钻探取芯技术在井下构造探测中的应用

摘要：针对井下地质构造探测中不取芯工艺误差大、后期钻进效率低等问题，提出了绳索取芯钻探技术，并对下斜钻孔和近水平钻孔取芯方案、工艺参数及配套装备进行了深化设计，并进行了现场验证。验证结果表明：钻探取芯能够根据岩芯岩性精准确定断层位置和断层走向而且取芯完整度和纯洁性好，钻进效率高，有利于复杂地层钻进、孔内测量及测斜工作，具有一定的推广意义。

关键词：构造探测;钻探取芯;复杂地层;深化设计;

构造区的精确探测一直是国内外煤炭行业研究的方向，尤其是现代化、信息化、高产高效的矿井，更是把地质构造的精确探测作为必不可少的地质保障手段。随着当前煤层快速开采技术的不断发展，提前精确查明地质构造的断层位置、走向、断距，陷落柱的位置大小、含水性等，就显得非常重要[1]。目前井下探测构造主要采用不取芯钻探，仅靠钻孔见矸、返水等情况判断探测构造性质、大小、位置等，易对所探构造作出误判，有的构造还需进行巷探，不仅花费人力、物力、财力，且钻进效率低下，影响了钻孔质量和施工进度[2]。因此，有必要研究绳索取芯钻探技术，通过岩芯取样可分辨出钻孔的轨迹和构造的要素，提高钻探的准确度和高效性。

1 现场概况

小河嘴矿为川煤集团下属生产矿井。批准开采3号、9号、15号煤层，现开采3号煤层。每年生产规模400.00万t，地下开采深度420～730 m标高。井田内地层平缓，倾角3°～15°，一般在10°以内。结合矿方地质资料，井田内主要为倾向北西，走向北东的单斜构造，伴有少数落差较小，延伸长度较短的高角度正断层。断层走向多为北东向，倾向多为北西。目前回采的4301工作面地质条件复杂，结合矿方资料和前期物探结果，共查明和揭露断层48条，所见断层落差均未超过20 m，属小型断层。即将揭露的是F18正断层。为进一步探清回采区域构造发育情况，探测F18正断层的具体位置及走向，确保工作面快速回采，采用钻探取芯技术对工作面构造进行精准化探测。

2 钻探取芯方案

在复杂地质条件下煤巷掘进中，矿用钻孔物探技术作为一种行之有效的观测仪器，可以直接进入锚杆(锚索)钻孔、地质钻孔，通过其输出的图像直观地反映出巷道周围岩体不连续面(如层理、节理、裂隙)，为地质构造发育情况判断、巷道支护设计、围岩注浆加固效果等提供可靠依据。绳索取芯钻进技术是以钻杆为通道，通过绳索和专用打捞工具等方式，将岩芯提升到孔外的特殊工艺[3]。绳索取芯技术无需在孔外提升钻杆，能够极大减少下钻具的时间，提高钻进效率。本次取芯包括下斜钻孔(>-30°)取芯和近水平(-30°～+30°)钻孔取芯两种，具体流程见下图1。

如图1所示绳索取芯工艺可施工角度为-90°～+30°，超出该范围不可使用。绳索取芯钻杆壁薄扣，因此拧卸钻杆时必须采用人工拧卸，防止丝扣损伤。绳索取芯施工需要安装提升架(钻塔)，因此占用空间较大，钻孔轴线方向需要尺寸4.5～5 m。

3 工艺参数

3.1 转速

本次绳索取芯钻杆采用金刚石钻头进行钻进。对金刚石钻进而言，一般情况下要求转速v>300 r/min，具体参数见表1。

选择金刚石钻头转速时，还应考虑岩石性质和钻孔等因素。当钻进岩层较破碎、孔壁不稳、软硬不均时，应从下限转速开始逐步调高;当钻孔结构简单、孔深不大、环空间隙小时，可以选用高转速。

3.2 钻压

对金刚石钻进而言，钻压起到的作用仅为将钻头压在孔底，保证起不发生反弹即可。所以在金刚石钻进中通常采用“低压、慢给进”[4]，具体参数见表2。

选择和施加钻压时，除岩石性质外，还应注意金刚石质量、钻头类型、钻压阶段等因素。当钻头所选用的金刚石质量好、粒度大、数量多时，可以选上限钻压;当胎体较软、钻头口径大、壁厚与岩石接触面积大时，应使用上限钻压;此外钻进磨合阶段时，最好使用低钻压、低转速，待钻头唇面形状与岩芯吻合后再逐步提高钻压钻速。

3.3 冲洗液量

冲洗液主要用于钻进过程中排粉、冷却外及润滑钻具等作用，一般选择小泵量和高泵压[5]，具体可参照下表3。

选择合理的泵量时，应考虑以岩粉量、钻头温度和返水量等因素。当岩层较为坚硬致密时，钻进的岩粉量较少，可以从下限泵量开始逐步提高;当岩层具有强研磨性时，需要较大泵量冷却吸收摩擦产生的热量，应使用上限泵量;当钻进漏失地层时，孔口返水明显减少，要需要维持冲洗液的循环应选用大泵量。

4 设备选型

4.1 钻机

金刚石绳索取芯钻进要求钻机转速在150 r/min以上，最好可以实现无极调速，要求钻机具有事故处理能力强、结构紧凑、操作简单、施工角度范围大和搬迁方便等特点。满足-90°～30°范围内的取芯技术，并且探测长度不小于200 m。经多方对比，选用ZDY4500LXS钻机。其结构如图2所示。

如图2,ZDY4500LXS型钻机是履带式全液压钻机，转速范围宽、扭矩大、360°全方位回转，适于采用牙轮钻头、硬质合金钻头及螺旋钻具施工大直径钻孔。钻机采用分组式布置，全机分主机、泵站、操纵台、行走部件、司机座位五大部分，各部分之间用高压软管连接，结构紧凑，油路系统集成度高，便于日常维护和检修。主机倾角调节系统操作简单、全液控操控，工作效率高，工人劳动强度小，操作方便，可适应不同作业环境下的角度需求。

4.2 钻具

绳索取芯钻具主要包括钻头、扩孔器、双管总成和钻杆等，各部件配合完成绳索取芯的高效进行。

4.2.1 钻杆

取芯钻杆采用直连式绳索和有接头式绳索两种，如下页图3所示。

绳索取芯钻杆为专用钻杆，一方面由于钻杆作为内管总成提升通道，必须为内平钻杆;另一方面要求钻杆高转速状态下稳定性好，强度高。根据接头的方式分为有接头、无接头两种，根据绳索取芯钻杆壁薄、平扣连接易损坏等特点，坑道绳索取芯钻杆一般采用有接头的方式。S75绳索取芯钻具选配Φ61～71mm绳索取芯钻杆。

4.2.2 钻头

钻头结构如图4所示。

如图4，绳索取芯目前最常用的钻头为金刚石取芯钻头，根据金刚石的镶嵌方式分为表镶、孕镶两种，根据煤系地层特点及钻进效率方面的考量，S75绳索取芯钻具一般根据地层硬度不同采用胎体硬度20～35的Φ75～49 mm孕镶金刚石取芯钻头。

4.2.3 扩孔器

扩孔器结构如图5所示。

如图5，扩孔器是一种起到扩大孔径和修整孔壁保证孔径不缩小的一种钻具，扩孔器的直径比钻头直径略大，两个配合使用还起到扶正作用，减少钻具偏斜。

4.2.4 双管总成

双管总成包括外管总成和内管总成，外管总成结构如图6所示。

如图6，外管总成由钻头、扩孔器、外管、座环、扶正环、弹卡室和弹卡挡头等组成，实现容纳内管总成、内管总成限位、单动等功能。

内管总成结构如图7所示。

如图7，内管总,由卡簧座、卡簧、卡簧挡圈、内管、单动机构、回收管、弹卡、捞矛头等组成，实现悬挂机构、到位报信机构、岩芯满管报警机构、缓冲机构、辅政机构、安全脱卡机构等。

4.3 打捞器总成

打捞器总成如图8所示。

如图8，打捞器总成由打捞器、脱卡管组成，其中打捞器又由打捞钩、重锤、绳卡组成。打捞器主要的功用是将内管总成提出孔外，脱卡管的作用是内管总成卡滞无法提出时，采用脱卡管可将打捞器顺利提出。

4.4 近水平(上仰)钻孔施工所需钻具

施工近水平或上仰绳索取芯钻孔时，将内管总成及打捞器送入孔底无法继续像垂直孔施工利用自重自然下落，水力输送器的作用即是为了解决这一问题。近水平或上仰绳索取芯钻进时，水力输送器需要将内管总成或打捞器送入孔底，需有钢丝绳穿过水便进行憋压，通缆式水接头即是这一装置。

4.5 液压提升设备

绳索取芯钻进必须配备绞车用于提升内管总成，目前市场上绞车均为液压马达驱动绞车。另外必须配备Φ4 mm、Φ6 mm、Φ8 mm钢丝绳与油管(3根Φ13 mm×5 m油管)，钢丝绳根据钻孔深度分为400 m、500 m。绳索取芯钻进必须采用清水钻进，且金刚石钻头高转速磨削岩石，需用清水冷却钻头、携带岩粉，所以需配备泥浆泵。一般可根据钻孔直径、钻孔角度、深度等因素选择泥浆泵型号，可选3NB-150、3NB-250、3NB-300等。

5 现场试验

施工地点位于北翼4301工作面G2钻场内，为有效探测F18正断层的具体位置及走向，在G2钻场左帮施工两个探测取芯钻孔，总共施工7根Φ127 mm套管并进行全孔段取芯，其参数如表4所示。

5.1 钻孔取芯流程

1)钻孔开孔时，首先采用Φ133 mm钻头进行开孔，钻进16 m后停止进行冲孔，冲洗无杂质后再下入14 mΦ108 mm套管并进行加固，8 h以后进行透孔试压。

2)试压达到标准压力后，连接取芯钻头、岩芯管，拧紧牢固后打开压力水循环，缓慢施加钻压，以低转速、轻钻压试运转，待钻进0.3～0.5 m以后，逐渐调整到正常取芯钻进。

3)取出岩芯后，对岩芯进行护表、岩性描述和编号，存放在岩芯箱，并对钻孔进行封孔操作，保证孔口管内充满水泥、无渗水、滴水现象。

5.2 取芯效果

对岩芯情况进行分析，探1孔位于工作面正前34 m，岩芯见断层泥岩，岩性明显变化，施工至42 m时岩芯为砂岩，判定42 m处为断层位置;探2孔位于工作面正前24 m，岩芯岩性发生变化，判定24 m处为断层另一位置，24～28 m岩芯岩性为砂岩，28～34 m岩芯岩性为泥岩，确定断层走向为北东偏西走向。

6 结语

通过在G2钻场进行钻探取芯，明确了断层位置为工作面正前34 m处，24～28 m岩芯岩性为砂岩，28～34 m岩芯岩性为泥岩，结合矿方地质资料可确定断层走向为北东偏西走向，说明断层有进一步发育可能。由此可见，该工艺能够有效减少对岩芯的磨损，具有减少了辅助作业时间、钻进效率高、地质效果好、绳索取芯钻进岩芯采取率高、完整度和纯洁性好等优点，有利于复杂地层钻进、孔内安全和便于测斜工作，具有一定的推广意义。

参考文献

[1] 许刘万，曹福德，葛和旺.中国水文水井钻探技术及装备应用现状术[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2017,55(1):66-68.

[2] 卢予北，吴烨，陈莹.绳索取心工艺在大口径深部钻探中的应用研究[J].地质与勘探，2018,48(6):54-56.

[3] 陈坚，胡海波.绳套取芯钻探技术现状及在水文水井钻探的发展创新[J].山东煤炭科技，2016,28(3):17-19.

[4] 许刘万.水文水井钻探工艺及设备发展情况[J].地质与勘探，2019,36(4):85-88.

[5] 郭孟起.大口径孕镶复合体金刚石取芯钻探技术及其应用[J].西部探矿工程，2019,21(7):5-7.