)范

一、技術(shù)要求

1、鉆孔布置技術(shù)要求

(1)在進(jìn)行正常超前探測時,采用洛陽風(fēng)動工具廠生產(chǎn)的KHYD40dIA型巖石鉆機(jī),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(shù)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(jù)井下采掘情況需改變打鉆位置及參數(shù)時,由地測科根據(jù)井下采掘情況進(jìn)行分析,確定打鉆位置及參數(shù)。

2、鉆機(jī)安裝規(guī)范

(1)在地面將鉆機(jī)、鉆桿、開關(guān)以及配件仔細(xì)檢查,確認(rèn)完好合格,調(diào)試運行正常,方可運行。

(2)固定鉆機(jī)時,要確保鉆機(jī)固定牢固,并嚴(yán)格按照地測科要求的參數(shù)施鉆,以確保鉆孔的質(zhì)量。

二、安全技術(shù)規(guī)范:

1、下山掘進(jìn)時,打鉆前,窩頭要鋪設(shè)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(jìn)入作業(yè)現(xiàn)場,必須先敲幫問頂,仔細(xì)檢查作業(yè)范圍內(nèi)的幫頂安全狀況,發(fā)現(xiàn)不安全因素,必須先進(jìn)行處理,確認(rèn)安全后,方可繼續(xù)打鉆作業(yè),固定鉆機(jī)時,必須將鉆機(jī)固定在安全可靠的地方,同時將鉆機(jī)固定牢固平穩(wěn),確保打鉆安全及參數(shù)的準(zhǔn)確性。

3、作業(yè)現(xiàn)場鉆機(jī)支架的正上方,距頂板300mm內(nèi)懸掛一臺便攜式瓦斯檢查儀,瓦斯?jié)舛瘸^1%時,停止作業(yè),并采取措施,降低瓦斯?jié)舛?當(dāng)瓦斯?jié)舛仍?%以下時方可恢復(fù)打鉆作業(yè);瓦斯?jié)舛瘸^1.5%時,要停電撤人。并向通風(fēng)值班人員及調(diào)度室匯報有關(guān)情況,按指示執(zhí)行。

4、作業(yè)前,要提前清理好現(xiàn)場,安排作業(yè)人員對作業(yè)地點附近進(jìn)行灑水滅塵,煤幫、頂、底沖洗后,方可進(jìn)行打鉆作業(yè),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(yán)格按照打鉆措施要求執(zhí)行。

6、鉆探人員打鉆發(fā)現(xiàn)有異常,要及時匯報地測科。

7、地測科超前物探組技術(shù)人員根據(jù)三維勘探資料和已知的水文地質(zhì)資料提前對掘進(jìn)巷道的水文地質(zhì)資料進(jìn)行分析,對存在突水因素的區(qū)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(yè)隊組進(jìn)行打鉆放水工作,防止突水事故發(fā)生。

三、檢查

1、地測科要不定期對探放水隊組打鉆情況進(jìn)行檢查,檢查隊組現(xiàn)場打鉆情況和打鉆記錄。對掘進(jìn)隊組所報進(jìn)尺進(jìn)行核查,防止隊組虛報進(jìn)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(rèn)真統(tǒng)計核對打鉆米數(shù),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(rèn)可。