童亭煤礦鉆探取心施工方法

李培林， 饒劍輝， 高亭亭， 任曉順， 劉莎莎， 孫秀梅， 王建鵬， 歐陽博

(河北省地礦局第七地質(zhì)大隊，河北 三河 065201)

0 引言

童亭煤礦是淮北礦業(yè)股份有限公司的生產(chǎn)礦井。于1979年10月1日動工興建，礦井共設(shè)計17個采區(qū)，1989年7月1日建成移交，同年11月30日正式投入生產(chǎn)。經(jīng)過多年開采，礦區(qū)下方已形成大量采空區(qū)，在上覆壓力和地下水等因素的作用下，開采區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)煤層軟化失去強度現(xiàn)象，極易導(dǎo)致上覆巖體塌陷、冒落，形成滑坡，目前地表已出現(xiàn)塌陷，對礦區(qū)內(nèi)生產(chǎn)生活造成極大安全隱患。為查明更深地層礦化體的產(chǎn)狀、形態(tài)、厚度及地質(zhì)特征，進一步了解地層情況，為煤礦開發(fā)時地下巷道的進一步開發(fā)和深層煤層開采提供安全性指標，2017年安徽省淮北市童亭煤礦進行2017地面補勘工作，開采區(qū)內(nèi)共安排20余個鉆孔，鉆孔深度600～1000 m，項目吸引了11家鉆探施工隊伍，我隊作為其中之一，承擔(dān)了2017-5、2017-9、2017-10、2017-11、2017-18、2017-27、2018-觀1等鉆孔的鉆探施工任務(wù)。

1 礦區(qū)概況

1.1 位置及交通

童亭煤礦位于淮北市濉溪縣境內(nèi)淮北煤田臨海童礦區(qū)北部，西北部與臨渙煤礦相鄰，東與楊柳煤礦接壤，礦井面積約23.75 km2童亭煤礦東距京滬鐵路宿州站約30 km，煤礦西部10 km有青阜鐵路通過符夾線鐵路與京滬鐵路、隴海鐵路干線相接，區(qū)內(nèi)青蘆支線已建成，公路可直通徐州、宿州、淮南、阜陽、六安、河南永城。

1.2 地形、地貌特征及水文

礦區(qū)內(nèi)地勢平坦，地表自然標高+25～+28 m，相對高差≯3 m?？傮w表現(xiàn)為北高南低之勢，均為186.50～291.76 m的厚層新生界松散層覆蓋。礦區(qū)中部有澮河流過，屬淮河水系，流量受季節(jié)影響，變化較大，雨季可形成內(nèi)澇，積水深度0.50 m。區(qū)內(nèi)農(nóng)用溝渠縱橫交錯，村莊星羅棋布。區(qū)內(nèi)的地表水和地下水較豐富，能滿足礦井開發(fā)的需要。

由于井下煤層開采造成地表沉降，目前已逐步形成了面積約4.06 km2的塌陷區(qū)，積水深度隨季節(jié)性變化較為明顯，一般深度0.5～4.2 m。

1.3 地層

1.3.1 覆蓋層

本礦區(qū)為全掩蓋區(qū)，新近系、第四系厚度變化不大，一般在220～250 m，區(qū)內(nèi)地勢平坦，潛水面較淺，在潛水面下3～5 m，多為砂質(zhì)粘土或粘土質(zhì)砂與粉砂互層，本區(qū)屬華北型晚古生代含煤盆地，二疊紀煤系沉積相對穩(wěn)定。童亭煤礦位于童亭背斜北部轉(zhuǎn)折端。

1.3.2 礦井地層

礦井內(nèi)無基巖出露，均為較厚的松散層所覆蓋，石炭系、二疊系為含煤地層。經(jīng)鉆孔揭露，地層由老到新有奧陶系、石炭系、二疊系、新近系和第四系。

1.3.3 含煤地層[1]

區(qū)內(nèi)煤系地層總厚度約1143 m，共含煤23層之多。據(jù)統(tǒng)計，礦井平均煤層總厚度23.51 m，含煤系數(shù)2.06%。由石炭系太原組(C3t)、二疊系(P1s、P1xs、P2ss)組成，為一套連續(xù)的海相、過渡相及陸相的碎屑巖和可燃有機巖沉積。

石炭系太原組(C3t)，根據(jù)鄰近礦井鉆孔揭露，太原組地層厚度為128.16～134.47 m，平均131.31 m，由灰-淺灰色石灰?guī)r、灰色砂巖、灰-深灰色粉砂巖、深灰色泥巖和薄煤層組成。其下部為本溪組C2b紫紅色含少量菱鐵鮞粒的鋁質(zhì)泥巖。

二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)，與下伏太原組地層連續(xù)沉積，厚75.19～189.71 m，平均厚度139.50 m，以砂巖、粉砂巖為主，頂部與底部以泥巖為主。層理發(fā)育，灰-深灰色。本組含煤三層(組)。

二疊系下統(tǒng)下石盒子組(P1xs)，與山西組連續(xù)沉積，平均厚為263.0～336.5 m。其下部以灰-灰白色粉砂巖、泥巖為主，巖性主要為灰-深灰色粉砂巖、泥巖及砂巖。本組含煤5層(組)。

二疊系上統(tǒng)上石盒子組(P2ss)，與下石盒子組整合接觸，平均厚度552.50 m。上部以巨厚層灰色石英砂為主的泥巖、粉砂巖，細粒、中粒、粗粒砂巖組成，下段：主要由粉砂巖、泥巖組成，中粒、細砂巖次之，本組含煤三層(組)。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

童亭煤礦位于淮北煤田的中部，臨渙礦區(qū)的中部，宿北斷裂、光武-固鎮(zhèn)斷裂東西向斷裂和太和-五河斷裂、固鎮(zhèn)長豐斷裂、北東向斷裂內(nèi)，童亭背斜的北部轉(zhuǎn)折端，它是礦區(qū)構(gòu)造的有機組成成分，受區(qū)域構(gòu)造的控制。

褶曲：主要褶皺有陳樓背斜、周小莊向斜、五里谷堆背斜、陳圩孜向斜，但對采區(qū)劃分影響不大。由于褶曲的影響，本礦井煤層走向變化較大(0°～180°)，且局部發(fā)育次級小褶皺，對采區(qū)的劃分有一定的制約。但由于褶曲較為寬緩，對采區(qū)的正常劃分影響不大。

斷層：本區(qū)斷層較發(fā)育，主要斷裂構(gòu)造有三組，一組是童亭背斜的同序次級構(gòu)造；再一組是北東向趙口斷層及其伴生斷層；第三組是孟集“入”字型構(gòu)造，包括孟集斷層、F10、F11、F12、F13、F15、F16等斷層。

至2014年底，根據(jù)鉆探、測井、地震資料組合，落差≥10 m的斷層141條，其中落差≥100 m的11條，50 m≤落差<100 m的12條，20 m≤落差<50 m的45條，10 m≤落差<20 m的73條。落差<10 m斷層約702條。斷層性質(zhì)以正斷層為主，逆斷層僅7條。

本礦小型構(gòu)造比較發(fā)育，小斷層、小褶曲數(shù)量非常多，已成為影響礦井生產(chǎn)的重要因素。由于小構(gòu)造發(fā)育，機械化采煤難度較大，嚴重制約了礦井產(chǎn)量和經(jīng)濟效益。

巖漿巖：礦井可采煤層3、51、52、7、81、82、10煤都有巖漿侵入現(xiàn)象。破壞了煤層的結(jié)構(gòu)，改變了煤層的厚度，使煤的變質(zhì)程度提高，局部煤層因蝕變?yōu)樘烊唤够虮煌涛g而失去工業(yè)價值。均為中基性的淺成巖，主要有輝綠巖、閃長巖、閃長玢巖和脈巖(煌綠巖)。

2 鉆探技術(shù)要求及鉆孔[2]

(1)鉆探側(cè)重控制可采煤層的厚度、結(jié)構(gòu)和可采范圍，完成煤質(zhì)、水文地質(zhì)、其它開采技術(shù)條件和有益礦產(chǎn)等各種采樣及試驗任務(wù)；

(2)該鉆孔設(shè)計孔深600～1000 m，直孔，終孔直徑95 mm,鉆孔彎曲度2°/100 m，初步要求全孔取心，覆蓋層取心率≥60%，基巖取心率≥75%，礦層取心率≥90%。

3 技術(shù)難點分析

童亭煤礦地區(qū)多種因素使鉆探難度加大，縮徑問題、護壁問題、取心問題、漏失問題、孔斜問題困難是本鉆探項目必須解決的鉆探難題。

童亭煤礦地層以煤系地層等軟巖為主，位處斷裂帶上，地層巖性復(fù)雜，小構(gòu)造十分發(fā)育；覆蓋層多為砂層和粘土層，均為難成孔地層。

同時，歷史資料記載,安徽省北部地區(qū)自公元925年以來發(fā)生有感地震40余次,其中從1960年以來,發(fā)生較大的地震有8次，加大了地層破碎程度；經(jīng)過多次地震后覆蓋層較常規(guī)更加松散疏松，鉆孔易坍塌，易嚴重縮徑、漏失和涌水，形成大肚子。

建井期與生產(chǎn)期所施工的采掘工作面更是嚴重破碎地層原有構(gòu)造，形成眾多采空區(qū)，該礦區(qū)上部煤層 (采空區(qū))的埋深130～170 m。出現(xiàn)了不同程度的高地壓現(xiàn)象，尤其進入中煤組的生產(chǎn)，高地壓現(xiàn)象更加突出，造成地層壓力極大，出現(xiàn)地層下沉；煤礦開采完成形成采空區(qū)后，在上覆壓力和地下水等因素的作用下，煤柱和開采區(qū)兩側(cè)的煤層軟化，失去強度，導(dǎo)致上覆巖體塌陷、冒落，形成滑坡；在礦山開采過程中，采空區(qū)圍巖受爆破震動影響導(dǎo)致巖體裂隙發(fā)育，造成基巖地層破碎嚴重、坍塌、縮徑、漏水嚴重、斷層泥多、煤層碎。

以往鉆探地質(zhì)資料顯示，礦區(qū)局部地段易發(fā)生井巷工程地質(zhì)問題，工程地質(zhì)條件類型是層狀碎屑巖類(Ⅲ)復(fù)雜型。該礦區(qū)詳、精查階段巖心采取率低，取心質(zhì)量較差。礦井鉆孔歪斜較為嚴重，最大孔斜8°～20°(補勘8號孔、186號孔)，孔斜超過5°的鉆孔多達89個，且均為1968年后施工鉆孔，占鉆孔總數(shù)的46.4%，建井期首采區(qū)補勘共計9個孔，歪斜角全部大于5°，補勘8號孔孔斜角在全礦井最大，達20°。

4 設(shè)備與工藝方法的選擇

4.1 施工設(shè)備

根據(jù)鉆孔設(shè)計要求及地層情況，選用HXY-6B型鉆機，BW-320型泥漿泵，配23 m四腳鉆塔，配備泥漿除砂器具振動篩。施工地點屬于礦區(qū)，動力電充足，選用電動機為動力。

4.2 鉆孔結(jié)構(gòu)及鉆進方法

根據(jù)該地區(qū)地層情況，決定正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進鉆進成孔、采用加強優(yōu)質(zhì)泥漿護壁工作、加大的三級孔徑鉆孔結(jié)構(gòu)(?152 mm開孔)和繩索取心鉆進煤系地層直到終孔。但第一孔施工遇到一定困難，對成孔工藝進行了改進完善，確定一開采用?172 mm開孔[1]。

4.2.1 一開施工

2017-5孔為第一個鉆孔，針對覆蓋層第四系土層、泥包、卵石大及采用稠泥漿等情況，將常規(guī)?150 mm口徑加大至?152 mm，并準備了硬質(zhì)合金鉆頭和鋸齒金剛石鉆頭進行開孔單管鉆進，采用自主研發(fā)的軟土層鉆進取心專用鉆具，并加大泥漿密度及降低失水量以穩(wěn)定孔壁，鉆進參數(shù)采用輕壓慢轉(zhuǎn)和小泵量66～90 L/min，鉆壓盡量小于10 kN，轉(zhuǎn)速96 r/min,準備鉆至基巖面，下入?146 mm套管護壁[3]。

但實際覆蓋層鉆進縮徑現(xiàn)象比預(yù)想要嚴重得多。雖然通過加大孔徑、加大泥漿密度方法使鉆進和提下鉆取心尚能正常進行，但在完成71 m后按照采用常規(guī)方法下入?146 mm套管(已穿過10 m以后的漏失層，地層較為穩(wěn)定)，下入20 m時就遇到了困難，經(jīng)過分析仍是縮徑現(xiàn)象嚴重造成，由于下套管輔助時間長，擰卸效率較低，同時還要控制下放速度，造成時間間隔過長，而孔徑一直保持縮徑趨勢，僅20多米的套管下放時間內(nèi)，已使孔徑縮至小于146 mm套管了，此時無法繼續(xù)下放，距孔底接近50 m。

最后經(jīng)研究決定采用跟管鉆進的方法下入，具體辦法如下：

將?146 mm套管全部取出，下入跟管鉆頭，運用鉆機旋轉(zhuǎn)將套管逐根下入。由于有泥漿循環(huán)，所以跟管鉆進解決此問題效果非常好，克服了覆蓋層鉆進縮徑造成下套管難的問題。

吸取2017-5孔的經(jīng)驗教訓(xùn)，隨后鉆孔一開施工采用?172 mm鉆頭開孔，鉆進20多米后下入?168 mm套管20 m，隨后則采用?152 mm鉆頭進行二開鉆進[1]。

4.2.2 二開施工

除了第一個鉆孔2017-5孔采用加大至?116 mm金剛石鋸齒鉆頭開孔單管鉆進，保持泵量60 L/min，全程運行泥漿除砂器具和振動篩，減小泥皮厚度；隨時調(diào)整泥漿參數(shù)，減小泥漿粘度，保證巖心管的正常打撈和投放；增大鉆進參數(shù)，壓力控制在1.5～2.5 kN，增大轉(zhuǎn)速至177 r/min，施工至200 m穿過了采空區(qū)后，直接采用跟管鉆進方法下入?114 mm套管對采空區(qū)進行封堵。

隨后的鉆孔采用?152 mm金剛石鋸齒鉆頭二開鉆進到220～240 m，后采用跟管鉆進方法下入?114 mm套管，這種大開小下的方法比較適應(yīng)縮徑地層，提高了下套管速率，克服了縮徑造成的套管下放難題，同時由于縮徑現(xiàn)象使孔徑與套管組合配不合理缺點消除，在鉆進實際中未發(fā)生套管不穩(wěn)現(xiàn)象。

4.2.3 三開施工

采用?95 mm繩索取心鉆具，并將鉆頭口徑加大至?98 mm，專門訂制底噴金剛石鉆頭減輕沖洗液對巖心的沖刷，泵量依舊采用66 L/min，鉆壓控制在1.5～2.5 kN，提高轉(zhuǎn)速至357 r/min左右，實際應(yīng)用表明該參數(shù)較為合理，鉆進時效達到2～3 m/h，鉆頭壽命基本能到80～100 m[4]。

5 取心工藝

針對基巖段和煤層破碎且膠結(jié)度差，易造成煤層取心時煤層被沖洗液沖散的特性，為滿足取心要求，全孔采用正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進方法及多種措施，取心時基本能達到100%，巖心樣原狀性好，破壞小，見圖1，解決了取心難等問題[4]。

圖1 童亭煤礦鉆探取心巖樣

5.1 松軟土層專用單管鉆進取心工具

覆蓋層采用本單位開發(fā)的松軟土層專用單管鉆進取心工具，該鉆具設(shè)計專用水路轉(zhuǎn)換接頭和特制卡簧能夠適應(yīng)鉆進過程改變沖洗液流向。如圖2所示，該專用接頭在鉆進時滑套同鉆桿接頭壓緊，上水眼封閉，沖洗液通過下水眼后附于巖心管內(nèi)壁下行，通過卡簧外水槽先進入單管鉆頭底噴水眼，避免沖洗液從中心直接沖刷巖心，從而提高取心效果。提鉆取心時，滑套脫離鉆桿接頭，換流接頭下水眼封閉上水眼開通，使鉆桿內(nèi)液體順鉆具外流入孔內(nèi)，能大幅消除提鉆時沖洗液“激動”壓力對孔壁的破壞，并減輕提鉆載荷，防止孔口濺漿。本鉆具經(jīng)過我單位長期應(yīng)用實踐，使用效果很好[5]。

圖2專用單管鉆進取心工具

Fig.2Specialsinglepipeforcoredrillingtool

5.2 ?95 mm繩索取心鉆具

基巖及煤系地層采用本單位開發(fā)的?95 mm繩索取心鉆具，鉆具采用上下軸承及上下密封，單動性能較好，在使用過程中，堅持每百米更換軸承，才能保證鉆具性能充分發(fā)揮，減少了巖心所受振動，取心效果較理想。

5.3 底噴繩索取心鉆頭[6]

煤系地層特別加工底噴繩索鉆頭，采用梯齒唇面加強定心性，采用斜水口降低循環(huán)阻力，增強沖刷效果，防止糊鉆。配合小泵量，低轉(zhuǎn)速，有效減輕了沖洗液對巖心沖蝕，見圖3。

5.4 高粘度、低失水沖洗液

采用高粘度、低失水沖洗液體系在穩(wěn)定孔壁的同時也穩(wěn)定了和孔壁相同性質(zhì)的巖心，對巖心發(fā)揮了一定保護性[7]。

圖3 螺旋水口梯齒底噴鉆頭

6 沖洗液的配制與應(yīng)用

全孔采用粗分散、高密度沖洗液護壁，全孔嚴格控制沖洗液的各項技術(shù)參數(shù)，隨地層變化隨時調(diào)整，確保鉆孔孔壁完整，泥皮在鉆桿內(nèi)壁不至于過厚、影響巖心的打撈和投放，防止由于地層應(yīng)力大而引起的縮徑、坍塌等問題?；鶐r段采用?95 mm繩索取心、配粗分散高密度沖洗液(初次實驗，效果良好)，金剛石鉆進。通過全程運用振動篩，使沖洗液保持了較低的含砂量，保證了沖洗液性能穩(wěn)定[7-8]。

6.1 覆蓋層單管鉆進用沖洗液

由于煤炭開采，地面沉陷嚴重，地層壓力大，縮徑嚴重，第四系覆蓋層采用加大密度和降低失水量的沖洗液，并嚴格控制和維護沖洗液性能。

本孔覆蓋層鉆進的沖洗液基本配比：10%～11%紅鈉土+0.5%～1%腐植酸鉀+0.5%～1%護壁劑+2‰～3‰低粘CMC+適量的重晶石粉。

沖洗液性能參數(shù)：密度1.13～1.17 g/cm3，失水量≤10 mL/30 min，粘度50～70 s，pH值9～12，含砂量<1%。

6.2 基巖段繩索鉆進用沖洗液

基巖段沖洗液配比：2%～4%紅鈉土+0.5%～1%腐植酸鉀+0.5%～1%護壁劑+0.5%～1%低粘CMC。

沖洗液性能參數(shù)：密度1.02～1.04 g/cm3，失水量≤12 mL/30 min，粘度30～40 s，pH值9～12，含砂量<1%[7]。

7 防斜措施[9]

針對本地區(qū)以往鉆孔易發(fā)生孔斜情況，采用一系列措施保證孔斜不超標。

(1)鉆機的安裝及開孔是提高孔身質(zhì)量的前提，我隊嚴把鉆機安裝關(guān)，堅持班長、機長、項目負責(zé)三級檢查，對于機臺平整和天車、立軸、孔口三點一線嚴防死守，同時堅持規(guī)范操作，嚴格執(zhí)行規(guī)程和鉆孔設(shè)計要求，通過不定期抽查來保證工藝的執(zhí)行，杜絕人為造成的孔斜及其它問題。

(2)采用三級孔徑，盡量減少換徑次數(shù)，減少孔斜機率。

(3)提高鉆具剛度，增強鉆具的導(dǎo)向和穩(wěn)定性。

①在覆蓋層鉆進也采用剛度較大的?91mm繩索墩粗鉆桿和厚壁短巖心管(127 mm×113 mm，5 m)防止孔斜發(fā)生。

②采用扶正導(dǎo)向能力較強的梯齒形唇面金剛石鉆頭和上下雙重擴孔器增加鉆柱下端鉆進穩(wěn)定性。

③鉆穿采空區(qū)即采用小間隙的繩索取心鉆進工藝。

(4)合理選取鉆進參數(shù)。鉆壓過大會使鉆柱彎曲，轉(zhuǎn)速過高、泵量過大會使孔徑?jīng)_大，導(dǎo)致環(huán)空間隙增大，2種情況均有可能導(dǎo)致孔斜增大，所以確定了原則上輕壓慢轉(zhuǎn)的鉆進參數(shù)。

8 施工難題及解決辦法

8.1 采空區(qū)套管斷裂問題

2017-5孔下入?114 mm套管后，采用?95 mm繩索取心鉆進時，?114 mm套管在采空區(qū)段發(fā)生了斷裂，下鉆到斷裂處下不去，而且不返沖洗液，無法正常施工。采用常規(guī)注水泥方法灌注幾次，水泥漿全部順采空區(qū)流失。

解決辦法：將鉆桿全部提出鉆孔，按普通425水泥∶水=0.4∶1的比例調(diào)配水泥漿，攪拌至接近不能流動狀態(tài)，直接從孔口倒入，水泥漿在自重和孔內(nèi)抽吸力作用下迅速到達孔底。盡量多注入一些，由于注入的加稠水泥漿粘度大，等到套管斷裂處流動性降至更低，不會流入采空區(qū)過多，加之采空區(qū)經(jīng)過幾年的沉陷，基本空隙不大，所以加稠水泥漿能將套管和地層固定。待加稠水泥漿凝固后開始下鉆掃孔，沖洗液能循環(huán)正常。將開裂的套管強行掃下，取出半片事故套管。然后采用常規(guī)注水泥的方法將下部事故套管固定，保證能正常施工[10]。

8.2 基巖地層嚴重漏失問題

此地層基巖段由于常年的煤炭開采，造成地層嚴重破碎、漏水，通過調(diào)節(jié)沖洗液性能解決巖層破碎段孔壁掉塊問題，有一定效果。

但有些層段漏失問題非常嚴重，經(jīng)常出現(xiàn)失返性漏失，水位無法測量，采用常規(guī)注水泥漿護壁無效果。最后吸取處理采空區(qū)套管事故方法的經(jīng)驗，使水灰比達到0.4∶1，大幅降低了水泥漿流動度性，能夠迅速封堵破碎地層，采用孔口直接傾倒法克服了泵送的困難，這種方法取得了很好的效果，幾次漏水都成功堵住。值得注意的是水泥漿量宜多不宜少，計算時所采用的附加系數(shù)均超過2.4，同時壓漿水灌至孔口，便于觀測[11]。

9 鉆進的技術(shù)效果

通過上述手段和方法，圓滿完成了鉆探任務(wù)。全孔鉆孔彎曲度為2°；巖心綜合采取率達85%，6層煤層采取率全部在95%以上，沒有打丟任何煤層；各巖心與地層情況明了，為煤層開采時的安全評估提供了有利的資料支持。與同礦區(qū)的其它機臺相比，綜合鉆探效率提高近1倍。

10 結(jié)語

童亭煤礦礦區(qū)施工取得了較好效果，筆者認為我隊在一些技術(shù)方面采取的措施是保證順利鉆探取心任務(wù)的關(guān)鍵。

(1)選用的鉆頭鉆具較為適合。本次鉆進均選用我隊開發(fā)的新產(chǎn)品，尤其是覆蓋層的單管鉆具具有鉆進及提鉆中能保護巖心、提下大鉆時不抽拉鉆孔的特點，能有效提高巖心采取率和防止造成孔縮、孔塌。

(2)采用繩索取心工藝終孔，發(fā)揮了繩索鉆進“三高一低”的優(yōu)越性，有效提高了鉆探效率和巖心采取率，而在同礦區(qū)施工中，本隊是唯一采用繩索取心鉆進終孔的隊伍。

(3)同時大打小下適用于縮徑極其嚴重地層，加稠水泥漿孔口直接傾注灌注方法適用于嚴重漏失不返水的地層，我們認為值得推廣應(yīng)用。

(4)嚴格管理是所有技術(shù)措施能夠發(fā)揮效果的基礎(chǔ)，我隊是有多年施工經(jīng)驗的專業(yè)鉆探隊伍，鉆工技術(shù)水平較高，能夠嚴格遵守規(guī)范，保證了技術(shù)措施和事故處理方法能夠發(fā)揮效果。