某市煤炭采空區(qū)探測(cè)查證孔施工工藝

陳蘭弟，楊　凱（廣西地球物理勘察院，廣西 柳州 545005）

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某市煤炭采空區(qū)探測(cè)查證孔施工工藝

陳蘭弟，楊凱（廣西地球物理勘察院，廣西 柳州 545005）

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，帶動(dòng)著城市不斷擴(kuò)張，過去一些城市的周邊廢棄礦區(qū)，現(xiàn)在要在上面建立起高樓大廈了。由于礦區(qū)里存在著不同形態(tài)的采空區(qū)，采空區(qū)的存在對(duì)地面建筑會(huì)存在重大的安全隱患，如果對(duì)其勘查不明、了解不透，國(guó)家對(duì)城市建設(shè)的規(guī)劃則受到制約，也會(huì)對(duì)地質(zhì)、環(huán)境、工程產(chǎn)生負(fù)面影響，甚至?xí)o國(guó)家和社會(huì)帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失。在城市規(guī)劃發(fā)展前探測(cè)采空區(qū)，圈定出采空區(qū)的范圍及其空間狀態(tài)具有重要意義，本文主要針對(duì)某市煤炭采空區(qū)探測(cè)查證孔施工工藝展開了具體論述。

煤炭采空區(qū)；探測(cè)查證孔；施工工藝

表1　鉆頭選型表

采空區(qū)是地下煤層開采后形成的空間，煤層采空后，其頂板受破壞后，可能造成采空區(qū)自然坍塌，引起上覆地層的變化，形成冒落帶、裂隙帶、彎曲帶。采空區(qū)的存在直接威脅著煤礦的安全及生產(chǎn)，必須加強(qiáng)探測(cè)，為后期資源開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1　煤碳采空區(qū)調(diào)查目的

為配合環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，研究某市市區(qū)內(nèi)多個(gè)煤礦采空區(qū)采空洞的空間分布特征。在環(huán)境地質(zhì)調(diào)查工作的基礎(chǔ)上，利用超低頻雷達(dá)探測(cè)技術(shù)與地震反射波法相結(jié)合，研究采空區(qū)內(nèi)引起地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害的采空洞的埋深、展布、充填等空間分布特，調(diào)查采空區(qū)塌陷（沉陷）的分布、規(guī)模，采空塌陷（沉陷）形成的地質(zhì)及人為影響因素，危害及造成的損失，圈定塌陷（沉陷）區(qū)及成災(zāi)范圍，分析其發(fā)展趨勢(shì)，為某城市建設(shè)提供地球物理科學(xué)依據(jù)。而煤礦采空區(qū)的探測(cè)，采用超低頻雷達(dá)和淺層地震相結(jié)合探測(cè)，為了驗(yàn)證探測(cè)解析特性，需要對(duì)相應(yīng)地層進(jìn)行取樣對(duì)比分析。

本次煤炭采空區(qū)查證孔施工主要目的是查證煤礦采空區(qū)的分布及其穩(wěn)定性，主要針對(duì)煤礦采空區(qū)進(jìn)行鉆進(jìn)取樣，驗(yàn)證物探解析，并為物探解析提供物理特性對(duì)比，為采空區(qū)全面物探解析提供重要依據(jù)。

2　鉆進(jìn)方法及鉆孔結(jié)構(gòu)

本次采空區(qū)查證孔布置于某市北東部，鉆遇地層主要為第四系覆蓋層、脹縮性黏土、泥巖。為提高采樣精度及減少對(duì)巖樣的干擾，主要巖層及煤炭采空區(qū)鉆進(jìn)必須采用繩索取心鉆進(jìn)的方法進(jìn)行施工，以提高巖樣采取率及巖樣的不受擾動(dòng)性。在第四系覆蓋土層選用φ150合金單動(dòng)單管鉆具進(jìn)行無水鉆進(jìn)（深度約為15m），鉆穿上部的浮土后下入φ146mm套管護(hù)壁。后換φ122mm繩索取心單動(dòng)雙管鉆具鉆穿煤炭采空區(qū)后約20m，下套管隔離采空區(qū)。最后采用φ95mm繩索鉆具鉆進(jìn)至終孔。各級(jí)別口徑鉆頭的選擇見表1。

本次探明煤炭采空區(qū)鉆孔采用 φ150mm-φ122mmφ95mm三級(jí)孔身結(jié)構(gòu)?？咨斫Y(jié)構(gòu)見圖1，CK01鉆孔孔身結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1　CK01鉆孔孔身結(jié)構(gòu)示意圖

本次施工的5個(gè)煤炭采空區(qū)查證孔鉆孔參數(shù)見表2，施工鉆孔參數(shù)一覽表。

表2　施工鉆孔參數(shù)一覽表

3　沖洗液性能要求

3.1采用繩索取心鉆進(jìn)存在的突出問題

繩索取心鉆進(jìn)的主要特點(diǎn)是內(nèi)巖心管能自由地從鉆桿內(nèi)投放孔底，取心時(shí)不提出鉆桿，用鋼繩打撈器把內(nèi)管打撈上來。為此鉆桿內(nèi)外徑都比較大，接頭齊平或近齊平，使鉆桿與孔壁、內(nèi)管與鉆桿內(nèi)壁的環(huán)狀間隙都非常小，通常為1～3mm。由于地層復(fù)雜需采用含有膨潤(rùn)土的沖洗液，如果沖洗液處理不當(dāng)，主要會(huì)引起兩方面的問題：

3.1.1環(huán)空壓力大

外環(huán)空間小，循環(huán)泵壓高，造成循環(huán)漏失、壓垮孔壁，平衡壓力鉆進(jìn)在所有鉆進(jìn)方法中最困難，還容易產(chǎn)生粘附卡鉆。

由于環(huán)空壓力的大小與泵量、泥漿性能有直接的關(guān)系。泥漿的比重越大、粘度越高、切力越大，環(huán)空壓力就越大。

3.1.2鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢

繩索取心鉆桿內(nèi)壁上的泥垢，實(shí)際上是鉆井液中固相物質(zhì)（粘土顆粒、巖粉、未完全溶解的化學(xué)處理劑或絮凝物）在鉆桿內(nèi)壁上的沉積物。鉆井液中的固相顆粒被離心力甩向管壁，并不斷沉積和壓實(shí)，加之粘土和有機(jī)聚合物的粘結(jié)作用，沉積物將逐漸脫水而變得十分結(jié)實(shí)，并牢固地粘附在鉆桿內(nèi)壁上，鉆桿實(shí)際內(nèi)徑變小，打撈器下放或內(nèi)管提升時(shí)，無論沖擊或提拉，都很難通過垢層的障礙。

3.2影響環(huán)空壓力和造成鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢的主要因素

（1）沖洗液的流變性能。沖洗液的粘度越大，切力越高，其流動(dòng)阻力也越大，環(huán)空壓力增大，也不利于鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢的預(yù)防。

（2）沖洗液的固相含量、顆粒密度及比重。固相含量越高，顆粒直徑及密度越大，越容易結(jié)垢。

（3）鉆桿的轉(zhuǎn)速。顆粒沉降速度與鉆桿轉(zhuǎn)速的平方成正比。

（4）沖洗液的流動(dòng)速度（或泵量）。沖洗液的流動(dòng)速度越快（或泵量越大），環(huán)空壓力也將隨之增大，但有利于防止繩鉆鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢。

（5）鉆桿內(nèi)徑。鉆桿內(nèi)徑越大，越容易造成繩鉆鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢。

3.3對(duì)本次繩索取心鉆進(jìn)沖洗液性能提出要求

（1）低固相。一般膨潤(rùn)土含量不超過5%，相當(dāng)于漿液密度1.02～1.03g/cm3。

（2）極細(xì)分散。無合適固控設(shè)備的情況下，需在配漿和維護(hù)中，采用分散性好的配漿材料，保證入孔沖洗液中固相粒度80～90%控制在15～20um。

（3）低粘度、低切力。視粘度6～10MPa·s，動(dòng)塑比0.2～0.5。

（4）失水量適當(dāng)，具有一定的抑制能力。中壓失水量≤15ml/30min。

3.4使用的沖洗液及其性能控制

根據(jù)本次煤炭采空區(qū)施工鉆遇地層巖性主要為脹縮性黏土、泥巖的特點(diǎn)，結(jié)合此次施工鉆機(jī)及施工工藝的特點(diǎn)，采用無固相沖洗液。

沖洗液配方：1m3清水+0.5～1%GLA改性瀝青+0.5～1% GSP廣譜護(hù)壁劑+0.3%HV-CMC羧甲基纖維素+0.05～0.08% PHP聚丙烯酰胺+0.5%氯化鉀+水玻璃。

沖洗液性能：

比重1.01～1.03；漏斗粘度：18～23S；失水量8mL；含砂量≤0.5%；pH值8～9。視粘度AV：4.5～11MPa·s；塑性粘度PV：6.0～12MPa·s；動(dòng)塑比n：0.35～0.60ks-1。

在施工過程中如何快速評(píng)估沖洗液性能，及時(shí)反映泥漿是否滿足要求，我們通過實(shí)踐積累如下經(jīng)驗(yàn)：

（1）不影響繩索取心打撈器下入，作為評(píng)估固相含量及黏度高低的指標(biāo)之一；

（2）巖心管中巖心的取出難易程度（巖心吸水則會(huì)膨脹），作為沖洗液失水量高低的評(píng)估指標(biāo)之一；

（3）泥漿泵泵壓的高低及穩(wěn)定情況可作為沖洗液的護(hù)壁性能及攜帶巖粉能力的評(píng)估指標(biāo)之一。

脹縮性黏土、泥巖比較容易吸水造成縮徑、孔壁失穩(wěn)，所以控制沖洗液的失水量較為關(guān)鍵。為確保沖洗液性能對(duì)地層的穩(wěn)定，在施工現(xiàn)場(chǎng)還需做沖洗液侵泡實(shí)驗(yàn)，分別使用清水及沖洗液對(duì)巖樣進(jìn)行48h侵泡實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過我們的試驗(yàn)，驗(yàn)證本次施工沖洗液性能完全達(dá)到預(yù)期要求。

4　施工小結(jié)

（1）由于鉆遇地層巖性主要為脹縮性黏土、泥巖，必須控制好沖洗液的失水量，并進(jìn)行三班24h工作制；

（2）實(shí)時(shí)根據(jù)沖洗液性能、地層、鉆進(jìn)情況的變化，及時(shí)調(diào)整沖洗液；

（3）快速穿過采空區(qū)，并在鉆穿采空區(qū)15～20m后再下入套管隔離采空區(qū)；

（4）針對(duì)脹縮性黏土、泥巖地層，采用繩索取心工藝較普通單管鉆進(jìn)工藝對(duì)地層的穩(wěn)定要好得多。

［1］《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》（DZ/T0227-2010）.

［2］湯鳳林，等.巖心鉆探學(xué).中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1997.

［3］楊向峰.巖粉含量對(duì)鉆孔沖洗液性能的影響.工程科技，2014，3：25～26.

圖2　現(xiàn)場(chǎng)沖洗液侵泡實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖

TD745

A

2095-2066（2016）17-0079-02

2016-5-30

陳蘭弟（1983-），男，探礦工程師，本科，畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），主要從事固體礦產(chǎn)勘察、工程地質(zhì)勘察施工工作。