煤田地質(zhì)鉆探技術(shù)特點(diǎn)與方式解讀

李福生

摘 要：在開采煤炭資源的過程中，煤田勘探有助于了解當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)特征，從而保證整個(gè)煤田開采工作的順利開展。目前，我國煤田地質(zhì)勘探技術(shù)以物探、鉆探和遙感等技術(shù)為主，且發(fā)揮了預(yù)防煤礦水災(zāi)事故、瓦斯事故、頂板事故等安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。為了推動(dòng)煤田地質(zhì)勘探事業(yè)的發(fā)展，本文主要探究煤田地質(zhì)鉆探技術(shù)及其特點(diǎn)，以期為實(shí)現(xiàn)我國煤炭安全生產(chǎn)目標(biāo)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：煤田地質(zhì);鉆探;應(yīng)用研究

中圖分類號(hào)：P624 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）04-0171-02

0 前言

在煤炭工業(yè)中，地質(zhì)勘探是基礎(chǔ)。自1949年新中國成立至今，我國先后開展了三次全國煤田預(yù)測工作，借此揭示了我國煤炭資源的總體分布規(guī)律與煤炭資源總量。同時(shí)，我國煤炭資源勘探在滿足煤炭工業(yè)戰(zhàn)略西移需求的基礎(chǔ)上，建立了地球物探與鉆探結(jié)合的綜合勘察技術(shù)體系，為我國規(guī)劃建設(shè)大型煤炭基地提供了資源保障，并為國家經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展提供了資源基礎(chǔ)。但在“富煤、少油、缺氣”能源資源稟賦特點(diǎn)的制約下，我國短時(shí)間內(nèi)無法改變煤炭資源的基礎(chǔ)地位。所以，按照黨的“十九大”的指示，煤炭工業(yè)應(yīng)從高速增長轉(zhuǎn)變?yōu)楦哔|(zhì)量質(zhì)量，同時(shí)煤炭資源勘查的工作任務(wù)應(yīng)從發(fā)現(xiàn)與查明煤炭資源轉(zhuǎn)變?yōu)楸Ｕ习踩G色開采與清潔高效利用。在這一社會(huì)背景下，本文首先介紹幾種煤田地質(zhì)鉆探技術(shù)，然后再進(jìn)一步分析我國煤田地質(zhì)鉆探的常見問題，并提出針對(duì)性的建議。

1 煤田地質(zhì)鉆探技術(shù)

地質(zhì)鉆探是一項(xiàng)用鉆探工藝與專業(yè)機(jī)械設(shè)備鉆取地下巖礦心，用以為地質(zhì)礦產(chǎn)資源參數(shù)做出可靠評(píng)價(jià)的地質(zhì)工程，其目的是為了查明地下的地質(zhì)狀況。與普通地質(zhì)勘察相比，煤田地質(zhì)鉆探具有更高的難度，其中常會(huì)遇到深孔鉆探、塌孔和瓦斯問題，從而嚴(yán)重威脅到了煤田地質(zhì)鉆探效果。為此，本文從以下方面簡述煤田地質(zhì)鉆探技術(shù)。

1.1 繩索取芯鉆探技術(shù)

資料顯示，我國于20世紀(jì)70年代開始鉆研繩索取芯鉆探技術(shù)，并在兩年后成功鑒定驗(yàn)收了S56繩索取芯鉆具。自此以后，我國相繼推廣應(yīng)用了液動(dòng)潛孔錘和液動(dòng)潛孔錘螺桿鉆等新型鉆具，且應(yīng)用效果顯著。其中，繩索取芯鉆桿一般由42MnMoB材質(zhì)的桿體、30CrMnSiA材質(zhì)的接頭組成，并由不對(duì)稱螺紋連接，從而保障了鉆桿的鉆速快、鉆頭壽命長和時(shí)間利用率高。研究表明，繩索取芯鉆探技術(shù)有助于縮短升降鉆輔助時(shí)間，并提高了鉆進(jìn)效率。但在繩索取芯鉆探中，如果巖礦芯發(fā)生堵塞現(xiàn)象，要求第一時(shí)間打撈巖礦芯，以免其被磨蝕，注意保持巖礦芯打撈全程的平穩(wěn)狀態(tài)及防止脫落。

1.2 液動(dòng)潛孔錘鉆探技術(shù)

液動(dòng)潛孔錘鉆探的原理為：按照回轉(zhuǎn)鉆探要求，用配套泥漿泵輸送后驅(qū)動(dòng)沖洗液，用以沖擊用于破碎巖石的鉆頭，從而使鉆頭回轉(zhuǎn)鉆探。對(duì)于液動(dòng)潛孔錘鉆探技術(shù)，自1958年開始研究至今，我國已經(jīng)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)做了60年的應(yīng)用研究。研究表明，在煤田地質(zhì)鉆探中，液動(dòng)潛孔錘鉆探技術(shù)有助于提高鉆進(jìn)效率，且與回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)相比，該項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用在堅(jiān)硬巖層和復(fù)雜巖層中，同時(shí)無需調(diào)節(jié)設(shè)備結(jié)構(gòu)及可與減震穩(wěn)流平壓的空氣室聯(lián)合應(yīng)用，從而提高了整項(xiàng)技術(shù)的性能。

1.3 反循環(huán)鉆探技術(shù)

反循環(huán)鉆探是一種基于金剛石繩索取芯鉆探的地質(zhì)鉆探技術(shù)，其原理為：將空氣中心取樣與水力反循環(huán)應(yīng)用于同一個(gè)鉆孔中，并用同一套鉆具進(jìn)行鉆進(jìn)轉(zhuǎn)換。研究表明，通過應(yīng)用反循環(huán)鉆探技術(shù)，拓展了應(yīng)用范圍，且可采用水力、空氣反循環(huán)方式，其中空氣反循環(huán)的原理為：雙壁鉆桿利用內(nèi)、外管環(huán)隙向孔底輸送壓縮空氣，同時(shí)利用鉆桿中心通道向地表輸送潛孔錘驅(qū)動(dòng)的氣體、巖屑，此時(shí)僅需分析巖屑，便可掌握地下地質(zhì)狀況。但煤田反循環(huán)鉆探技術(shù)一般與其他技術(shù)聯(lián)合使用，因?yàn)槠扑榈膸r屑對(duì)地層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造的反映并不全面。

1.4 空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)

空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)是一種以氣液混合泡沫流體為沖洗介質(zhì)（由少量泡沫劑、液體和氣體組成）的鉆進(jìn)技術(shù)，其適用于復(fù)雜地區(qū)或地層，如供水難的地區(qū)、漏失地層、雨水膨脹或縮徑或坍塌地層、弱膠結(jié)怕沖刷巖層、水凍地層等，從而解決了護(hù)壁難和鉆孔漏失嚴(yán)重的技術(shù)難題。與泥漿清水鉆進(jìn)技術(shù)相比，空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)具有特殊性，表現(xiàn)在鉆壓、轉(zhuǎn)速、發(fā)泡劑濃度、氣液比等方面，見表1。

1.5 定向鉆進(jìn)技術(shù)

定向鉆進(jìn)技術(shù)是指用鉆孔自然彎曲規(guī)律或用人工導(dǎo)斜工具使鉆孔按設(shè)計(jì)的軌跡彎曲，以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)及其他工程目的的鉆進(jìn)方法。在煤田地質(zhì)定向鉆進(jìn)中，可采用以下定向方法：直接定向，即按規(guī)定的角度使造斜工具面向某一特定的方向定向;間接定向，即根據(jù)測知的造斜點(diǎn)鉆孔方位角與頂角，先算得造斜工具面與鉆孔傾斜面的夾角，再使造斜按工具面向角定位，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁北方向定向;隨鉆定向（MWD），即先在鉆桿柱中安放好測斜定向儀，再在鉆進(jìn)的同時(shí)，連續(xù)測知鉆桿的方位、頂角和造斜工具面向，用以調(diào)節(jié)造斜工具面向和控制造斜方向。應(yīng)用表明，定向鉆進(jìn)技術(shù)具有節(jié)省鉆探進(jìn)尺、提高鉆探質(zhì)量、降低防斜與糾斜耗費(fèi)、防止孔斜超差等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于地面作業(yè)受限、地質(zhì)條件要求嚴(yán)格和具有特殊工程技術(shù)要求的情況下。

2 煤田地質(zhì)鉆探的常見問題

在煤田地質(zhì)鉆探中，通常會(huì)出現(xiàn)深孔、塌孔和瓦斯等問題，從而嚴(yán)重威脅到了我國煤礦安全生產(chǎn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。下面，筆者首先分析煤田地質(zhì)鉆探常見問題的表現(xiàn)，然后進(jìn)一步提出解決辦法。

2.1 深孔問題

在煤田地質(zhì)鉆探中，深孔問題嚴(yán)重影響了鉆探施工進(jìn)程。為此，首先要求從煤田的地質(zhì)條件、巖石的物理特性、工程施工量與施工工期等角度合理選擇鉆探機(jī)具;其次，煤礦地質(zhì)鉆探要求從煤系中快速穿過，以免因長時(shí)間停留而引發(fā)鉆孔問題，所以需要選擇高性能的鉆探機(jī)具及按規(guī)范操作;第三、在選擇鉆機(jī)時(shí)，留足鉆機(jī)的能力空間;第四、在深孔鉆探中，合理選擇鉆具和鉆桿，其中老地標(biāo)系列和內(nèi)外平全加厚鉆桿都不適合在深孔鉆探中使用，因?yàn)榍罢咭蚪z扣連接短、強(qiáng)度低而易被折斷或彎曲，而后者耐磨性差且維修更換不便。

2.2 塌孔問題

在煤田地質(zhì)鉆探中，塌孔約占鉆探事故總數(shù)的50%，從而嚴(yán)重影響了工程施工進(jìn)度。針對(duì)塌孔問題，究其原因如下：一是地質(zhì)巖層具有不同的硬度，其中在軟巖層鉆探中，推進(jìn)太快如果造成塌孔，從而阻礙巖粉被快速排出;二是如果鉆孔與煤層長距離接觸，容易造成塌孔，從而阻礙煤巖屑被正常排出;三是如果鉆孔從地質(zhì)構(gòu)件變化帶穿過時(shí)遇到硬巖，或是破壞了煤巖的完整性，則在鉆進(jìn)時(shí)掉渣會(huì)堵塞鉆孔，從而導(dǎo)致埋鉆。為了防止發(fā)生塌孔事故，本文提出以下應(yīng)對(duì)建議：首先，如果在鉆探中出現(xiàn)鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)費(fèi)力、鉆孔中返漿弱、顏色混沌且碎石多，可判斷出現(xiàn)埋鉆問題，建議馬上旋轉(zhuǎn)起鉆，直至返漿帶渣減少，而后再慢慢下鉆;此時(shí)，如果鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)費(fèi)力，則反復(fù)第一步的操作，直至鉆機(jī)正常旋轉(zhuǎn);如果以上方法無法徹底解決塌孔問題，且出現(xiàn)了更加嚴(yán)重的塌孔現(xiàn)象，則表明塌孔處巖層較為松軟及其易在水的作用下繼續(xù)塌孔，這定會(huì)增加埋鉆、卡鉆等問題出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，建議起拔鉆桿至安全處;在處理塌孔時(shí)，如果在鉆孔中出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，且鉆孔底部巖石堅(jiān)硬和裂隙發(fā)育，則先向孔中直接注漿，再在漿液凝固2天后繼續(xù)鉆探;如果鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)壓力不斷增加，且鉆孔底的松軟巖層出現(xiàn)塌孔和巖層強(qiáng)度不高，建議馬上拔出鉆桿，并先更換鉆頭，再反復(fù)沖洗鉆孔，然后向鉆孔底注漿至塌孔填滿;如果以上方法仍不起效，建議改用三棱鉆桿，并任用經(jīng)驗(yàn)豐富、技術(shù)嫻熟的鉆探人員，從而提高煤田地質(zhì)鉆探效率。

2.3 瓦斯問題

在我國，50%的煤礦井都是高瓦斯礦井，且在煤田地質(zhì)鉆探中，瓦斯釋放易引起爆炸、燃燒等事故，從而嚴(yán)重威脅到了煤田地質(zhì)鉆探安全生產(chǎn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。另外，我國煤田地質(zhì)鉆探人員對(duì)瓦斯問題的重視程度明顯不夠，導(dǎo)致相關(guān)的安全事故頻發(fā)。為此，首先要求建立完善的安全管理系統(tǒng)，即在政府的扶持下，自籌資金，升級(jí)改造技術(shù)設(shè)備和瓦斯抽采系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和防塵滅火系統(tǒng)，從而保障煤礦的安全生產(chǎn);其次，嚴(yán)格管理煤田地質(zhì)鉆探現(xiàn)場，并實(shí)施安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，施行地面與井下相結(jié)合的抽采方式;第三、突破技術(shù)障礙，即在高瓦斯礦井中，應(yīng)用巷道、鉆孔抽放技術(shù)來防治瓦斯，見表2。

在高產(chǎn)、高效礦井中，企業(yè)一般采用綜合抽方法，目的是為了降低瓦斯風(fēng)險(xiǎn)及防止在煤田地質(zhì)鉆探中出現(xiàn)瓦斯事故。

3 結(jié)語

從上個(gè)世紀(jì)80年代以來，我國煤炭工業(yè)的發(fā)展非常迅速，其中煤田地質(zhì)勘探技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從表面勘探到更深、更寬的方向?qū)哟伟l(fā)展。關(guān)于我國煤田地質(zhì)勘探技術(shù)的發(fā)展，筆者整理得出以下結(jié)論：首先，綜合創(chuàng)新鉆探技術(shù)手段，為東、西部煤田勘探提供技術(shù)支持;其次，創(chuàng)新發(fā)展水平鉆進(jìn)技術(shù)，更新調(diào)整鉆探裝備，從而推動(dòng)我國煤田地質(zhì)鉆探技術(shù)的深度發(fā)展;第三、推動(dòng)信息技術(shù)在煤田地質(zhì)鉆探領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，以提高我國煤田鉆探的信息化、自動(dòng)化水平;第四、在提升煤田地質(zhì)鉆探技術(shù)的同時(shí)，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，以減輕煤田開采對(duì)整個(gè)生態(tài)環(huán)境的污染程度。

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