北京大安山煤矿井下深孔钻探实践

卢尚春

(北京昊华能源股份有限公司大安山煤矿，北京 102419)

0 引言

大安山井田位于北京市房山区大安山乡，井田面积29.4579 km2，隶属于北京昊华能源股份有限公司。以往的勘探中，地表只有少数钻孔施工至+550 m水平，该水平以下煤层赋存条件未探明(属远景规划资源储量)。为探明下部煤层赋存条件，提高资源储量级别，大安山煤矿与中煤科工集团西安研究院合作进行煤矿井下深孔钻探技术研究。采用中煤科工集团西安研究院生产的ZDY1000G型全液压动力头式坑道钻机、S75绳索取心钻进工艺，进行了500 m孔深钻探试验。

1 地层情况

1.1 地层

大安山煤矿煤系为下侏罗统窑坡组陆相含煤建造，上覆龙门组砾岩，下伏南大岭组玄武岩、凝灰岩、凝灰质粉砂岩、变质岩，地层以缓倾斜为主，倾向NE，主要由深灰色、黑灰色粉砂岩和灰色、浅灰色砂岩及煤组成。岩相以河床相、湖泊相、河流三角洲相为主。

1.2 含煤地层

500 m范围内可采煤层8层，其中薄煤层3层，中厚煤层5层。孔口为15槽顶板粉砂岩。

2 设备选择

2.1 钻机

选择ZDY1000G型全液压动力头式坑道钻机(结构见图1)。该钻机转速高，系煤矿和金属矿井钻探的多种用途的钻孔。既可满足地质勘探、瓦斯抽放、注水及其它硐内工程施工，也可用于地面勘探施工，适用于金刚石、硬质合金钻进和冲击回转钻进。

图1 ZDY1000G型全液压坑道钻机Fig.1 ZDY1000G full-hydraulic tunnel drill rig

该钻机采用分组式布置，全机分主机、泵站、操纵台3大部分，各部分之间用液压胶管连接，摆布灵活，解体性好，在现场拆装和搬迁方便。主要技术参数见表1。

2.2 泥浆泵

试验中选用BW-250/50型泥浆泵，该泵具有压力高、泵量大、工作平稳、安全可靠的特点。

2.3 附属设备及工具

根据本工程特点，选用SJ-X型绳索取心绞车及S75-J型木马夹持器，并采用多点测斜仪。

3 钻具选择

3.1 钻头

选用了3种规格的孕镶金刚石钻头(如图2所示)。

图2 实验钻头Fig.2 Test drilling bits

A型钻头：孕镶热压锯齿形金刚石钻头。金刚石粒度46～70目，金刚石浓度100%，胎体硬度HRC30～35，工作层厚度6 mm，水口数量10个。

B型钻头：电镀锯齿形金刚石钻头。金刚石粒度46～70目，金刚石浓度100%，胎体硬度HRC25～30或35～40，水口数量8个。

C型钻头：JBD-75S仿生金刚石钻头。金刚石粒度35～40、50～60目，金刚石浓度80%，胎体硬度HRC32～38，水口数量8个。

3.2 扩孔器

选用Ø75.5 mm普通孕镶金刚石扩孔器。

3.3 绳索取心钻具

配备3000 mm(长度)×5.5 mm(壁厚)的S71绳索取心钻杆200根。选用S75绳索取心钻具。外管Ø73 mm，内管Ø56 mm，长2000 mm，设计取心长度1900 mm。

4 钻探工艺

4.1 钻场设计和设备安装

4.1.1 钻场设计

钻场设计要根据煤矿井下硐室设计规范和煤矿安全规程，以及钻机和各种附属设备的安装尺寸，同时考虑钻场水、电和通风需要[1]。

4.1.2 设备安装

所有设备到达钻场后，先进行钻机的安装。用地脚螺钉把钻机底座固定在已经凝固好的水泥基座上，接上支撑杆短节，松开机身与前、后横梁及支撑杆与横梁上的锁紧轴瓦螺钉。然后用支撑油缸将机身缓缓顶起到垂直角度，用地质罗盘测量垂直角度无误后，拧紧所有螺栓，然后安装提升架。

将泵站、操作台和泥浆泵放置在有利于安全操作的地方[2]，进行管路的连接。使用专用脚手架及木质材料大板，搭建2层工作台。工作台搭好后安设2层护栏，上、下工作台设有人行梯子，安全带固定在后方较高层护栏中部[3]。给油箱加满油，电源和水源到位后，开机试运行，待所有准备工作完成后，开始正常钻探。钻场的平面布置如图3所示。

图3 钻场布置示意Fig.3 Schematic layout of drill site

4.2 钻进工艺及流程

4.2.1 绳索取心施工流程

开孔用Ø91 mm的单管钻头进尺1.5 m，下Ø89 mm×4.5 mm孔口管，然后用S75绳索取心钻具钻进[4]。

4.2.2 钻进技术参数

4.2.2.1 钻压

绳索取心钻头比普通双管钻头底唇面积大，要求的钻压也相应增大[5]，通常情况下S75钻头所需钻压7～13 kN，具体以孔底压力计算为依据并视孔底地层情况进行调整。

0～260 m孔段采用加压钻进，由于+550 m以下岩层多以粉砂岩和细砂岩为主，针对地层情况，给进压力为0～3 MPa；当孔深≥260 m后，钻具重力超过了钻头所需要的压力，应进行减压钻进。随孔深的增加，逐步调整背压，使钻头压力始终处于合理范围以内[6]。

孔底压力的计算如下：

F钻=4000i(P给-P起)+G头+G杆-4416P泵

式中：F钻——孔底压力，N；i——传动效率，液压缸-链条传动机构的传动效率取0.79～0.82；P给——给进压力表压力，MPa；P起——起拔压力表压力，MPa；G头——动力头重力，N；G杆——钻杆重力，95 (N/m)·L；L——钻杆长度，m；P泵——泥浆泵压力，MPa。

4.2.2.2 转速

转速的选取决定于地层、孔深、钻孔结构及钻具级配等多个因素[7]。由于整个钻孔结构简单，一径到底，环空间隙较小，故在孔深0～300 m时使用高转速钻探，根据岩层的软硬不均，转速变化范围为400～750 r/min。随着孔深的增加，钻杆质量也不断增加，在300 m以深时，转速也逐渐降低，转速变化范围为240～400 r/min。

4.2.2.3 泵量和泵压

绳索取心钻进泵量的确定，应以确保有效清除、携带岩粉和冷却钻头为准[8]。根据规程，S75钻进泵量范围为40～60 L/min。此次试验，开孔及孔深≤20 m段，泵量为36 L/min。其后，选择泵量为52 L/min。

4.2.3 合理使用金刚石钻头

(1)金刚石钻头、扩孔器要排队轮换使用，先用外径大的后用外径小的[9]。

(2)钻头与扩孔器必须合理级配，扩孔器外径应比钻头外径大0.3～0.5 mm。

4.3 冲洗液及护壁堵漏

为防止对地下水的影响，钻探施工中，采用清水作为钻井液。当钻遇松散、破碎的煤层时出现孔壁坍塌，频繁憋泵，采用灌注水泥浆进行加固[10]。

一般选用普通硅酸盐水泥，水灰比为0.3～0.5，注浆时将钻具提离孔底2～3 m，将搅拌均匀后的泥浆从钻杆中间倒入孔底，边倒边提钻[11]，直到记录塌孔处最上层的煤层位置停止注浆，然后将钻具全部提出孔外，并冲洗所有钻杆内壁，防止钻杆内孔水泥浆凝固结垢。随孔深的不同，候凝36～72 h，然后下钻扫孔后进行钻进。试验孔共注浆6次，效果都比较理想。

5 施工效果

5.1 钻孔质量

经验收，钻孔质量达到优良。

(1)岩心采取率。是反映钻探质量的指标，和地层岩性破碎程度、钻探技术和质量控制有关[12]。破碎岩层降低钻速和给进压力，可减少对破碎岩层的扰动[13]。降低取心回次长度可减少岩心管内岩心磨损[14]。通过统计，本孔平均岩心采取率达99.2%。

(2)孔斜。在钻进过程中控制好压力、转速，下套管后重新钻进、扩孔，大径换小径时加导正器以防止钻孔偏斜。钻孔施工过程中及终孔后，经测量钻孔弯曲情况如表2所示。开孔换径后在孔深50 m处顶角为0.91°，终孔孔深505 m处顶角为8.74°，全孔方位基本在135°左右。分析原因，一是钻机安装时采用罗盘进行钻机垂直度校核时，误差较大；二是换径时未带导向，使S75钻具偏向135°方向。

表2 钻孔测斜数据Table 2 Borehole inclination date

(3)孔深误差测量与校正。终孔后，对孔深进行校正，孔深误差率<1‰，故不需修改报表，终孔孔深505.17 m。

(4)封孔。终孔后，选用水灰比为0.3～0.5的普通硅酸盐水泥进行封孔。

(5)原始资料。钻探施工中，及时记录和整理了有关资料，工作结束后，对有关原始资料及时进行了整理归档。

5.2 经济技术指标

(1)经统计，钻探施工历时63 d，采用绳索取心钻进工艺，正常钻探92个台班，纯钻时间401.70 h，终孔深度505.17 m，顺利完钻。

(2)共使用S75金刚石绳索取心钻头9个。

(3)平均时效1.26 m，钻月效率240.56 m，台月效率494.19 m。

5.3 钻头使用效果

试验孔共使用了3种金刚石取心钻头，图4为使用过的3种钻头。施工中，当注浆或钻进时效明显降低的情况下提大钻更换钻头[15]，故每个钻头只使用了一个回次。从钻头使用效果可以看出，时效降低主要是金刚石出刃不好，而工作层尚未完全消耗。如果进行修复，仍可继续使用。

经统计，单个金刚石钻头进尺及时效如表3所示。

从表3分析得出，3种钻头在胎体硬度、金刚石粒度、水口数量这几个参数上有所差别，针对大安山煤矿井下岩层以细砂岩和粉砂岩为主，A型钻头相比其它两种钻头进尺多，时效快，寿命也长，比较适合大安山煤矿的地层。

图4 使用后的金刚石取心钻头Fig.4 Diamond coring bits after use

序号钻头型号纯钻时间/h进尺/m时效/m平均最高钻遇岩层1B153.8548.170.893.602C137.3228.100.751.223B234.6031.900.921.404A126.2757.702.203.60粉砂岩、粗砂岩、煤5A212.7512.801.001.786B360.8194.601.593.55粉砂岩、煤7A389.90141.201.573.008B433.8032.800.971.58细砂岩、粉砂岩、煤9A452.4057.901.102.05煤合计401.70505.171.263.60

6 结论与建议

(1)应用ZDY1000G型全液压坑道钻机，采用S75绳索取心钻进工艺，有效地提高了效率。

2012-2014年共计钻探8237 m，增加资源储量1877.7万t，年进尺由3000 m提高到4500 m，对深部煤层补充勘探，部署开拓工程提供了可靠的地质资料，减少了成本，提高了效率；钻探效率有了大幅提高，平均时效1.26 m，最高达3.6 m。台月效率在500 m左右。经统计，岩心采取率达到了95%以上。

(2)针对以粉、粗砂岩和煤层为主的地层，应选用合适的孕镶金刚石钻头。

实验及后续施工中，热压孕镶金刚石钻头相比其它两种钻头寿命长，时效快，较适合大安山煤矿的地层，其胎体硬度应控制在HRC30～35。

(3)ZDY1000G型钻机在硐内(井下)勘探中有较大的应用潜力。

选择ZDY1000G型全液压动力头式钻机，转速高，扭矩大，集成度较高，组装方便。既能满足煤矿和金属矿井钻探的多种用途的钻孔，又可满足地质勘探、瓦斯抽放、注水及其它工程硐内施工。适用于金刚石、硬质合金钻进和冲击回转钻探。在硐内(井下)勘探中有较大的应用潜力。

(4)应加强硐内(井下)施工管理。

硐内(井下)施工，涉及施工用水、电和相关机具材料的运输搬迁及通风等安全生产因素较多，是一个较复杂的系统工程。必须加强整体协调和综合管理，对于首次参与施工的人员，必须进行全面的安全教育培训，合格后方可进行施工。