文 俊

（成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院， 四川 成都 610059）

引言

構(gòu)造區(qū)的精確探測一直是國內(nèi)外煤炭行業(yè)研究的方向，尤其是現(xiàn)代化、信息化、高產(chǎn)高效的礦井，更是把地質(zhì)構(gòu)造的精確探測作為必不可少的地質(zhì)保障手段。隨著當(dāng)前煤層快速開采技術(shù)的不斷發(fā)展，提前精確查明地質(zhì)構(gòu)造的斷層位置、走向、斷距，陷落柱的位置大小、含水性等，就顯得非常重要[1]。目前井下探測構(gòu)造主要采用不取芯鉆探，僅靠鉆孔見矸、返水等情況判斷探測構(gòu)造性質(zhì)、大小、位置等，易對所探構(gòu)造作出誤判，有的構(gòu)造還需進(jìn)行巷探，不僅花費(fèi)人力、物力、財(cái)力，且鉆進(jìn)效率低下，影響了鉆孔質(zhì)量和施工進(jìn)度[2]。因此，有必要研究繩索取芯鉆探技術(shù)，通過巖芯取樣可分辨出鉆孔的軌跡和構(gòu)造的要素，提高鉆探的準(zhǔn)確度和高效性。

1 現(xiàn)場概況

小河嘴礦為川煤集團(tuán)下屬生產(chǎn)礦井。批準(zhǔn)開采3 號、9 號、15 號煤層，現(xiàn)開采3 號煤層。每年生產(chǎn)規(guī)模400.00 萬t，地下開采深度420～730 m 標(biāo)高。井田內(nèi)地層平緩，傾角3°～15°，一般在10°以內(nèi)。結(jié)合礦方地質(zhì)資料，井田內(nèi)主要為傾向北西，走向北東的單斜構(gòu)造，伴有少數(shù)落差較小，延伸長度較短的高角度正斷層。斷層走向多為北東向，傾向多為北西。目前回采的4301 工作面地質(zhì)條件復(fù)雜，結(jié)合礦方資料和前期物探結(jié)果，共查明和揭露斷層48 條，所見斷層落差均未超過20 m，屬小型斷層。即將揭露的是F18 正斷層。為進(jìn)一步探清回采區(qū)域構(gòu)造發(fā)育情況，探測F18 正斷層的具體位置及走向，確保工作面快速回采，采用鉆探取芯技術(shù)對工作面構(gòu)造進(jìn)行精準(zhǔn)化探測。

2 鉆探取芯方案

在復(fù)雜地質(zhì)條件下煤巷掘進(jìn)中，礦用鉆孔物探技術(shù)作為一種行之有效的觀測儀器，可以直接進(jìn)入錨桿(錨索)鉆孔、地質(zhì)鉆孔，通過其輸出的圖像直觀地反映出巷道周圍巖體不連續(xù)面(如層理、節(jié)理、裂隙)，為地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況判斷、巷道支護(hù)設(shè)計(jì)、圍巖注漿加固效果等提供可靠依據(jù)。繩索取芯鉆進(jìn)技術(shù)是以鉆桿為通道，通過繩索和專用打撈工具等方式，將巖芯提升到孔外的特殊工藝[3]。繩索取芯技術(shù)無需在孔外提升鉆桿，能夠極大減少下鉆具的時(shí)間，提高鉆進(jìn)效率。本次取芯包括下斜鉆孔（＞-30°）取芯和近水平（-30°～+30°）鉆孔取芯兩種，具體流程見下圖1。

如圖1 所示繩索取芯工藝可施工角度為-90°～+30°，超出該范圍不可使用。繩索取芯鉆桿壁薄扣，因此擰卸鉆桿時(shí)必須采用人工擰卸，防止絲扣損傷。繩索取芯施工需要安裝提升架（鉆塔），因此占用空間較大，鉆孔軸線方向需要尺寸4.5～5 m。

3 工藝參數(shù)

3.1 轉(zhuǎn)速

本次繩索取芯鉆桿采用金剛石鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)。對金剛石鉆進(jìn)而言，一般情況下要求轉(zhuǎn)速v＞300 r/min，具體參數(shù)見表1。

表1 金剛石鉆頭采用的轉(zhuǎn)速值

選擇金剛石鉆頭轉(zhuǎn)速時(shí)，還應(yīng)考慮巖石性質(zhì)和鉆孔等因素。當(dāng)鉆進(jìn)巖層較破碎、孔壁不穩(wěn)、軟硬不均時(shí)，應(yīng)從下限轉(zhuǎn)速開始逐步調(diào)高；當(dāng)鉆孔結(jié)構(gòu)簡單、孔深不大、環(huán)空間隙小時(shí)，可以選用高轉(zhuǎn)速。

3.2 鉆壓

對金剛石鉆進(jìn)而言，鉆壓起到的作用僅為將鉆頭壓在孔底，保證起不發(fā)生反彈即可。所以在金剛石鉆進(jìn)中通常采用“低壓、慢給進(jìn)”[4]，具體參數(shù)見表2。

表2 各類表剛石鉆頭采用的鉆壓值

選擇和施加鉆壓時(shí)，除巖石性質(zhì)外，還應(yīng)注意金剛石質(zhì)量、鉆頭類型、鉆壓階段等因素。當(dāng)鉆頭所選用的金剛石質(zhì)量好、粒度大、數(shù)量多時(shí)，可以選上限鉆壓；當(dāng)胎體較軟、鉆頭口徑大、壁厚與巖石接觸面積大時(shí)，應(yīng)使用上限鉆壓；此外鉆進(jìn)磨合階段時(shí)，最好使用低鉆壓、低轉(zhuǎn)速，待鉆頭唇面形狀與巖芯吻合后再逐步提高鉆壓鉆速。

3.3 沖洗液量

沖洗液主要用于鉆進(jìn)過程中排粉、冷卻外及潤滑鉆具等作用，一般選擇小泵量和高泵壓[5]，具體可參照下表3。

表3 金剛石取芯鉆進(jìn)常用泵量值

選擇合理的泵量時(shí)，應(yīng)考慮以巖粉量、鉆頭溫度和返水量等因素。當(dāng)巖層較為堅(jiān)硬致密時(shí)，鉆進(jìn)的巖粉量較少，可以從下限泵量開始逐步提高；當(dāng)巖層具有強(qiáng)研磨性時(shí)，需要較大泵量冷卻吸收摩擦產(chǎn)生的熱量，應(yīng)使用上限泵量；當(dāng)鉆進(jìn)漏失地層時(shí)，孔口返水明顯減少，要需要維持沖洗液的循環(huán)應(yīng)選用大泵量。

4 設(shè)備選型

4.1 鉆機(jī)

金剛石繩索取芯鉆進(jìn)要求鉆機(jī)轉(zhuǎn)速在150 r/min以上，最好可以實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，要求鉆機(jī)具有事故處理能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、施工角度范圍大和搬遷方便等特點(diǎn)。滿足-90°～30°范圍內(nèi)的取芯技術(shù)，并且探測長度不小于200 m。經(jīng)多方對比，選用ZDY4500LXS 鉆機(jī)。其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

如圖2，ZDY4500LXS 型鉆機(jī)是履帶式全液壓鉆機(jī)，轉(zhuǎn)速范圍寬、扭矩大、360°全方位回轉(zhuǎn)，適于采用牙輪鉆頭、硬質(zhì)合金鉆頭及螺旋鉆具施工大直徑鉆孔。鉆機(jī)采用分組式布置，全機(jī)分主機(jī)、泵站、操縱臺、行走部件、司機(jī)座位五大部分，各部分之間用高壓軟管連接，結(jié)構(gòu)緊湊，油路系統(tǒng)集成度高，便于日常維護(hù)和檢修。主機(jī)傾角調(diào)節(jié)系統(tǒng)操作簡單、全液控操控，工作效率高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度小，操作方便，可適應(yīng)不同作業(yè)環(huán)境下的角度需求。

4.2 鉆具

繩索取芯鉆具主要包括鉆頭、擴(kuò)孔器、雙管總成和鉆桿等，各部件配合完成繩索取芯的高效進(jìn)行。

4.2.1 鉆桿

取芯鉆桿采用直連式繩索和有接頭式繩索兩種，如下頁圖3 所示。

繩索取芯鉆桿為專用鉆桿，一方面由于鉆桿作為內(nèi)管總成提升通道，必須為內(nèi)平鉆桿；另一方面要求鉆桿高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下穩(wěn)定性好，強(qiáng)度高。根據(jù)接頭的方式分為有接頭、無接頭兩種，根據(jù)繩索取芯鉆桿壁薄、平扣連接易損壞等特點(diǎn)，坑道繩索取芯鉆桿一般采用有接頭的方式。S75 繩索取芯鉆具選配Φ61～71mm 繩索取芯鉆桿。

4.2.2 鉆頭

鉆頭結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

如圖4，繩索取芯目前最常用的鉆頭為金剛石取芯鉆頭，根據(jù)金剛石的鑲嵌方式分為表鑲、孕鑲兩種，根據(jù)煤系地層特點(diǎn)及鉆進(jìn)效率方面的考量，S75繩索取芯鉆具一般根據(jù)地層硬度不同采用胎體硬度20～35 的Φ75～49 mm 孕鑲金剛石取芯鉆頭。

4.2.3 擴(kuò)孔器

擴(kuò)孔器結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

如圖5，擴(kuò)孔器是一種起到擴(kuò)大孔徑和修整孔壁保證孔徑不縮小的一種鉆具，擴(kuò)孔器的直徑比鉆頭直徑略大，兩個(gè)配合使用還起到扶正作用，減少鉆具偏斜。

4.2.4 雙管總成

雙管總成包括外管總成和內(nèi)管總成，外管總成結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

如圖6，外管總成由鉆頭、擴(kuò)孔器、外管、座環(huán)、扶正環(huán)、彈卡室和彈卡擋頭等組成，實(shí)現(xiàn)容納內(nèi)管總成、內(nèi)管總成限位、單動(dòng)等功能。

內(nèi)管總成結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

如圖7，內(nèi)管總,由卡簧座、卡簧、卡簧擋圈、內(nèi)管、單動(dòng)機(jī)構(gòu)、回收管、彈卡、撈矛頭等組成，實(shí)現(xiàn)懸掛機(jī)構(gòu)、到位報(bào)信機(jī)構(gòu)、巖芯滿管報(bào)警機(jī)構(gòu)、緩沖機(jī)構(gòu)、輔政機(jī)構(gòu)、安全脫卡機(jī)構(gòu)等。

4.3 打撈器總成

打撈器總成如圖8 所示。

如圖8，打撈器總成由打撈器、脫卡管組成，其中打撈器又由打撈鉤、重錘、繩卡組成。打撈器主要的功用是將內(nèi)管總成提出孔外，脫卡管的作用是內(nèi)管總成卡滯無法提出時(shí)，采用脫卡管可將打撈器順利提出。

4.4 近水平（上仰）鉆孔施工所需鉆具

施工近水平或上仰繩索取芯鉆孔時(shí)，將內(nèi)管總成及打撈器送入孔底無法繼續(xù)像垂直孔施工利用自重自然下落，水力輸送器的作用即是為了解決這一問題。近水平或上仰繩索取芯鉆進(jìn)時(shí)，水力輸送器需要將內(nèi)管總成或打撈器送入孔底，需有鋼絲繩穿過水便進(jìn)行憋壓，通纜式水接頭即是這一裝置。

4.5 液壓提升設(shè)備

繩索取芯鉆進(jìn)必須配備絞車用于提升內(nèi)管總成，目前市場上絞車均為液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)絞車。另外必須配備Φ4 mm、Φ6 mm、Φ8 mm 鋼絲繩與油管（3 根Φ13 mm×5 m 油管），鋼絲繩根據(jù)鉆孔深度分為400 m、500 m。繩索取芯鉆進(jìn)必須采用清水鉆進(jìn)，且金剛石鉆頭高轉(zhuǎn)速磨削巖石，需用清水冷卻鉆頭、攜帶巖粉，所以需配備泥漿泵。一般可根據(jù)鉆孔直徑、鉆孔角度、深度等因素選擇泥漿泵型號，可選3NB-150、3NB-250、3NB-300 等。

5 現(xiàn)場試驗(yàn)

施工地點(diǎn)位于北翼4301 工作面G2 鉆場內(nèi)，為有效探測F18 正斷層的具體位置及走向，在G2 鉆場左幫施工兩個(gè)探測取芯鉆孔，總共施工7 根Φ127 mm套管并進(jìn)行全孔段取芯，其參數(shù)如表4 所示。

表4 探測鉆孔具體參數(shù)表

5.1 鉆孔取芯流程

1）鉆孔開孔時(shí)，首先采用Φ133 mm 鉆頭進(jìn)行開孔，鉆進(jìn)16 m 后停止進(jìn)行沖孔，沖洗無雜質(zhì)后再下入14 mΦ108 mm 套管并進(jìn)行加固，8 h 以后進(jìn)行透孔試壓。

2）試壓達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)壓力后，連接取芯鉆頭、巖芯管，擰緊牢固后打開壓力水循環(huán)，緩慢施加鉆壓，以低轉(zhuǎn)速、輕鉆壓試運(yùn)轉(zhuǎn)，待鉆進(jìn)0.3～0.5 m 以后，逐漸調(diào)整到正常取芯鉆進(jìn)。

3）取出巖芯后，對巖芯進(jìn)行護(hù)表、巖性描述和編號，存放在巖芯箱，并對鉆孔進(jìn)行封孔操作，保證孔口管內(nèi)充滿水泥、無滲水、滴水現(xiàn)象。

5.2 取芯效果

對巖芯情況進(jìn)行分析，探1 孔位于工作面正前34 m，巖芯見斷層泥巖，巖性明顯變化，施工至42 m時(shí)巖芯為砂巖，判定42 m 處為斷層位置；探2 孔位于工作面正前24 m，巖芯巖性發(fā)生變化，判定24 m 處為斷層另一位置，24～28 m 巖芯巖性為砂巖，28 ～34 m巖芯巖性為泥巖，確定斷層走向?yàn)楸睎|偏西走向。

6 結(jié)語

通過在G2 鉆場進(jìn)行鉆探取芯，明確了斷層位置為工作面正前34 m 處，24～28 m 巖芯巖性為砂巖，28～34 m 巖芯巖性為泥巖，結(jié)合礦方地質(zhì)資料可確定斷層走向?yàn)楸睎|偏西走向，說明斷層有進(jìn)一步發(fā)育可能。由此可見，該工藝能夠有效減少對巖芯的磨損，具有減少了輔助作業(yè)時(shí)間、鉆進(jìn)效率高、地質(zhì)效果好、繩索取芯鉆進(jìn)巖芯采取率高、完整度和純潔性好等優(yōu)點(diǎn)，有利于復(fù)雜地層鉆進(jìn)、孔內(nèi)安全和便于測斜工作，具有一定的推廣意義。