祁東煤礦6#地面水文長期觀測孔施工技術(shù)實(shí)踐

柴宿東，陳敏虹

(安徽省煤田地質(zhì)局水文勘探隊(duì)，安徽宿州 234000)

1 工程概況

祁東煤礦位于宿州市東南約30 km的祁縣鎮(zhèn)與固鎮(zhèn)縣龍王廟鎮(zhèn)交界處。該礦某采區(qū)工作面曾發(fā)生過突水事故，為確保今后安全生產(chǎn)，為下一步礦井施工提供更為全面可靠的水文地質(zhì)資料，完善水文補(bǔ)充勘探，需施工幾個(gè)地面水文長期觀測孔，其中6#孔終孔層位為太原組第四層灰?guī)r下，深度860m。目的是查明其鉆孔附近的地層構(gòu)造、風(fēng)化巖層深度、巖層特性，可采煤層的深度和厚度及結(jié)構(gòu)，同時(shí)以便觀測基巖太原組1～4層“太灰”巖溶、裂隙含水層水位動(dòng)態(tài)，提前對(duì)工作面水文情況進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)［1］。

2 地層巖性

祁東煤礦開采的煤田為一第四系松散含水層覆蓋下的隱伏煤田，煤系地層屬二疊系、石炭系，煤系基底為太原組石灰?guī)r。礦井直接充水含水層為煤系頂、底板砂巖裂隙含水層，主要充水水源為第四系底部的第四含水層和太原組灰?guī)r含水層。

松散層由表土、粘土、砂質(zhì)粘土、粉砂、細(xì)砂、中砂、泥灰?guī)r、礫石、砂礫等組成，局部地區(qū)還有砂巖盤，膠結(jié)性差。厚度在375m左右，其中第四系底部含水層厚約40m，主要由礫石、砂礫、粘土礫石、砂、粘土質(zhì)砂等組成。二疊系、石炭系由泥巖、粉砂巖、砂巖和煤層與灰?guī)r組成，底部太原組含多層灰?guī)r。局部灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育。

3 技術(shù)要求

(1)巖心采取:上部從340～405m取第四含水層與基巖風(fēng)化帶;基巖部分從755m(10#煤上10m)開始取心到終孔。巖心采取率≥75%，破碎帶的巖心采取率≥60%。

(2)孔斜:鉆孔頂角每百米不超過1°。

(3)終孔層位:太原組灰?guī)r第四層灰底板下約5m，深度860m。

(4)測井:全孔數(shù)字測井，并作分層解釋。

(5)止水:對(duì)含水層頂層上部采用套管隔離，粘土球與水泥止水。利用水位差法檢查止水效果，止水質(zhì)量合格。

(6)太原組灰?guī)r孔段采用清水鉆進(jìn)，抽水孔段為裸孔，孔徑不小于Φ110 mm，并作抽水試驗(yàn)。

(7)鉆孔竣工后，管口按裝管口蓋，做到堅(jiān)固，觀測方便［2］。

4 設(shè)備與機(jī)具選擇

在滿足設(shè)計(jì)需要節(jié)約成本的原則下，結(jié)合以往的施工經(jīng)驗(yàn)選擇。鉆機(jī):TXB－1600;泥漿泵:NBB－260/7B;柴油機(jī):6135、4135各1臺(tái);鉆塔:HS22－36型;空壓機(jī):W9/7;潛水泵:100QJ10－120型;鉆桿:Φ50 mm;鉆鋌:Φ68 mm、Φ89 mm;套管:Φ127 mm、Φ168 mm。

5 施工技術(shù)難點(diǎn)與對(duì)策

5.1 施工技術(shù)難點(diǎn)

(1)松散層中的砂層易坍塌，粘土層、泥灰?guī)r易吸水膨脹縮徑。

(2)砂層、礫石層易發(fā)生漏水，石灰?guī)r的巖溶裂隙發(fā)育易發(fā)生漏水。

(3)礫巖層、破碎帶、煤層采取率低。

(4)巖石軟硬互層，地層傾角較大，鉆進(jìn)中易發(fā)生孔斜。

(5)孔深下套管與止水難度大。

5.2 技術(shù)對(duì)策

5.2.1 預(yù)防孔斜

(1)設(shè)備安裝穩(wěn)固，提引器中心、立軸中心、孔口中心三點(diǎn)在一垂直線上。

(2)把好開孔關(guān)，采用鉆鋌給壓，所加鉆鋌的重量應(yīng)大于所需鉆壓的1/3，使用的鉆具要直，連接后應(yīng)同心，合理使用鉆進(jìn)的技術(shù)參數(shù)。

(3)每鉆進(jìn)一百米測斜一次，掌握孔斜情況，發(fā)現(xiàn)孔斜超限及時(shí)采取糾斜措施。

(4)換徑、擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)帶導(dǎo)向，并且在鉆鋌處增加2組扶正器。

5.2.2 護(hù)壁措施

(1)鉆進(jìn)至見太原組灰前，用高分子聚合物低固相泥漿護(hù)壁，泥漿配方:膨潤土4%+純堿0.5%+NaPAN 0.4%+NsHmK 2%+K －PAM 0.1%。

性能指標(biāo):漏斗粘度 20 ～25 s，密度 1.04 ～1.08，失水量＜13 mL/30min，pH值8。具有提高其攜帶巖粉、潤滑、防塌性能，確?？妆诜€(wěn)定。

(2)見太原組灰?guī)r前如發(fā)生孔內(nèi)漏水，采用提高泥漿粘度、降低泥漿密度，并在泥漿中加入隋性堵漏材料進(jìn)行堵漏［3］。

5.2.3 提高巖心采取率的措施

(1)松散層取心采用投鋼球干鉆法，使巖心自然堵塞。

(2)對(duì)松軟、破碎地層，選擇雙管取心，控制回次進(jìn)尺長度。單管鉆進(jìn)取心，采用大、中、小規(guī)格卡料，配合卡簧提斷器卡取巖心。

(3)為保證煤心采取率達(dá)到設(shè)計(jì)要求，見煤預(yù)告下達(dá)后，要控制進(jìn)尺，嚴(yán)格執(zhí)行守煤制度和班長負(fù)責(zé)操作制，并做到準(zhǔn)確判層，嚴(yán)格執(zhí)行“見軟就起鉆，不準(zhǔn)試試看”的制度。

(4)取煤前應(yīng)將孔內(nèi)殘留巖心采凈，調(diào)整好泥漿。

(5)選用單動(dòng)雙管取煤器，取煤器下入孔內(nèi)前在地面應(yīng)檢查好，使單動(dòng)靈活，內(nèi)外鉆頭間隙適當(dāng)，回水單向閥工作良好。

(6)取煤器下入孔內(nèi)離孔底約0.5m進(jìn)行充分沖孔。煤層鉆進(jìn)第一回次應(yīng)控制其進(jìn)尺長度，以觀察鉆進(jìn)參數(shù)是否合理，以便調(diào)整。

(7)鉆進(jìn)煤層時(shí)，孔底加壓要均勻，嚴(yán)禁提動(dòng)鉆具，使用鉆壓 0.8 ～1.5 t，轉(zhuǎn)速 150 ～200 r/mm，泵量 200 L/mm 的鉆進(jìn)參數(shù)，回次未減小泵量，增加壓力，干鉆拿牢煤芯，提升鉆具要穩(wěn)，擰卸鉆具時(shí)不能敲大錘，防止震掉煤心。

6 鉆孔結(jié)構(gòu)與施工流程

6.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

一開至風(fēng)化帶底部402m為Φ190 mm孔徑;二開402～812m(海相泥巖底板)為Φ146 mm孔徑;三開812～860m為 Φ108 mm孔徑(抽水層段)［4］。見圖1。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

6.2 施工工藝流程

一開無心鉆進(jìn)→取心鉆進(jìn)→測進(jìn)→擴(kuò)孔→順孔→下表層套管粘泥止水→二開無心鉆進(jìn)→取心鉆進(jìn)見灰?guī)r→測井→擴(kuò)孔→順孔→下技術(shù)套管→水泥止水→三開清水鉆進(jìn)→擴(kuò)孔→洗孔→抽水試驗(yàn)。

6.2.1 鉆進(jìn)施工

(1)無巖心鉆進(jìn)鉆具組合:Φ89立軸→Φ50 mm鉆桿→Φ68 mm鉆鋌→Φ110 mm(Φ91 mm)鉆頭;鉆進(jìn)參數(shù):鉆壓10～15 KN、轉(zhuǎn)速 150～250 r/min、泵量160～250 L/min。

(2)取心鉆進(jìn)鉆具組合:用Φ89立軸→Φ50 mm鉆桿→Φ68 mm鉆鋌→Φ89 mm巖芯管(單、雙管)→Φ91 mm鉆頭;鉆進(jìn)參數(shù):鉆壓8～12 KN、轉(zhuǎn)速150～250 r/min、泵量100～200 L/min。

6.2.2 擴(kuò)孔

(1)擴(kuò)孔采用由小徑到大徑逐級(jí)擴(kuò)孔，擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)帶導(dǎo)向，導(dǎo)向長度大于1.5m。

(2)鉆具組合:Φ89立軸→Φ50 mm鉆桿→Φ68鉆鋌→Φ89 mm 鉆鋌→Φ110 mm(Φ127 mm、Φ146 mm、Φ190 mm)擴(kuò)孔器。

(3)擴(kuò)孔鉆頭選用大八角直鑲硬質(zhì)合金鉆頭、PDC擴(kuò)孔鉆頭，增加粗徑鉆鋌。鉆進(jìn)參數(shù):鉆壓8～10 KN、轉(zhuǎn)速100～150 r/min、泵量 260 L/min［5］。

6.2.3 下套管與止水

(1)下套管前調(diào)整好泥漿性能，用同徑長約20m的套管進(jìn)行順孔，確保套管順利下入到設(shè)計(jì)深度。

(2)對(duì)套管進(jìn)行逐根檢查、丈量、編號(hào)、記錄，按編號(hào)順序下入。套管連接采用絲扣連接，絲扣處涂鉛油，下管要連續(xù)作業(yè)。

(3)表層套管下入深度402m座在硬巖上，用粘土球止水，搗實(shí)高度≥20m。

(4)技術(shù)套管下至812m，座在巖石完整的隔水層上，采用425#水泥止水。水灰比為0.5，水泥漿密度1.84，水泥用量 0.65 t，同時(shí)加入 NaCl23.25 kg+ 三乙醇胺 0.325 kg攪拌均勻。注漿止水前先泵入清水清洗孔壁，之后從套管內(nèi)注入水泥漿，水泥返高≥50m。

(5)注完水泥漿，注入8.5m3頂替清水，使套管內(nèi)留有約5m左右的水泥塞，關(guān)閉套管口閥門。

(6)待水泥凝固48h后，下鉆具掃水泥塞到套管口，進(jìn)行止水檢查。

(7)止水檢查:采用向套管內(nèi)注清水，液面每小時(shí)變化幅度小于2 cm。

6.2.4 太灰段鉆進(jìn)

用清水作沖洗液，Φ91 mm取心鉆進(jìn)到太原組第四層灰?guī)r下約5m，然后擴(kuò)孔。

6.2.5 洗孔

(1)下鉆具泵入清水，清洗鉆孔含水層段。

(2)空壓機(jī)洗井，將洗井器接在鉆具下端，下到一定深度，通過空壓機(jī)以大風(fēng)量上下串動(dòng)鉆具，將井內(nèi)泥漿及巖粉沖出井外，反復(fù)進(jìn)行［6］。

(3)沖孔器洗井，將沖孔器接在鉆桿下端，下到含水層位，使沖孔器對(duì)準(zhǔn)含水層，開泵大泵量泵入清水。沖洗時(shí)應(yīng)由下而上分段沖洗。

6.2.6 抽水試驗(yàn)

(1)認(rèn)真檢查抽水設(shè)備，進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)檢查，備齊試驗(yàn)用的器材工具，測量、計(jì)量器具，做好抽水試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作。

(2)抽水試驗(yàn)采用100QJ10－120型潛水泵，最大揚(yáng)程為130m，最大流量13m3/h。為計(jì)算涌水量提供可靠的水文地質(zhì)參數(shù)。

(3)每次正式抽水前，要進(jìn)行不少于4h的連續(xù)試抽。式抽應(yīng)盡設(shè)備的最大能力。通過試抽以全面檢查抽水試驗(yàn)和各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，并達(dá)到進(jìn)一步洗孔的目的。

(4)抽水試驗(yàn)結(jié)束后，需用鉆具探測孔深，當(dāng)孔內(nèi)淤塞物達(dá)到及超過含水層段1/8時(shí)，要專門進(jìn)行撈?。?］。

7 結(jié)語

(1)地面水文長期觀測孔，施工工序多，質(zhì)量要求高。因此應(yīng)事先制定祥細(xì)可行的技術(shù)方案，灰?guī)r有巖溶洞穴、裂隙發(fā)育，鉆進(jìn)中控制鉆壓與轉(zhuǎn)速，防止孔斜和掉鉆。發(fā)生漏水及時(shí)記錄漏失量與深度，加強(qiáng)觀測。

(2)在一開、二開鉆探過程中，調(diào)整泥漿性能指標(biāo)，適合地層變化，確保鉆孔孔壁穩(wěn)定，避免地層坍塌和卡鉆等事故發(fā)生;同時(shí)下套管前調(diào)整好泥漿，順孔是確保套管順利下到設(shè)計(jì)層位的前提。

(3)采用雙管單動(dòng)取心鉆具可提高巖心的采取率。

(4)套管絲扣連接處，涂鉛油增加上部套管的密封止水效果。

(5)水泥是很好的止水材料，而且成本低。注水泥漿作業(yè)屬于隱蔽工程，止水工作是觀測孔成敗的關(guān)鍵因此之一。

(6)通過對(duì)孔內(nèi)水位的觀測，可了解水位升降與工作面涌水量對(duì)應(yīng)關(guān)系，為工作面防冶水提供參考依據(jù)。

［1］韓廣德，金寶昌，丁祥發(fā)，等.中國煤炭工業(yè)鉆探工程學(xué)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社.2000.

［2］湯鳳林，А.Г.加里寧，段隆巨.巖心鉆探學(xué)［M］.武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社.2009.

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［4］丁真林，王國慶，朱樂意.遙測技術(shù)在祁東煤礦水文長觀孔水位監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.江西煤炭科技.2011(3):40－42.

［5］李康.淺談皖北煤電祁東煤礦長觀孔水位遙測及報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.硅谷.2008(20):131.

［6］楊文欽.水文長觀孔改造技術(shù)探討［J］.中國煤炭學(xué)會(huì)礦井地質(zhì)委員會(huì)2008年學(xué)術(shù)論壇文集.277－278.

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