貴州晴隆楊寨煤勘礦區(qū)鉆探施工組織與技術(shù)管理

孫孝剛，王 聰，盧忠友，張 濤

(貴州省地礦局102地質(zhì)大隊(duì)，貴州 遵義563003)

0 引言

楊寨煤礦位于貴州省晴隆縣北部，礦區(qū)面積為10.77 km2。礦區(qū)屬高原多山地形，溝谷切割強(qiáng)烈，地形坡度大。海拔783～1794.4 m，最大相對(duì)高差近800 m，一般多在300 m。溝壑縱橫，鉆探設(shè)備搬遷困難。

礦區(qū)具有煤系地層厚、可采煤層多，瓦斯含量較高、漏失、涌水等特點(diǎn)。所有設(shè)計(jì)鉆孔均為直孔，孔深在50～1612 m之間，設(shè)計(jì)鉆探工作量為29548 m(28個(gè)孔)。

2005年6月—2006年9月，完成巖心鉆探進(jìn)尺5262.50 m(9個(gè)孔)，2006年10月—2008年1月，完成巖心鉆探進(jìn)尺8395 m(16個(gè)孔)，2009年6月至2011年8月，補(bǔ)充施工了3410.48 m(7個(gè)孔)，以上數(shù)次勘查，共計(jì)施鉆32個(gè)鉆孔。但所有鉆孔施工都遇到了較大的困難——由于礦區(qū)煤系地層厚，可采煤層多且厚，瓦斯含量較高，部分地層涌水，易造成孔壁坍塌，難于護(hù)壁，沒有一個(gè)鉆孔能照地質(zhì)設(shè)計(jì)要求終孔，完全揭露含煤地層，未達(dá)到地質(zhì)勘查設(shè)計(jì)要求。期間，有不少在該礦區(qū)施工的單位和機(jī)場畏難而中途撤離。2013年底，我隊(duì)接受了該礦區(qū)的勘探任務(wù)，工期為2013年6月至2015年1月。最初由3臺(tái)鉆機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證施工，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，2014年4月全面啟動(dòng)，最多時(shí)13臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)作業(yè)，2015年1月中旬，野外鉆探工作全面結(jié)束，完成鉆探工作量25140.81 m。

1 施工組織管理

1．1 施工隊(duì)伍構(gòu)成

該礦區(qū)工作量大、難度大、工期短，本單位鉆機(jī)無法滿足鉆探施工需要，入場施工單位由本隊(duì)自有鉆機(jī)、本系統(tǒng)兄弟單位(貴州地礦114隊(duì))鉆機(jī)和市場招聘鉆機(jī)等組成。

1．2 管理程序

1．2．1 作業(yè)機(jī)臺(tái)的準(zhǔn)入條件

進(jìn)入該礦區(qū)的機(jī)臺(tái)必須具備以下條件:(1)設(shè)備具有施工該孔的鉆探能力;(2)主要材料能滿足該孔施工需要;(3)施工隊(duì)伍具有相應(yīng)的鉆探施工資質(zhì)或具有施工同等深度鉆孔的經(jīng)驗(yàn)。

1．2．2 技術(shù)交底

每個(gè)機(jī)場在項(xiàng)目組為其布(點(diǎn))孔后，項(xiàng)目組相關(guān)人員必須對(duì)機(jī)場人員提供該孔的《鉆孔地質(zhì)柱狀圖》，并對(duì)該孔施工的技術(shù)、安全、環(huán)境進(jìn)行交底，為鉆孔設(shè)計(jì)確定提供依據(jù)。

1．2．3 開孔前的驗(yàn)收

開鉆前必須由項(xiàng)目組領(lǐng)導(dǎo)、鉆探技術(shù)人員、兼職安全員為主體，組成質(zhì)量驗(yàn)收小組，對(duì)機(jī)臺(tái)的安裝、安全生產(chǎn)各項(xiàng)設(shè)施、鉆孔設(shè)計(jì)進(jìn)行全面檢查，確認(rèn)各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求，填寫《鉆孔定位、機(jī)械安裝通知書》、《鉆孔開孔驗(yàn)收記錄單》，再由編錄員填寫好《開孔通知書》后，通知機(jī)臺(tái)開鉆。

1．2．4 終孔后的驗(yàn)收

在達(dá)到地質(zhì)目的終孔后，由項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、鉆探、地質(zhì)等相關(guān)人員到現(xiàn)場，依據(jù)《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》中六大質(zhì)量指標(biāo)和施工設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行驗(yàn)收，評(píng)定鉆孔質(zhì)量等級(jí)，并填寫《鉆孔終孔通知書》和《鉆孔封孔設(shè)計(jì)和封孔記錄》。機(jī)臺(tái)按照《鉆孔終孔通知書》和《鉆孔封孔設(shè)計(jì)和封孔記錄》的要求終孔后進(jìn)行封孔，并在孔口用混凝土澆注水泥柱，樹立標(biāo)識(shí);施工結(jié)束后，由項(xiàng)目部對(duì)資料進(jìn)行匯總、整理。

1．3 施工管理機(jī)構(gòu)及職責(zé)(見圖1)

圖1 施工管理機(jī)構(gòu)及職責(zé)

1．3．1 安全管理職責(zé)

機(jī)臺(tái)的安全管理，由機(jī)長(兼職安全員)全面負(fù)責(zé)落實(shí)各項(xiàng)安全技術(shù)措施的執(zhí)行，督促檢查及隱患排查整改。實(shí)行安全交接班制度、每周自查制度;項(xiàng)目經(jīng)理(兼職安全員)對(duì)所有機(jī)臺(tái)進(jìn)行督促檢查，監(jiān)督隱患整改落實(shí);大隊(duì)安全管理科負(fù)責(zé)對(duì)所有機(jī)臺(tái)進(jìn)行巡查、抽查和督查，對(duì)員工進(jìn)行安全知識(shí)、技術(shù)培訓(xùn)。

1．3．2 鉆探技術(shù)管理職責(zé)

項(xiàng)目部鉆探技術(shù)人員負(fù)責(zé)編寫和修訂鉆孔設(shè)計(jì)。開孔前，對(duì)所有機(jī)場進(jìn)行鉆探技術(shù)培訓(xùn)。施工中，嚴(yán)格按照《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》(DZ/T 0227—2010)中六大質(zhì)量指標(biāo)和施工設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行質(zhì)量控制，總結(jié)先期施工中的經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)后期施工作業(yè)。

2 鉆探技術(shù)管理

2．1 優(yōu)化鉆探實(shí)施方案

在鉆探任務(wù)落實(shí)后，全面收集與本區(qū)地質(zhì)特征相近的鉆探工藝資料，了解同類地層施工的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，查找以往在該礦區(qū)施工鉆孔失敗的原因，確定該礦區(qū)內(nèi)先期施工的2個(gè)“驗(yàn)證孔”(即:KZK1301、KZK301，其目的是驗(yàn)證地層地質(zhì)情況是否與“地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)”相符)的鉆孔結(jié)構(gòu)、設(shè)備選型和鉆進(jìn)工藝，并指導(dǎo)鉆探作業(yè)。“驗(yàn)證孔”施工中，詳細(xì)記錄施工中所使用的泥漿材料、配方、性能，以及事故處理方法和效果，然后進(jìn)行綜合分析歸納，從而篩選出最佳的鉆探施工方法。

在“驗(yàn)證孔”施工的同時(shí)，全面研究該礦區(qū)內(nèi)所有鉆孔所鉆的地層情況，待“驗(yàn)證孔”施工結(jié)束時(shí)，認(rèn)真總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化鉆探設(shè)計(jì)，指導(dǎo)鉆探工程的全面展開。

2．2 鉆探技術(shù)培訓(xùn)及交底

在鉆探施工工作全面展開之前，召集該項(xiàng)目所有鉆探機(jī)長(鉆探技術(shù)負(fù)責(zé)人)集中培訓(xùn)，進(jìn)行技術(shù)交底，即:詳細(xì)介紹“驗(yàn)證孔”施工的具體情況，設(shè)備選型和鉆孔結(jié)構(gòu)確定依據(jù)，護(hù)壁措施和事故處理的經(jīng)驗(yàn)。全面介紹該礦區(qū)的地層情況，可能遇到孔內(nèi)的問題，以及應(yīng)對(duì)(處理)方法和建議措施。

2．3 鉆進(jìn)工藝

2．3．1 鉆進(jìn)方法

為了提高鉆進(jìn)效率，盡快完成施工任務(wù)，所有施工鉆孔，除開孔口徑(172、150 mm)和備用徑外(150、130、110 mm)，其主徑(96、77 mm)必須選擇金剛石繩索取心鉆進(jìn)。

2．3．1．1 操作注意事項(xiàng)

(1)選用合理的鉆具級(jí)配，縮小鉆具與孔壁的環(huán)狀間隙，減小孔斜，使鉆孔能達(dá)到《煤炭地質(zhì)勘查鉆孔質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(MT/T 1042—2007)規(guī)定的有效孔標(biāo)準(zhǔn)。如HQ系列:鉆頭、鉆具上下擴(kuò)孔器、鉆桿直徑分別選用95.5、96、91 mm，NQ 系列:鉆頭、鉆具上下擴(kuò)孔器、鉆桿直徑則分別選用77、77.5、71 mm，在環(huán)狀間隙不大的情況下，能保持沖洗液正常循環(huán)。

(2)下繩索取心鉆具前，應(yīng)嚴(yán)格檢查其單動(dòng)性能是否良好，各部件之間的同心度是否一致以及鉆具總成各間隙是否達(dá)到要求。

(3)打撈器將接近內(nèi)管上端時(shí)，應(yīng)放慢下降速度，反復(fù)撈取內(nèi)管無效時(shí)，不得猛沖硬墩，應(yīng)提鉆查明原因。

(4)孔內(nèi)為干孔時(shí)，不得直接投放內(nèi)管，應(yīng)用打撈器將內(nèi)管送入孔底，或開泵以最大排量向鉆桿內(nèi)泵入沖洗液后立即投放內(nèi)管。

(5)內(nèi)管未到底前，不準(zhǔn)掃孔鉆進(jìn)。

(6)選用合理的鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)，適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速，減小鉆壓保持鉆具相對(duì)穩(wěn)定的軸線和垂直度。

(7)鉆孔孔深到達(dá)煤系地層頂板時(shí)，應(yīng)起大鉆全面檢查鉆具一次，盡量避免在煤系地層中起大鉆。

(8)在煤系地層掃孔時(shí)，嚴(yán)禁用單管鉆具掃孔，以避免鉆具被“堵死”起鉆產(chǎn)生抽吸，從而破壞孔壁的穩(wěn)定。

2．3．1．2 卸壓打撈內(nèi)管

當(dāng)鉆具鉆入高瓦斯地層時(shí)，由于“瓦斯”產(chǎn)生的高壓作用，致使內(nèi)管彈卡與彈卡擋頭臺(tái)階“抵死”，打撈器難將內(nèi)管提動(dòng)的現(xiàn)象發(fā)生。此時(shí)，嚴(yán)禁全孔起拔鉆具，避免因起鉆而導(dǎo)致孔壁坍塌、掉塊，發(fā)生孔內(nèi)事故。其處理方法是“卸壓”，具體步驟:(1)下入脫卡器脫卡，將打撈器提出孔外;(2)起鉆，卸去1～2根鉆桿后，再進(jìn)行打撈，若還提不動(dòng)，再脫卡將打撈器提出后，再起鉆卸去1～2根鉆桿打撈，直至卸壓成功打撈出內(nèi)管。圖2、圖3分別為該礦區(qū)所鉆取的塊狀和粉狀煤礦心。

圖2 礦區(qū)(塊狀)煤、礦心

圖3 礦區(qū)(粉狀)煤、礦心

2．3．2 護(hù)壁措施

礦區(qū)煤層、煤線較多，瓦斯含量較高，砂巖、灰?guī)r破碎段多，易垮塌、掉塊?？變?nèi)漏失和涌水現(xiàn)象比較嚴(yán)重，泥漿護(hù)壁很難長時(shí)間保證孔壁穩(wěn)定，加之部分鉆孔施工缺水，所以在鉆穿“煤系”地層易坍塌孔段換徑后，采用套管護(hù)壁。在進(jìn)入煤系地層后，預(yù)留口徑(下套管)難于滿足鉆孔施工需要，仍需配制與鉆孔相適應(yīng)的泥漿護(hù)壁。

2．3．3 沖洗液

2．3．3．1 沖洗液配方及適應(yīng)地層

配方1:3% ～5%粘土粉+1‰ ～2‰Na2CO3+2‰～3‰CMC+3‰ ～5‰X－1成膜劑 +(適量)BaSO4。性能參數(shù):粘度35～40 s，濾失量＜10 mL/30 min，泥餅厚度1～2 mm，密度 1.25～1.35 g/cm3，固相含量＜4%，pH值8～10。適用于泥質(zhì)(炭質(zhì))頁巖較完整的地層、高瓦斯塊狀煤層和涌水地層等易于坍塌的煤系地層。

配方2:3% ～5%粘土粉+1‰ ～2‰Na2CO3+2‰～3‰磺化瀝青+3‰～5‰降失水劑+3‰～5‰X－1成膜劑 +3‰ ～5‰防塌劑 +(適量)BaSO4。性能參數(shù):粘度60～70 s，濾失量＜10 mL/30 min，泥餅厚度1～2 mm，密度1.25～1.35 g/cm3，固相含量＜4%，pH值8～10。適用于粘土巖、泥質(zhì)(炭質(zhì))頁巖較破碎的地層、高瓦斯粉狀煤層和涌水地層等極易坍塌的煤系地層。

以上配方中BaSO4的加量，應(yīng)根據(jù)孔內(nèi)煤層中瓦斯壓力的大小、涌水水頭的高度，適時(shí)添加(減)，調(diào)整沖洗液的密度，以達(dá)到護(hù)壁的目的。

2．3．3．2 沖洗液密度和濾失量調(diào)節(jié)

沖洗液的密度和濾失量兩大性能參數(shù)，在高瓦斯、涌水和水敏性地層中鉆進(jìn)是最重要的。在實(shí)際施工中調(diào)節(jié)方法如下。

(1)密度。在高瓦斯煤系地層鉆進(jìn)過程中，若循環(huán)槽內(nèi)沖洗液有氣泡滲出(見圖4)或煤粉泡漂浮其上(見圖5)，說明泥漿的密度不夠，應(yīng)加入適量的BaSO4，反之，應(yīng)停止添加。在涌水地層鉆進(jìn)過程中，若泥漿被稀釋或有間斷性清水涌出孔口，說明沖洗液的密度不夠，應(yīng)加入適量的BaSO4，反之，應(yīng)停止添加。

圖4 沖洗液有氣泡滲出

圖5 煤粉泡漂浮

(2)濾失量。在水敏性地層鉆進(jìn)過程中，若泥漿池或泥漿沉淀池液面上有清水滲出，說明沖洗液的性能變壞，濾失量較大，應(yīng)加入適量的降濾失等處理劑，除砂，及時(shí)調(diào)整沖洗液的性能，反之，不必添加，只需維護(hù)。

2．3．4 同徑偏斜

在深孔巖心鉆探中，遇孔內(nèi)事故(燒、埋鉆和掉鉆具)難于打撈或消滅，以及嚴(yán)重坍塌不能通過時(shí)，除在孔深較淺時(shí)移孔外，選擇同徑偏斜是最有效的途徑。其偏斜方法有自然偏斜和偏斜器偏斜2種方式。

2．3．4．1 自然同徑偏斜

在松軟、硬度較小的地層(如粘土層、泥巖、泥質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖及煤層等)，一般選擇自然偏斜方法。其步驟是:(1)用425水泥+0.05%三乙醇胺+1% ～2%NaCl，按0.5～0.6水灰比配置水泥漿，在事故頭(事故孔段)往上封50～100 m;(2)待水泥漿凝固5～6 d后開始鉆進(jìn)，其鉆進(jìn)操作過程中必須做到“一輕、兩慢”，即鉆壓要“輕”，壓力盡量小，轉(zhuǎn)速要“慢”，盡量開低轉(zhuǎn)速，給進(jìn)要“慢”，鉆進(jìn)速度不宜過快。在該礦區(qū)ZK1310孔、ZK402孔(埋鉆)、ZK003孔(嚴(yán)重坍塌)和ZK1201孔(燒鉆)，孔深分別在624、556、1070、534 m用上述方法成功偏斜。

2．3．4．2 偏斜器同徑偏斜

在硬度較大的地層(如茅口灰?guī)r、長興灰?guī)r等)，選擇偏斜器偏斜方法。其步驟是:(1)用425水泥+0.05%三乙醇胺+1% ～2%NaCI，按0.5～0.6水灰比配置水泥漿，在事故頭(事故孔段)往上灌漿20～30 m;(2)隨后將偏斜器下入預(yù)定位置;(3)待水泥漿凝固，將偏斜器固定后(一般5～6天)開始鉆進(jìn)。在該礦區(qū)ZK1501孔(埋鉆)孔深在437 m用上述方法成功偏斜。

2．3．5 分段測井

為了防止終孔后拔出套管測井孔壁垮塌，一般先測井后下套管。在終孔后，將下部孔段測井后再起拔套管的作業(yè)方式，避免了埋“物探測管”事故的發(fā)生。

3 安全、環(huán)境保護(hù)管理

礦區(qū)溝壑縱橫、坡陡溝深，將安全、環(huán)境保護(hù)納入規(guī)范管理也是施工中不可缺少的重要一環(huán)。

3．1 安全管理要求及措施

(1)建立健全安全生產(chǎn)機(jī)構(gòu)保證體系和各安全生產(chǎn)崗位責(zé)任制。成立以項(xiàng)目經(jīng)理(兼職安全員)為組長，項(xiàng)目專職安全員為副組長，機(jī)長(兼職安全員)為組員的項(xiàng)目安全生產(chǎn)小組，負(fù)責(zé)本項(xiàng)目的安全生產(chǎn)組織領(lǐng)導(dǎo)和檢查落實(shí)。建立健全各崗及各工種的安全生產(chǎn)責(zé)任制。項(xiàng)目部安全員每日深入各施工現(xiàn)場，專職安全員在施工前對(duì)其進(jìn)行安全技術(shù)交底，在施工中進(jìn)行巡回檢查，針對(duì)機(jī)臺(tái)實(shí)際情況，制定行之有效的安全防范措施，并督促措施的落實(shí)。機(jī)長分別對(duì)機(jī)臺(tái)各崗位進(jìn)行安全檢查、記錄、處理、每月考核一次。

(2)專職安全員負(fù)責(zé)對(duì)全體上崗人員進(jìn)行崗前安全生產(chǎn)培訓(xùn)教育，提高職工牢固樹立“安全第一，預(yù)防為主”的思想意識(shí)，熟練掌握施工中的安全操作規(guī)程及注意事項(xiàng)的能力。

(3)嚴(yán)格安全管理制度，遵守安全操作規(guī)程，杜絕“三違現(xiàn)象”，嚴(yán)格落實(shí)安全生產(chǎn)獎(jiǎng)罰制度。

(4)項(xiàng)目部每月組織一次安全生產(chǎn)大檢查及安全生產(chǎn)總結(jié)會(huì)，總結(jié)本月工作，提出下月工作計(jì)劃及措施意見。

3．2 環(huán)保要求及措施

(1)施工中，嚴(yán)格執(zhí)行《環(huán)境保護(hù)法》的相關(guān)規(guī)定，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)知識(shí)學(xué)習(xí)，提高全體職工的環(huán)境保護(hù)意識(shí)，創(chuàng)造一個(gè)文明、整潔的施工環(huán)境。

(2)應(yīng)制定不擾民措施。經(jīng)常檢查并與當(dāng)?shù)鼐用穸ㄆ诼?lián)系聽取意見，對(duì)合理意見應(yīng)及時(shí)采納。

(3)在修建鉆場、道路時(shí)，盡量少開挖，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

(4)搞好工作區(qū)域的環(huán)境衛(wèi)生。施工鉆場不得亂扔垃圾、廢品、煙頭等影響環(huán)境衛(wèi)生的雜物，不得隨意排放污水、廢漿和焚燒有毒有害物質(zhì)，做好漏油及廢料的處理工作，不污染水源。

(5)施工完工后，做好封孔、泥漿池、水池的回填工作。

(6)搞好生活區(qū)域的環(huán)境衛(wèi)生、食堂衛(wèi)生和飲食衛(wèi)生工作，防止流行病毒的傳播，努力為職工創(chuàng)造良好的生活環(huán)境。

4 成果

4．1 鉆探技術(shù)成果

晴隆楊寨煤勘項(xiàng)目，實(shí)際完成工作量25140.81 m(22孔)，其中優(yōu)質(zhì)孔5個(gè)，合格孔17個(gè)，鉆孔質(zhì)量均能滿足地質(zhì)設(shè)計(jì)要求，創(chuàng)造了我隊(duì)在煤系地層鉆探施工中煤層最多(厚、薄80多層)、煤系地層最厚(＞1000 m)、瓦斯含量最高和鉆孔最深(1668.08 m)、施工速度最快的記錄，該礦區(qū)煤勘項(xiàng)目鉆探技術(shù)成果見表1。

表1 貴州省晴隆縣楊寨煤礦勘探鉆探技術(shù)成果統(tǒng)計(jì)

從施工組織管理、鉆探技術(shù)管理、安全和環(huán)境保護(hù)等多方面綜合考慮，較好地解決了在高瓦斯、涌水煤系地層鉆探施工中孔壁易坍塌的技術(shù)難題，以及工程量大、施工工期短、鉆機(jī)搬遷困難安全和環(huán)保問題，進(jìn)一步完善了我隊(duì)在同類鉆探施工工程作業(yè)的管理模式。

4．2 經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益

晴隆楊寨煤勘項(xiàng)目的鉆探施工，為我隊(duì)創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益，而且為我隊(duì)在同類礦區(qū)巖心鉆探施工中創(chuàng)造了快速、高效、環(huán)保和“技術(shù)過硬”的品牌，在同類礦區(qū)地勘市場項(xiàng)目的“競標(biāo)”中奠定了良好的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

通過在晴隆縣楊寨高瓦斯超厚煤系復(fù)雜地層的鉆探施工中，加強(qiáng)對(duì)鉆探技術(shù)、安全環(huán)保和后勤保障的規(guī)范化、系統(tǒng)化管理，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。通過本項(xiàng)目的實(shí)施，獲得了如下經(jīng)驗(yàn)體會(huì):

(1)具有完善的組織管理機(jī)構(gòu)，是完成鉆探施工任務(wù)的根本保障;

(2)探索、制定貼近礦區(qū)實(shí)際的鉆孔施工方案，是攻克礦區(qū)鉆探技術(shù)難題的前提;

(3)及時(shí)對(duì)礦區(qū)內(nèi)鉆探施工人員的技術(shù)培訓(xùn)和技術(shù)指導(dǎo)，是提高鉆探效率的根本手段;

(4)根據(jù)孔內(nèi)地層情況，選擇適當(dāng)性能的沖洗液，是決定復(fù)雜地層鉆探工作的效率和成敗的重要因素;

(5)在施工中，應(yīng)不斷進(jìn)行鉆探技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)、交流及推廣，并努力升華為鉆探施工成果。

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