水力反循环取心在煤矿隐伏地质异常体探查中的应用

赵江鹏

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安710077）

煤矿井陷落柱、断层等地质构造具有隐蔽性、突发性、可能导通岩溶地下水等特点，对煤矿安全生产构成了潜在威胁[1-3]。为查明煤矿井隐伏地质异常体，国内很多煤矿运用了“地质预判、水质预警、物探圈定、钻探验证”的综合探查方法[1,4-5]。通过钻孔方式获取高质量岩心是钻探验证和综合探查方法中的重要工作环节。目前，煤矿井下取心主要有提钻式取心和绳索取心2种方法。提钻式取心方法使用单层岩心管、双层岩心管、密闭岩心管等取心工具，存在提、下钻频繁，辅助工作强度大的问题[6-10]。绳索取心方法借助打捞工具用钢丝绳把装有岩心的内管总成提拉出孔外，属于一种不提钻的取心方法。大量实践证明，绳索取心法施工效率相较于提钻式取心法，在深孔段增效明显，在浅孔段无明显效率优势[11-14]。

对于煤矿回采工作面陷落柱、小断层等隐伏地质构造异常体的取心问题，考虑到其孔深只需满足掩护300 m超宽工作面的探查要求，若采用进回风巷双向施工，孔深150 m以浅即可满足实际需求。因此，提出采用水力反循环取心方法进行取心。该取心方法是一种高效的不提钻连续取心方法，在地质矿产普查和金属矿山钻探取心领域有着较为广泛的应用[15-17]。其借助压水装置将冲洗介质送入孔底，将岩心沿钻杆中心通道携带返出孔外，尤其孔深较浅时，取心效率优势比较显著。按照钻具结构区分，主要有单壁式和双壁式2种类型的水力反循环取心钻具。单壁钻具水力反循环取心主要应用于铁矿、铜矿等金属矿山坑道取心钻探，限于金属矿山坑道尺寸和配套钻探装备条件，所配套钻具规格较小[15]。双壁钻具水力反循环取心主要应用于地质矿产普查取心钻探，所配套钻具规格较多[16]。张绍和等将双壁钻具水力反循环取心技术用于金属矿山坑道钻孔取心，采用小口径φ45/φ27 mm双壁钻具，完成了80 m深水平取心孔[17]。因此，综合考虑到煤矿回采工作面隐伏地质异常体探查孔钻遇的煤层条件、岩层条件、封孔方式、以及配套钻探装备水平等影响因素，开展了双壁钻具式近水平孔水力反循环取心方法的研究工作。

1 近水平孔水力反循环取心技术

1.1 工作原理

近水平孔水力反循环取心钻进示意图如图1。当水力反循环连续取心钻进时，在煤矿井下近水平钻孔状态下，利用钻机作为动力，为孔内钻具提供给进力及回转力，利用泥浆泵作为动力，将清水压入孔内携带岩心返出孔外，清水循环途径为：水箱→泥浆泵→高压胶管→双壁送水器侧部注水口→双壁钻杆环隙→取心钻头水眼→取心钻头中心通道→双壁钻杆中心通道→返心胶管→孔外，实际上，到达孔底的清水，大部分清水进入取心钻头中心通道携带岩心返出孔外，还有另一部分清水进入钻杆与钻孔形成的环状间隙，携带岩屑返出孔外。

图1 近水平孔水力反循环取心钻进示意图Fig.1 Schematic diagram of hydraulic reverse circulation core drilling for near horizontal borehole

1.2 技术特点

同地面垂直孔水力反循环取心技术相比，在岩心岩屑输送、孔底冲洗液流量分配、地层成心和岩心卡堵等方面，煤矿井下近水平孔水力反循环取心方法呈现出以下特点：

1）岩心、岩屑输送方面。不同于金刚石取心钻头，金刚石复合片取心钻头切削齿破碎的岩屑粒度大[18-19]，在孔底未卡断岩心的阻隔下，岩屑煤屑基本无法通过钻头设置的水槽和岩心-钻头内壁环隙进入双壁钻杆内管流道，因此，钻具内管中心流道仅输送岩心、煤心、煤块，岩屑、煤屑需通过钻孔-钻具外环空流道返出孔外。近水平孔孔底流体分流示意图如图2。

图2 近水平孔孔底流体分流示意图Fig.2 Schematic diagram of fluid diversion at the bottom of a near horizontal borehole

2）冲洗液流量分配方面。对于同一种双壁钻具组合，孔底流量分配在煤层孔段和岩层孔段表现出明显不同的特点。在煤层孔段取心钻进时，双壁钻杆内管中心流道分流流量大，约为总注入流量的90%；钻孔-钻具外环空流道分流流量小，约为总注入流量的10%；在岩层孔段取心钻进时，双壁钻杆内管中心流道分流流量大，约为总注入流量的70%，钻孔-钻具外环空流道分流流量小，约为总注入流量的30%。

3）地层成心方面。煤层和岩层的受控因素不同。煤层内成心的控制因素与钻具转速、给进压力等钻进参数的相关性大，低转速、小给进压力有利于形成煤心柱，高转速、高给进压力条件下则多为煤块状、短煤柱状的煤样；岩层成心的控制因素与钻具转速、给进压力等参数的相关性较小，在裂隙不发育岩层孔段，岩心长度受控于钻头卡断机构，长度多为85 mm以上，在裂隙发育岩层孔段，岩心长度由裂隙发育程度决定，多为短柱状岩心。

4）反循环取心岩心卡堵的主要形式方面。当钻遇煤层、完整岩层孔段时，不易发生岩心卡堵，且快速解堵成功率高；钻遇裂隙发育岩层孔段时，主要以翻转卡堵为主，卡堵岩心长度多处于16～26 mm范围内[20]。

1.3 取心钻具

近水平孔水力反循环取心钻具主要包括双壁钻杆、取心钻头、双壁送水器和孔口密封装置等。双壁钻具连接方式为：取心钻头+若干双壁钻杆+双壁送水器，孔口密封装置与固定在PVC孔口管上的四通外侧法兰相连。

1）双壁钻杆。近水平孔水力反循环取心用双壁钻杆的结构综合考虑了坑道钻机加杆方式、井下钻杆常用规格、供水设备能力、以及岩心直径要求等影响因素，设计成φ89/φ42 mm外平双壁钻杆，内管插接密封处设计工作压力不低于6 MPa。其单根长度1.5 m、质量26 kg，内外管为双螺纹式的相对固定方式，外管杆体直径89 mm，外管接头91 mm，内管内径42 mm。

2）金刚石复合片取心钻头。为对比优选不同结构取心钻头与双壁钻杆匹配的使用效果，从钻头规格、刀翼数、卡断齿类型、PDC切削齿尺寸及布齿方式、底喷水眼数量、过水槽数量、内分水眼数量等多个方面进行不同组合，取心钻头主要设计有φ98/38 mm、φ105/φ38 mm、φ113/φ38 mm等3种规格，三刀翼、四刀翼等2种翼数，PDC切削齿、球齿等2种卡断齿，以及无卡断齿等多种组合结构。

3）双壁送水器。近水平孔水力反循环取心用双壁送水器设计工作压力为6 MPa。双壁送水器外壳内侧设有轴承、心轴、密封圈及内管等形成分动机构，以使在工作状态下内管与心轴可同步回转，而其它部件不转动。

4）孔口密封装置。孔口密封装置内设有高弹性胶筒，设计工作压力为5 MPa。在工作时，该高弹性胶筒由液力推动，将中心套穿的双壁钻杆抱紧密封，阻隔钻孔-双壁钻杆环空流道内的流体，迫使流体从四通预设的排屑端口流至岩屑处理装置；在非工作泄压时，该高弹性胶筒处于张开状态，此时可直接穿过不大于φ120 mm规格的钻头及钻具。

1.4 钻进规程参数

近水平孔水力反循环取芯钻进规程参数主要包括转速、给进压力、供水量等。为有效降低岩心堵塞几率，取心钻进过程中应以低转速、低钻压、大供水量的工艺参数为主。对于该φ89/φ42 mm双壁钻具，其钻进规程参数为：转速60～100 r/min，给进压力0.5～3 MPa，供水量250～320 L/min。

2 水力反循环取心应用

选用ZDY6500LP全液压坑道钻机，浅孔段采用井下静压水管道直接供水方式，较深孔段采用3NB320型泥浆泵供水方式，在寺河西区矿井开展了穿断层、穿陷落柱的近水平孔水力反循环取心现场试验。试验地层3#煤和夹矸坚固性系数为1左右，基本顶（粉砂岩-细砂岩）坚固性系数为6～7，直接顶（泥岩-砂质泥岩）坚固性系数为3～4，直接底（砂质泥岩）坚固性系数为4左右，基本底（泥岩）坚固性系数为3左右。

2.1 穿断层水力反循环取心试验

试验钻场布置于寺河矿西区W33013巷13#横川，共7个反循环取心试验钻孔。穿断层近水平反循环取心钻孔试验情况统计见表1。

表1 穿断层近水平反循环取心钻孔试验情况统计Table 1 Test results of reverse circulation coring hole through fault

从7个反循环取心钻孔试验情况来看，钻孔总进尺为1 033.5 m，其中，取心总进尺616.5 m，取心累长486.0 m，综合取心率78.8%，煤心、煤块累长205.5 m，煤层取心率89%，岩心累长280.5 m，岩层取心率72.7%；最大回次进尺97.5 m。

钻场试验了多种规格和多种结构的取心钻头，对比分析取心效果可知：①设置3～4个底喷水眼的取心钻头效果较佳；②和三刀翼取心钻头相比，四刀翼取心钻头的孔底稳定效果好、钻具孔底振动小，取心效果好；③φ98/φ38 mm、φ105/φ38 mm规格与φ89/φ42 mm双壁钻杆的级配效果较好于φ113/φ38 mm规格。

2.2 穿陷落柱水力反循环取心试验

试验钻场布置于寺河矿西区W33013巷1#横川，共15个反循环取心试验钻孔。试验钻孔方位180°、倾角5°、开孔高度2.5 m、孔深50 m。钻遇陷落柱孔段的岩性为砂岩，裂隙十分发育，返出岩心多呈短柱状，裂隙为方解石、赤铁矿等钙质胶结物，局部见泥质胶结。

本次试验取心钻头为φ98/φ38 mm、φ105/φ38 mm 2种规格，均为四刀翼、4个底喷水眼的PDC取心钻头。在该共性结构基础上，分别试验考察了不同型式卡断齿（PDC卡断齿、球形卡断齿、无卡断齿）、不同规格切削齿（φ8 mm、φ13 mm）、以及无内水槽等多种结构类型的取心钻头。

依据该15个钻孔的试验过程和统计数据发现，在煤层孔段取心时未出现过卡堵现象；在穿陷落柱孔段累积长度440.5 m，共出现卡堵28次，平均回次进尺15.73 m。其中，设有卡断齿的取心钻头穿陷落柱孔段累积长度236.5 m，共出现卡堵22次，平均回次进尺10.75 m；无卡断齿取心钻头穿陷落柱孔段累积长度204.0 m，共出现卡堵6次，平均回次进尺34.。因此，在裂隙发育岩层孔段进行水力反循环取心，无卡断齿取心钻头的使用效果明显优于设有卡断齿的取心钻头。

同时发现，无论是穿断层取心钻孔，还是穿陷落柱取心钻孔，在煤层孔段进行水力反循环取心钻进时，受限于3NB320型泥浆泵和矿井静压水供水条件，钻孔-钻杆环空煤屑存在难以及时排出孔外的问题。建议改进设计具有辅助排屑作用的螺旋槽双壁钻具，以增强对钻孔-钻杆环空煤屑的扰动作用，减少煤屑在运移过程中的沉积，防止在煤层孔段取心过程中的发生压杆事故。

3结 语

通过对比分析煤矿井下钻探取心方法的优缺点，考虑到回采工作面内小断层、陷落柱等隐伏地质异常体探查取心孔孔深较浅的特点，研究了一种近水平孔水力反循环取心方法。该取心方法同垂直孔水力反循环取心方法相比，在冲洗液流量分配、孔底成心、岩心岩屑输送、以及岩心卡堵形式等多方面的技术特点均有着显著不同。研制了φ89/φ42 mm反循环取心钻具，在寺河西区矿井配套ZDY6500LP全液压坑道钻机、3NB320型泥浆泵（或静压水），施工完成7个穿小断层、15个穿陷落柱的取心探查孔。试验结果表明:该套反循环取心钻具能够满足煤矿井下回采工作面隐伏地质异常体探查取心钻孔施工需要，将近水平水力反循环取心方法应用于煤矿隐伏地质异常体探查中是一种可行的技术方案。同时，针对本次现场试验暴露的缺陷，建议对该取心工艺和配套钻具进行进一步深入研究，加大推广应用力度。