某市煤炭采空区探测查证孔施工工艺

陈兰弟，杨　凯（广西地球物理勘察院，广西 柳州 545005）



某市煤炭采空区探测查证孔施工工艺

陈兰弟，杨凯（广西地球物理勘察院，广西 柳州 545005）

随着我国社会经济的不断发展，带动着城市不断扩张，过去一些城市的周边废弃矿区，现在要在上面建立起高楼大厦了。由于矿区里存在着不同形态的采空区，采空区的存在对地面建筑会存在重大的安全隐患，如果对其勘查不明、了解不透，国家对城市建设的规划则受到制约，也会对地质、环境、工程产生负面影响，甚至会给国家和社会带来巨大经济损失。在城市规划发展前探测采空区，圈定出采空区的范围及其空间状态具有重要意义，本文主要针对某市煤炭采空区探测查证孔施工工艺展开了具体论述。

煤炭采空区；探测查证孔；施工工艺

表1　钻头选型表

采空区是地下煤层开采后形成的空间，煤层采空后，其顶板受破坏后，可能造成采空区自然坍塌，引起上覆地层的变化，形成冒落带、裂隙带、弯曲带。采空区的存在直接威胁着煤矿的安全及生产，必须加强探测，为后期资源开发提供科学依据。

1　煤碳采空区调查目的

为配合环境地质灾害调查，研究某市市区内多个煤矿采空区采空洞的空间分布特征。在环境地质调查工作的基础上，利用超低频雷达探测技术与地震反射波法相结合，研究采空区内引起地面沉降等地质灾害的采空洞的埋深、展布、充填等空间分布特，调查采空区塌陷（沉陷）的分布、规模，采空塌陷（沉陷）形成的地质及人为影响因素，危害及造成的损失，圈定塌陷（沉陷）区及成灾范围，分析其发展趋势，为某城市建设提供地球物理科学依据。而煤矿采空区的探测，采用超低频雷达和浅层地震相结合探测，为了验证探测解析特性，需要对相应地层进行取样对比分析。

本次煤炭采空区查证孔施工主要目的是查证煤矿采空区的分布及其稳定性，主要针对煤矿采空区进行钻进取样，验证物探解析，并为物探解析提供物理特性对比，为采空区全面物探解析提供重要依据。

2　钻进方法及钻孔结构

本次采空区查证孔布置于某市北东部，钻遇地层主要为第四系覆盖层、胀缩性黏土、泥岩。为提高采样精度及减少对岩样的干扰，主要岩层及煤炭采空区钻进必须采用绳索取心钻进的方法进行施工，以提高岩样采取率及岩样的不受扰动性。在第四系覆盖土层选用φ150合金单动单管钻具进行无水钻进（深度约为15m），钻穿上部的浮土后下入φ146mm套管护壁。后换φ122mm绳索取心单动双管钻具钻穿煤炭采空区后约20m，下套管隔离采空区。最后采用φ95mm绳索钻具钻进至终孔。各级别口径钻头的选择见表1。

本次探明煤炭采空区钻孔采用 φ150mm-φ122mmφ95mm三级孔身结构。孔身结构见图1，CK01钻孔孔身结构示意图。

图1　CK01钻孔孔身结构示意图

本次施工的5个煤炭采空区查证孔钻孔参数见表2，施工钻孔参数一览表。

表2　施工钻孔参数一览表

3　冲洗液性能要求

3.1采用绳索取心钻进存在的突出问题

绳索取心钻进的主要特点是内岩心管能自由地从钻杆内投放孔底，取心时不提出钻杆，用钢绳打捞器把内管打捞上来。为此钻杆内外径都比较大，接头齐平或近齐平，使钻杆与孔壁、内管与钻杆内壁的环状间隙都非常小，通常为1～3mm。由于地层复杂需采用含有膨润土的冲洗液，如果冲洗液处理不当，主要会引起两方面的问题：

3.1.1环空压力大

外环空间小，循环泵压高，造成循环漏失、压垮孔壁，平衡压力钻进在所有钻进方法中最困难，还容易产生粘附卡钻。

由于环空压力的大小与泵量、泥浆性能有直接的关系。泥浆的比重越大、粘度越高、切力越大，环空压力就越大。

3.1.2钻杆内壁结垢

绳索取心钻杆内壁上的泥垢，实际上是钻井液中固相物质（粘土颗粒、岩粉、未完全溶解的化学处理剂或絮凝物）在钻杆内壁上的沉积物。钻井液中的固相颗粒被离心力甩向管壁，并不断沉积和压实，加之粘土和有机聚合物的粘结作用，沉积物将逐渐脱水而变得十分结实，并牢固地粘附在钻杆内壁上，钻杆实际内径变小，打捞器下放或内管提升时，无论冲击或提拉，都很难通过垢层的障碍。

3.2影响环空压力和造成钻杆内壁结垢的主要因素

（1）冲洗液的流变性能。冲洗液的粘度越大，切力越高，其流动阻力也越大，环空压力增大，也不利于钻杆内壁结垢的预防。

（2）冲洗液的固相含量、颗粒密度及比重。固相含量越高，颗粒直径及密度越大，越容易结垢。

（3）钻杆的转速。颗粒沉降速度与钻杆转速的平方成正比。

（4）冲洗液的流动速度（或泵量）。冲洗液的流动速度越快（或泵量越大），环空压力也将随之增大，但有利于防止绳钻钻杆内壁结垢。

（5）钻杆内径。钻杆内径越大，越容易造成绳钻钻杆内壁结垢。

3.3对本次绳索取心钻进冲洗液性能提出要求

（1）低固相。一般膨润土含量不超过5%，相当于浆液密度1.02～1.03g/cm3。

（2）极细分散。无合适固控设备的情况下，需在配浆和维护中，采用分散性好的配浆材料，保证入孔冲洗液中固相粒度80～90%控制在15～20um。

（3）低粘度、低切力。视粘度6～10MPa·s，动塑比0.2～0.5。

（4）失水量适当，具有一定的抑制能力。中压失水量≤15ml/30min。

3.4使用的冲洗液及其性能控制

根据本次煤炭采空区施工钻遇地层岩性主要为胀缩性黏土、泥岩的特点，结合此次施工钻机及施工工艺的特点，采用无固相冲洗液。

冲洗液配方：1m3清水+0.5～1%GLA改性沥青+0.5～1% GSP广谱护壁剂+0.3%HV-CMC羧甲基纤维素+0.05～0.08% PHP聚丙烯酰胺+0.5%氯化钾+水玻璃。

冲洗液性能：

比重1.01～1.03；漏斗粘度：18～23S；失水量8mL；含砂量≤0.5%；pH值8～9。视粘度AV：4.5～11MPa·s；塑性粘度PV：6.0～12MPa·s；动塑比n：0.35～0.60ks-1。

在施工过程中如何快速评估冲洗液性能，及时反映泥浆是否满足要求，我们通过实践积累如下经验：

（1）不影响绳索取心打捞器下入，作为评估固相含量及黏度高低的指标之一；

（2）岩心管中岩心的取出难易程度（岩心吸水则会膨胀），作为冲洗液失水量高低的评估指标之一；

（3）泥浆泵泵压的高低及稳定情况可作为冲洗液的护壁性能及携带岩粉能力的评估指标之一。

胀缩性黏土、泥岩比较容易吸水造成缩径、孔壁失稳，所以控制冲洗液的失水量较为关键。为确保冲洗液性能对地层的稳定，在施工现场还需做冲洗液侵泡实验，分别使用清水及冲洗液对岩样进行48h侵泡实验。经过我们的试验，验证本次施工冲洗液性能完全达到预期要求。

4　施工小结

（1）由于钻遇地层岩性主要为胀缩性黏土、泥岩，必须控制好冲洗液的失水量，并进行三班24h工作制；

（2）实时根据冲洗液性能、地层、钻进情况的变化，及时调整冲洗液；

（3）快速穿过采空区，并在钻穿采空区15～20m后再下入套管隔离采空区；

（4）针对胀缩性黏土、泥岩地层，采用绳索取心工艺较普通单管钻进工艺对地层的稳定要好得多。

［1］《地质岩心钻探规程》（DZ/T0227-2010）.

［2］汤凤林，等.岩心钻探学.中国地质大学出版社，1997.

［3］杨向峰.岩粉含量对钻孔冲洗液性能的影响.工程科技，2014，3：25～26.

图2　现场冲洗液侵泡实验对比图

TD745

A

2095-2066（2016）17-0079-02

2016-5-30

陈兰弟（1983-），男，探矿工程师，本科，毕业于中国地质大学（武汉），主要从事固体矿产勘察、工程地质勘察施工工作。