矿井水文地质勘查钻探技术研究与应用

王森林

（晋能控股集团四台矿，山西 大同 037016）

由于矿井的地域以及气象条件各不相同，各个矿区的地质构造差异较大。近年来，受开采煤层赋存水文地质条件以及开采方式的影响，煤矿水害的类型及特点变化较大[1-3]。影响矿井安全生产的主要因素是煤层顶板水害问题。四台矿的水文地质类型比较复杂，自投产以来，在煤矿开采过程中，由于煤层埋藏浅、大多煤层被新生代松散层所覆盖，松散层中的孔隙水比较发育，多次造成涌水事故[4-5]。为查明四台矿区的矿产储量、煤层顶底板位置、煤层厚度以及上部含水层的水文地质条件，采用钻探技术，通过绳索取芯、泥浆、降压试验等工作手段，为矿产资源储量计算及开采提供基础数据。

1 地质概况

四台矿位于大同煤田的北部，井田范围内地貌以低山丘陵为主，地形平缓，黄土梁峁及“V”字形沟谷相间发育，地表大部分被第四系松散沉积物覆盖，相对高差为206.5 m，地面标高为+1250～+1350 m。矿区的总体走向是沿SE 倾向的单斜构造，主要揭露有3 条正断层，落差均大于10 m。含煤地层的煤层厚度为38.24～111.20 m/67.80 m，含煤系数为6.5%。主要开采8 号煤层，结构简单。2103 工作面厚度为0～8.10 m/3.52 m。工作面平面布置图如图1。顶板由直接顶和老顶组成，平均厚度为4.0 m，岩性主要是泥岩、砂质泥岩及中、细粒砂岩，节理、裂隙不发育，岩石强度属于半坚硬-较软弱型；底板岩性主要是泥岩和砂质泥岩，平均厚度为3.25 m，岩石裂隙不发育，比较完整，岩石强度属于半坚硬-较软弱型。上覆岩层富水且存在相邻积水空区，地表水及含水层裂隙水是造成矿井涌水的主要来源。水压标高为779.67～922.82 m，单位涌水量0.003 7～7.906 8 L/（s·m），渗透系数0.019～28.220 m/d，矿化度300～1098 mg/L，水质类型HCO3-Ca·Mg 型或HCO3·SO4-Ca·Mg 型。

图1 工作面平面布置图

2 绳索取芯钻具

2.1 钻机

为了满足复杂煤层钻进和绳索取芯钻进的要求，根据钻孔设计孔深以及终孔孔径的要求，主要设备一览表见表1。

表1 主要设备一览表

2.2 钻具组合

采用金刚石绳索取芯钻探施工技术，钻具选用Φ73 mm 新型绳索取芯外加厚钻杆，钻头选用Φ75 mm 孕镶金刚石钻头，根据地层的软硬程度采用金刚石钻头，钻头直径Φ77.5 mm。采用这样的钻具搭配，可以增大环状间隙，提高取芯率[6]。

3 绳索取芯施工技术设计

3.1 钻孔结构

8 号煤层一般采用二级钻孔结构，如果钻孔比较复杂时，采用三级钻孔结构[7]。

二级钻孔结构方案：一开使用孕镶金刚石钻头，钻头Φ95 mm，下入Φ89 mm 套管；二开使用钻头为Φ76 mm 的孕镶金刚石钻至终孔。

三级钻孔结构方案：由于上部堆积物破碎且直径较大，一开采用孕镶金刚石钻头开孔，钻头直径130 mm，下入Φ127 mm 套管；二开使用钻头为Φ110 mm 的孕镶金刚石钻头，下入Φ108 mm 套管，预留Φ94 mm 口径；三开使用钻头为Φ76 mm 的孕镶金刚石钻至终孔。

3.2 钻进参数

（1）钻压。采取绳索取芯时，对煤层破碎、偏软的地层，适当减小钻进压力，对煤层完整、坚硬地层，适当增大钻进压力。随着钻进逐渐深入，金刚石钻头磨损，导致钻进速度降低后再平稳增大钻进压力，正常钻进压力为8～10 kN。

（2）转速。为了减轻钻具在回转过程中与套管产生碰撞，确保管柱稳定性，在钻进过程中，采用低速挡与油门调节，钻机转速在300～500 r/min。

（3）泵量。泵量大小要满足冲洗液上返速度的要求，为及时排出煤屑、冷却钻头，泵流量上流返速为0.5～1.5 m/s[8]。对煤层完整且岩屑较多的地层，适当增大泵量，对煤层破碎或钻进断层泥的地层，适当减小泵量，以降低泥浆对岩芯和孔壁的冲蚀，正常泵量为40～50 L/min。

3.3 钻井液

由于采用绳索取芯技术，钻具内管路容易出现结垢造成堵塞。因此，在钻探过程中，采用低固相不分散泥浆，泥浆采用600 万分子量聚丙烯酰胺和广谱护壁剂为原材料，用2 kg 的广谱护壁剂加0.05 kg 的聚丙烯酰胺配0.6 m3的淡水。首先将广谱护壁剂和淡水在搅拌池中进行充分搅拌，将聚丙烯酰胺加入另一个搅拌桶中，持续搅拌半小时，最后将搅拌好的聚丙烯酰胺加入搅拌池中进行充分搅拌，将搅拌后的泥浆液注入泥浆池中。泥浆性能见表2。

表2 泥浆性能

3.4 钻进工艺

采用金刚石绳索取芯钻探技术，使用新型加厚钻杆，可有效防止在钻探施工中环状间隙过小或泵压过高情况。

（1）将绞车固定在钻机操作平台上，让钢丝绳穿过钻机上方的游动滑轮，将绳索取芯器和打捞器连接起来；

（2）当钻进至取芯段时，起钻更换绳索取芯器钻具，将内管部分和打捞器试连接，确保正常后断开连接，将内管放入外管内，下钻进行钻进；

（3）待取芯结束后，将钻杆缺口用垫叉卡住，取开主动钻杆，将打捞器用绞车放入钻杆内部，直至与内管处打捞矛头相连接，提取内管；

（4）将取出的岩芯放入岩芯箱后，将内管（连接矛头）放入钻杆内让其自行滑至钻头处；

（5）重复上面操作方法，直至钻进完成。

开孔时采用Φ130 mm 钻头，下入孔口管后，采用Φ110 mm 钻头，持续钻进到基岩内，下入Φ108 mm 套管，再用Φ76 mm 钻头钻进至终孔。

3.5 ZK-1 和ZK-2 钻孔设计

通过分析四台矿8 号煤层，对ZK-1 和ZK-2 钻孔进行结构设计，分别如图2 和图3 所示。

图2 ZK-1 钻孔结构设计

图3 ZK-2 钻孔结构设计

4 应用效果

通过在四台矿8 号煤层工作面上的实际应用，对钻探结果进行验证。钻孔施工情况见表3。

表3 钻孔施工情况

ZK1钻孔孔深380.34 m，台月效率198.74 m/月，平均采取率80.50%；ZK2 钻孔孔深410.06 m，台月效率420.38 m/月，平均采取率88.62%。钻孔周期为83 d，纯钻进时间为50 d，金刚石绳索取芯钻进进尺69 m，平均钻速在1.1 m/h，平均日进尺约12 m，取芯率达84.56%，大大提高了钻进效率和取芯质量。

5 结论

（1）四台矿8 号煤层水文地质条件复杂，采用勘查结合钻探技术，通过绳索取芯、泥浆、降压试验等工作手段，合理设计钻孔结构，为准确获取地质资料和高效钻进提供前提和保障。

（2）对金刚石绳索取芯钻探效果进行验证，绳索取芯钻进进尺69 m，平均钻速1.1 m/h，平均日进尺约12 m，台月效率为309.56 m/月，取芯率达84.56%，大大提高了钻进效率和取芯质量。