水力反循環(huán)取心在煤礦隱伏地質(zhì)異常體探查中的應(yīng)用

趙江鵬

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

煤礦井陷落柱、斷層等地質(zhì)構(gòu)造具有隱蔽性、突發(fā)性、可能導(dǎo)通巖溶地下水等特點(diǎn)，對煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成了潛在威脅[1-3]。為查明煤礦井隱伏地質(zhì)異常體，國內(nèi)很多煤礦運(yùn)用了“地質(zhì)預(yù)判、水質(zhì)預(yù)警、物探圈定、鉆探驗(yàn)證”的綜合探查方法[1,4-5]。通過鉆孔方式獲取高質(zhì)量巖心是鉆探驗(yàn)證和綜合探查方法中的重要工作環(huán)節(jié)。目前，煤礦井下取心主要有提鉆式取心和繩索取心2種方法。提鉆式取心方法使用單層巖心管、雙層巖心管、密閉巖心管等取心工具，存在提、下鉆頻繁，輔助工作強(qiáng)度大的問題[6-10]。繩索取心方法借助打撈工具用鋼絲繩把裝有巖心的內(nèi)管總成提拉出孔外，屬于一種不提鉆的取心方法。大量實(shí)踐證明，繩索取心法施工效率相較于提鉆式取心法，在深孔段增效明顯，在淺孔段無明顯效率優(yōu)勢[11-14]。

對于煤礦回采工作面陷落柱、小斷層等隱伏地質(zhì)構(gòu)造異常體的取心問題，考慮到其孔深只需滿足掩護(hù)300 m超寬工作面的探查要求，若采用進(jìn)回風(fēng)巷雙向施工，孔深150 m以淺即可滿足實(shí)際需求。因此，提出采用水力反循環(huán)取心方法進(jìn)行取心。該取心方法是一種高效的不提鉆連續(xù)取心方法，在地質(zhì)礦產(chǎn)普查和金屬礦山鉆探取心領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用[15-17]。其借助壓水裝置將沖洗介質(zhì)送入孔底，將巖心沿鉆桿中心通道攜帶返出孔外，尤其孔深較淺時(shí)，取心效率優(yōu)勢比較顯著。按照鉆具結(jié)構(gòu)區(qū)分，主要有單壁式和雙壁式2種類型的水力反循環(huán)取心鉆具。單壁鉆具水力反循環(huán)取心主要應(yīng)用于鐵礦、銅礦等金屬礦山坑道取心鉆探，限于金屬礦山坑道尺寸和配套鉆探裝備條件，所配套鉆具規(guī)格較小[15]。雙壁鉆具水力反循環(huán)取心主要應(yīng)用于地質(zhì)礦產(chǎn)普查取心鉆探，所配套鉆具規(guī)格較多[16]。張紹和等將雙壁鉆具水力反循環(huán)取心技術(shù)用于金屬礦山坑道鉆孔取心，采用小口徑φ45/φ27 mm雙壁鉆具，完成了80 m深水平取心孔[17]。因此，綜合考慮到煤礦回采工作面隱伏地質(zhì)異常體探查孔鉆遇的煤層條件、巖層條件、封孔方式、以及配套鉆探裝備水平等影響因素，開展了雙壁鉆具式近水平孔水力反循環(huán)取心方法的研究工作。

1 近水平孔水力反循環(huán)取心技術(shù)

1.1 工作原理

近水平孔水力反循環(huán)取心鉆進(jìn)示意圖如圖1。當(dāng)水力反循環(huán)連續(xù)取心鉆進(jìn)時(shí)，在煤礦井下近水平鉆孔狀態(tài)下，利用鉆機(jī)作為動(dòng)力，為孔內(nèi)鉆具提供給進(jìn)力及回轉(zhuǎn)力，利用泥漿泵作為動(dòng)力，將清水壓入孔內(nèi)攜帶巖心返出孔外，清水循環(huán)途徑為：水箱→泥漿泵→高壓膠管→雙壁送水器側(cè)部注水口→雙壁鉆桿環(huán)隙→取心鉆頭水眼→取心鉆頭中心通道→雙壁鉆桿中心通道→返心膠管→孔外，實(shí)際上，到達(dá)孔底的清水，大部分清水進(jìn)入取心鉆頭中心通道攜帶巖心返出孔外，還有另一部分清水進(jìn)入鉆桿與鉆孔形成的環(huán)狀間隙，攜帶巖屑返出孔外。

圖1 近水平孔水力反循環(huán)取心鉆進(jìn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of hydraulic reverse circulation core drilling for near horizontal borehole

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

同地面垂直孔水力反循環(huán)取心技術(shù)相比，在巖心巖屑輸送、孔底沖洗液流量分配、地層成心和巖心卡堵等方面，煤礦井下近水平孔水力反循環(huán)取心方法呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：

1）巖心、巖屑輸送方面。不同于金剛石取心鉆頭，金剛石復(fù)合片取心鉆頭切削齒破碎的巖屑粒度大[18-19]，在孔底未卡斷巖心的阻隔下，巖屑煤屑基本無法通過鉆頭設(shè)置的水槽和巖心-鉆頭內(nèi)壁環(huán)隙進(jìn)入雙壁鉆桿內(nèi)管流道，因此，鉆具內(nèi)管中心流道僅輸送巖心、煤心、煤塊，巖屑、煤屑需通過鉆孔-鉆具外環(huán)空流道返出孔外。近水平孔孔底流體分流示意圖如圖2。

圖2 近水平孔孔底流體分流示意圖Fig.2 Schematic diagram of fluid diversion at the bottom of a near horizontal borehole

2）沖洗液流量分配方面。對于同一種雙壁鉆具組合，孔底流量分配在煤層孔段和巖層孔段表現(xiàn)出明顯不同的特點(diǎn)。在煤層孔段取心鉆進(jìn)時(shí)，雙壁鉆桿內(nèi)管中心流道分流流量大，約為總注入流量的90%；鉆孔-鉆具外環(huán)空流道分流流量小，約為總注入流量的10%；在巖層孔段取心鉆進(jìn)時(shí)，雙壁鉆桿內(nèi)管中心流道分流流量大，約為總注入流量的70%，鉆孔-鉆具外環(huán)空流道分流流量小，約為總注入流量的30%。

3）地層成心方面。煤層和巖層的受控因素不同。煤層內(nèi)成心的控制因素與鉆具轉(zhuǎn)速、給進(jìn)壓力等鉆進(jìn)參數(shù)的相關(guān)性大，低轉(zhuǎn)速、小給進(jìn)壓力有利于形成煤心柱，高轉(zhuǎn)速、高給進(jìn)壓力條件下則多為煤塊狀、短煤柱狀的煤樣；巖層成心的控制因素與鉆具轉(zhuǎn)速、給進(jìn)壓力等參數(shù)的相關(guān)性較小，在裂隙不發(fā)育巖層孔段，巖心長度受控于鉆頭卡斷機(jī)構(gòu)，長度多為85 mm以上，在裂隙發(fā)育巖層孔段，巖心長度由裂隙發(fā)育程度決定，多為短柱狀巖心。

4）反循環(huán)取心巖心卡堵的主要形式方面。當(dāng)鉆遇煤層、完整巖層孔段時(shí)，不易發(fā)生巖心卡堵，且快速解堵成功率高；鉆遇裂隙發(fā)育巖層孔段時(shí)，主要以翻轉(zhuǎn)卡堵為主，卡堵巖心長度多處于16～26 mm范圍內(nèi)[20]。

1.3 取心鉆具

近水平孔水力反循環(huán)取心鉆具主要包括雙壁鉆桿、取心鉆頭、雙壁送水器和孔口密封裝置等。雙壁鉆具連接方式為：取心鉆頭+若干雙壁鉆桿+雙壁送水器，孔口密封裝置與固定在PVC孔口管上的四通外側(cè)法蘭相連。

1）雙壁鉆桿。近水平孔水力反循環(huán)取心用雙壁鉆桿的結(jié)構(gòu)綜合考慮了坑道鉆機(jī)加桿方式、井下鉆桿常用規(guī)格、供水設(shè)備能力、以及巖心直徑要求等影響因素，設(shè)計(jì)成φ89/φ42 mm外平雙壁鉆桿，內(nèi)管插接密封處設(shè)計(jì)工作壓力不低于6 MPa。其單根長度1.5 m、質(zhì)量26 kg，內(nèi)外管為雙螺紋式的相對固定方式，外管桿體直徑89 mm，外管接頭91 mm，內(nèi)管內(nèi)徑42 mm。

2）金剛石復(fù)合片取心鉆頭。為對比優(yōu)選不同結(jié)構(gòu)取心鉆頭與雙壁鉆桿匹配的使用效果，從鉆頭規(guī)格、刀翼數(shù)、卡斷齒類型、PDC切削齒尺寸及布齒方式、底噴水眼數(shù)量、過水槽數(shù)量、內(nèi)分水眼數(shù)量等多個(gè)方面進(jìn)行不同組合，取心鉆頭主要設(shè)計(jì)有φ98/38 mm、φ105/φ38 mm、φ113/φ38 mm等3種規(guī)格，三刀翼、四刀翼等2種翼數(shù)，PDC切削齒、球齒等2種卡斷齒，以及無卡斷齒等多種組合結(jié)構(gòu)。

3）雙壁送水器。近水平孔水力反循環(huán)取心用雙壁送水器設(shè)計(jì)工作壓力為6 MPa。雙壁送水器外殼內(nèi)側(cè)設(shè)有軸承、心軸、密封圈及內(nèi)管等形成分動(dòng)機(jī)構(gòu)，以使在工作狀態(tài)下內(nèi)管與心軸可同步回轉(zhuǎn)，而其它部件不轉(zhuǎn)動(dòng)。

4）孔口密封裝置?？卓诿芊庋b置內(nèi)設(shè)有高彈性膠筒，設(shè)計(jì)工作壓力為5 MPa。在工作時(shí)，該高彈性膠筒由液力推動(dòng)，將中心套穿的雙壁鉆桿抱緊密封，阻隔鉆孔-雙壁鉆桿環(huán)空流道內(nèi)的流體，迫使流體從四通預(yù)設(shè)的排屑端口流至巖屑處理裝置；在非工作泄壓時(shí)，該高彈性膠筒處于張開狀態(tài)，此時(shí)可直接穿過不大于φ120 mm規(guī)格的鉆頭及鉆具。

1.4 鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

近水平孔水力反循環(huán)取芯鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)主要包括轉(zhuǎn)速、給進(jìn)壓力、供水量等。為有效降低巖心堵塞幾率，取心鉆進(jìn)過程中應(yīng)以低轉(zhuǎn)速、低鉆壓、大供水量的工藝參數(shù)為主。對于該φ89/φ42 mm雙壁鉆具，其鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)為：轉(zhuǎn)速60～100 r/min，給進(jìn)壓力0.5～3 MPa，供水量250～320 L/min。

2 水力反循環(huán)取心應(yīng)用

選用ZDY6500LP全液壓坑道鉆機(jī)，淺孔段采用井下靜壓水管道直接供水方式，較深孔段采用3NB320型泥漿泵供水方式，在寺河西區(qū)礦井開展了穿斷層、穿陷落柱的近水平孔水力反循環(huán)取心現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)地層3#煤和夾矸堅(jiān)固性系數(shù)為1左右，基本頂（粉砂巖-細(xì)砂巖）堅(jiān)固性系數(shù)為6～7，直接頂（泥巖-砂質(zhì)泥巖）堅(jiān)固性系數(shù)為3～4，直接底（砂質(zhì)泥巖）堅(jiān)固性系數(shù)為4左右，基本底（泥巖）堅(jiān)固性系數(shù)為3左右。

2.1 穿斷層水力反循環(huán)取心試驗(yàn)

試驗(yàn)鉆場布置于寺河礦西區(qū)W33013巷13#橫川，共7個(gè)反循環(huán)取心試驗(yàn)鉆孔。穿斷層近水平反循環(huán)取心鉆孔試驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 穿斷層近水平反循環(huán)取心鉆孔試驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Test results of reverse circulation coring hole through fault

從7個(gè)反循環(huán)取心鉆孔試驗(yàn)情況來看，鉆孔總進(jìn)尺為1 033.5 m，其中，取心總進(jìn)尺616.5 m，取心累長486.0 m，綜合取心率78.8%，煤心、煤塊累長205.5 m，煤層取心率89%，巖心累長280.5 m，巖層取心率72.7%；最大回次進(jìn)尺97.5 m。

鉆場試驗(yàn)了多種規(guī)格和多種結(jié)構(gòu)的取心鉆頭，對比分析取心效果可知：①設(shè)置3～4個(gè)底噴水眼的取心鉆頭效果較佳；②和三刀翼取心鉆頭相比，四刀翼取心鉆頭的孔底穩(wěn)定效果好、鉆具孔底振動(dòng)小，取心效果好；③φ98/φ38 mm、φ105/φ38 mm規(guī)格與φ89/φ42 mm雙壁鉆桿的級配效果較好于φ113/φ38 mm規(guī)格。

2.2 穿陷落柱水力反循環(huán)取心試驗(yàn)

試驗(yàn)鉆場布置于寺河礦西區(qū)W33013巷1#橫川，共15個(gè)反循環(huán)取心試驗(yàn)鉆孔。試驗(yàn)鉆孔方位180°、傾角5°、開孔高度2.5 m、孔深50 m。鉆遇陷落柱孔段的巖性為砂巖，裂隙十分發(fā)育，返出巖心多呈短柱狀，裂隙為方解石、赤鐵礦等鈣質(zhì)膠結(jié)物，局部見泥質(zhì)膠結(jié)。

本次試驗(yàn)取心鉆頭為φ98/φ38 mm、φ105/φ38 mm 2種規(guī)格，均為四刀翼、4個(gè)底噴水眼的PDC取心鉆頭。在該共性結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，分別試驗(yàn)考察了不同型式卡斷齒（PDC卡斷齒、球形卡斷齒、無卡斷齒）、不同規(guī)格切削齒（φ8 mm、φ13 mm）、以及無內(nèi)水槽等多種結(jié)構(gòu)類型的取心鉆頭。

依據(jù)該15個(gè)鉆孔的試驗(yàn)過程和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在煤層孔段取心時(shí)未出現(xiàn)過卡堵現(xiàn)象；在穿陷落柱孔段累積長度440.5 m，共出現(xiàn)卡堵28次，平均回次進(jìn)尺15.73 m。其中，設(shè)有卡斷齒的取心鉆頭穿陷落柱孔段累積長度236.5 m，共出現(xiàn)卡堵22次，平均回次進(jìn)尺10.75 m；無卡斷齒取心鉆頭穿陷落柱孔段累積長度204.0 m，共出現(xiàn)卡堵6次，平均回次進(jìn)尺34.。因此，在裂隙發(fā)育巖層孔段進(jìn)行水力反循環(huán)取心，無卡斷齒取心鉆頭的使用效果明顯優(yōu)于設(shè)有卡斷齒的取心鉆頭。

同時(shí)發(fā)現(xiàn)，無論是穿斷層取心鉆孔，還是穿陷落柱取心鉆孔，在煤層孔段進(jìn)行水力反循環(huán)取心鉆進(jìn)時(shí)，受限于3NB320型泥漿泵和礦井靜壓水供水條件，鉆孔-鉆桿環(huán)空煤屑存在難以及時(shí)排出孔外的問題。建議改進(jìn)設(shè)計(jì)具有輔助排屑作用的螺旋槽雙壁鉆具，以增強(qiáng)對鉆孔-鉆桿環(huán)空煤屑的擾動(dòng)作用，減少煤屑在運(yùn)移過程中的沉積，防止在煤層孔段取心過程中的發(fā)生壓桿事故。

3結(jié) 語

通過對比分析煤礦井下鉆探取心方法的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮到回采工作面內(nèi)小斷層、陷落柱等隱伏地質(zhì)異常體探查取心孔孔深較淺的特點(diǎn)，研究了一種近水平孔水力反循環(huán)取心方法。該取心方法同垂直孔水力反循環(huán)取心方法相比，在沖洗液流量分配、孔底成心、巖心巖屑輸送、以及巖心卡堵形式等多方面的技術(shù)特點(diǎn)均有著顯著不同。研制了φ89/φ42 mm反循環(huán)取心鉆具，在寺河西區(qū)礦井配套ZDY6500LP全液壓坑道鉆機(jī)、3NB320型泥漿泵（或靜壓水），施工完成7個(gè)穿小斷層、15個(gè)穿陷落柱的取心探查孔。試驗(yàn)結(jié)果表明:該套反循環(huán)取心鉆具能夠滿足煤礦井下回采工作面隱伏地質(zhì)異常體探查取心鉆孔施工需要，將近水平水力反循環(huán)取心方法應(yīng)用于煤礦隱伏地質(zhì)異常體探查中是一種可行的技術(shù)方案。同時(shí)，針對本次現(xiàn)場試驗(yàn)暴露的缺陷，建議對該取心工藝和配套鉆具進(jìn)行進(jìn)一步深入研究，加大推廣應(yīng)用力度。