柴宿東,陳敏虹
(安徽省煤田地質(zhì)局水文勘探隊,安徽宿州 234000)
祁東煤礦位于宿州市東南約30 km的祁縣鎮(zhèn)與固鎮(zhèn)縣龍王廟鎮(zhèn)交界處。該礦某采區(qū)工作面曾發(fā)生過突水事故,為確保今后安全生產(chǎn),為下一步礦井施工提供更為全面可靠的水文地質(zhì)資料,完善水文補充勘探,需施工幾個地面水文長期觀測孔,其中6#孔終孔層位為太原組第四層灰?guī)r下,深度860m。目的是查明其鉆孔附近的地層構(gòu)造、風化巖層深度、巖層特性,可采煤層的深度和厚度及結(jié)構(gòu),同時以便觀測基巖太原組1~4層“太灰”巖溶、裂隙含水層水位動態(tài),提前對工作面水文情況進行預測預報[1]。
祁東煤礦開采的煤田為一第四系松散含水層覆蓋下的隱伏煤田,煤系地層屬二疊系、石炭系,煤系基底為太原組石灰?guī)r。礦井直接充水含水層為煤系頂、底板砂巖裂隙含水層,主要充水水源為第四系底部的第四含水層和太原組灰?guī)r含水層。
松散層由表土、粘土、砂質(zhì)粘土、粉砂、細砂、中砂、泥灰?guī)r、礫石、砂礫等組成,局部地區(qū)還有砂巖盤,膠結(jié)性差。厚度在375m左右,其中第四系底部含水層厚約40m,主要由礫石、砂礫、粘土礫石、砂、粘土質(zhì)砂等組成。二疊系、石炭系由泥巖、粉砂巖、砂巖和煤層與灰?guī)r組成,底部太原組含多層灰?guī)r。局部灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育。
(1)巖心采取:上部從340~405m取第四含水層與基巖風化帶;基巖部分從755m(10#煤上10m)開始取心到終孔。巖心采取率≥75%,破碎帶的巖心采取率≥60%。
(2)孔斜:鉆孔頂角每百米不超過1°。
(3)終孔層位:太原組灰?guī)r第四層灰底板下約5m,深度860m。
(4)測井:全孔數(shù)字測井,并作分層解釋。
(5)止水:對含水層頂層上部采用套管隔離,粘土球與水泥止水。利用水位差法檢查止水效果,止水質(zhì)量合格。
(6)太原組灰?guī)r孔段采用清水鉆進,抽水孔段為裸孔,孔徑不小于Φ110 mm,并作抽水試驗。
(7)鉆孔竣工后,管口按裝管口蓋,做到堅固,觀測方便[2]。
在滿足設(shè)計需要節(jié)約成本的原則下,結(jié)合以往的施工經(jīng)驗選擇。鉆機:TXB-1600;泥漿泵:NBB-260/7B;柴油機:6135、4135各1臺;鉆塔:HS22-36型;空壓機:W9/7;潛水泵:100QJ10-120型;鉆桿:Φ50 mm;鉆鋌:Φ68 mm、Φ89 mm;套管:Φ127 mm、Φ168 mm。
(1)松散層中的砂層易坍塌,粘土層、泥灰?guī)r易吸水膨脹縮徑。
(2)砂層、礫石層易發(fā)生漏水,石灰?guī)r的巖溶裂隙發(fā)育易發(fā)生漏水。
(3)礫巖層、破碎帶、煤層采取率低。
(4)巖石軟硬互層,地層傾角較大,鉆進中易發(fā)生孔斜。
(5)孔深下套管與止水難度大。
5.2.1 預防孔斜
(1)設(shè)備安裝穩(wěn)固,提引器中心、立軸中心、孔口中心三點在一垂直線上。
(2)把好開孔關(guān),采用鉆鋌給壓,所加鉆鋌的重量應大于所需鉆壓的1/3,使用的鉆具要直,連接后應同心,合理使用鉆進的技術(shù)參數(shù)。
(3)每鉆進一百米測斜一次,掌握孔斜情況,發(fā)現(xiàn)孔斜超限及時采取糾斜措施。
(4)換徑、擴孔鉆進時應帶導向,并且在鉆鋌處增加2組扶正器。
5.2.2 護壁措施
(1)鉆進至見太原組灰前,用高分子聚合物低固相泥漿護壁,泥漿配方:膨潤土4%+純堿0.5%+NaPAN 0.4%+NsHmK 2%+K -PAM 0.1%。
性能指標:漏斗粘度 20 ~25 s,密度 1.04 ~1.08,失水量<13 mL/30min,pH值8。具有提高其攜帶巖粉、潤滑、防塌性能,確保孔壁穩(wěn)定。
(2)見太原組灰?guī)r前如發(fā)生孔內(nèi)漏水,采用提高泥漿粘度、降低泥漿密度,并在泥漿中加入隋性堵漏材料進行堵漏[3]。
5.2.3 提高巖心采取率的措施
(1)松散層取心采用投鋼球干鉆法,使巖心自然堵塞。
(2)對松軟、破碎地層,選擇雙管取心,控制回次進尺長度。單管鉆進取心,采用大、中、小規(guī)格卡料,配合卡簧提斷器卡取巖心。
(3)為保證煤心采取率達到設(shè)計要求,見煤預告下達后,要控制進尺,嚴格執(zhí)行守煤制度和班長負責操作制,并做到準確判層,嚴格執(zhí)行“見軟就起鉆,不準試試看”的制度。
(4)取煤前應將孔內(nèi)殘留巖心采凈,調(diào)整好泥漿。
(5)選用單動雙管取煤器,取煤器下入孔內(nèi)前在地面應檢查好,使單動靈活,內(nèi)外鉆頭間隙適當,回水單向閥工作良好。
(6)取煤器下入孔內(nèi)離孔底約0.5m進行充分沖孔。煤層鉆進第一回次應控制其進尺長度,以觀察鉆進參數(shù)是否合理,以便調(diào)整。
(7)鉆進煤層時,孔底加壓要均勻,嚴禁提動鉆具,使用鉆壓 0.8 ~1.5 t,轉(zhuǎn)速 150 ~200 r/mm,泵量 200 L/mm 的鉆進參數(shù),回次未減小泵量,增加壓力,干鉆拿牢煤芯,提升鉆具要穩(wěn),擰卸鉆具時不能敲大錘,防止震掉煤心。
一開至風化帶底部402m為Φ190 mm孔徑;二開402~812m(海相泥巖底板)為Φ146 mm孔徑;三開812~860m為 Φ108 mm孔徑(抽水層段)[4]。見圖1。
圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖
一開無心鉆進→取心鉆進→測進→擴孔→順孔→下表層套管粘泥止水→二開無心鉆進→取心鉆進見灰?guī)r→測井→擴孔→順孔→下技術(shù)套管→水泥止水→三開清水鉆進→擴孔→洗孔→抽水試驗。
6.2.1 鉆進施工
(1)無巖心鉆進鉆具組合:Φ89立軸→Φ50 mm鉆桿→Φ68 mm鉆鋌→Φ110 mm(Φ91 mm)鉆頭;鉆進參數(shù):鉆壓10~15 KN、轉(zhuǎn)速 150~250 r/min、泵量160~250 L/min。
(2)取心鉆進鉆具組合:用Φ89立軸→Φ50 mm鉆桿→Φ68 mm鉆鋌→Φ89 mm巖芯管(單、雙管)→Φ91 mm鉆頭;鉆進參數(shù):鉆壓8~12 KN、轉(zhuǎn)速150~250 r/min、泵量100~200 L/min。
6.2.2 擴孔
(1)擴孔采用由小徑到大徑逐級擴孔,擴孔鉆進時應帶導向,導向長度大于1.5m。
(2)鉆具組合:Φ89立軸→Φ50 mm鉆桿→Φ68鉆鋌→Φ89 mm 鉆鋌→Φ110 mm(Φ127 mm、Φ146 mm、Φ190 mm)擴孔器。
(3)擴孔鉆頭選用大八角直鑲硬質(zhì)合金鉆頭、PDC擴孔鉆頭,增加粗徑鉆鋌。鉆進參數(shù):鉆壓8~10 KN、轉(zhuǎn)速100~150 r/min、泵量 260 L/min[5]。
6.2.3 下套管與止水
(1)下套管前調(diào)整好泥漿性能,用同徑長約20m的套管進行順孔,確保套管順利下入到設(shè)計深度。
(2)對套管進行逐根檢查、丈量、編號、記錄,按編號順序下入。套管連接采用絲扣連接,絲扣處涂鉛油,下管要連續(xù)作業(yè)。
(3)表層套管下入深度402m座在硬巖上,用粘土球止水,搗實高度≥20m。
(4)技術(shù)套管下至812m,座在巖石完整的隔水層上,采用425#水泥止水。水灰比為0.5,水泥漿密度1.84,水泥用量 0.65 t,同時加入 NaCl23.25 kg+ 三乙醇胺 0.325 kg攪拌均勻。注漿止水前先泵入清水清洗孔壁,之后從套管內(nèi)注入水泥漿,水泥返高≥50m。
(5)注完水泥漿,注入8.5m3頂替清水,使套管內(nèi)留有約5m左右的水泥塞,關(guān)閉套管口閥門。
(6)待水泥凝固48h后,下鉆具掃水泥塞到套管口,進行止水檢查。
(7)止水檢查:采用向套管內(nèi)注清水,液面每小時變化幅度小于2 cm。
6.2.4 太灰段鉆進
用清水作沖洗液,Φ91 mm取心鉆進到太原組第四層灰?guī)r下約5m,然后擴孔。
6.2.5 洗孔
(1)下鉆具泵入清水,清洗鉆孔含水層段。
(2)空壓機洗井,將洗井器接在鉆具下端,下到一定深度,通過空壓機以大風量上下串動鉆具,將井內(nèi)泥漿及巖粉沖出井外,反復進行[6]。
(3)沖孔器洗井,將沖孔器接在鉆桿下端,下到含水層位,使沖孔器對準含水層,開泵大泵量泵入清水。沖洗時應由下而上分段沖洗。
6.2.6 抽水試驗
(1)認真檢查抽水設(shè)備,進行試運轉(zhuǎn)檢查,備齊試驗用的器材工具,測量、計量器具,做好抽水試驗前的準備工作。
(2)抽水試驗采用100QJ10-120型潛水泵,最大揚程為130m,最大流量13m3/h。為計算涌水量提供可靠的水文地質(zhì)參數(shù)。
(3)每次正式抽水前,要進行不少于4h的連續(xù)試抽。式抽應盡設(shè)備的最大能力。通過試抽以全面檢查抽水試驗和各項準備工作,并達到進一步洗孔的目的。
(4)抽水試驗結(jié)束后,需用鉆具探測孔深,當孔內(nèi)淤塞物達到及超過含水層段1/8時,要專門進行撈?。?]。
(1)地面水文長期觀測孔,施工工序多,質(zhì)量要求高。因此應事先制定祥細可行的技術(shù)方案,灰?guī)r有巖溶洞穴、裂隙發(fā)育,鉆進中控制鉆壓與轉(zhuǎn)速,防止孔斜和掉鉆。發(fā)生漏水及時記錄漏失量與深度,加強觀測。
(2)在一開、二開鉆探過程中,調(diào)整泥漿性能指標,適合地層變化,確保鉆孔孔壁穩(wěn)定,避免地層坍塌和卡鉆等事故發(fā)生;同時下套管前調(diào)整好泥漿,順孔是確保套管順利下到設(shè)計層位的前提。
(3)采用雙管單動取心鉆具可提高巖心的采取率。
(4)套管絲扣連接處,涂鉛油增加上部套管的密封止水效果。
(5)水泥是很好的止水材料,而且成本低。注水泥漿作業(yè)屬于隱蔽工程,止水工作是觀測孔成敗的關(guān)鍵因此之一。
(6)通過對孔內(nèi)水位的觀測,可了解水位升降與工作面涌水量對應關(guān)系,為工作面防冶水提供參考依據(jù)。
[1]韓廣德,金寶昌,丁祥發(fā),等.中國煤炭工業(yè)鉆探工程學[M].北京:煤炭工業(yè)出版社.2000.
[2]湯鳳林,А.Г.加里寧,段隆巨.巖心鉆探學[M].武漢:中國地質(zhì)大學出版社.2009.
[3]煤炭地質(zhì)鉆探規(guī)程[S].MT/T 1076—2008.
[4]丁真林,王國慶,朱樂意.遙測技術(shù)在祁東煤礦水文長觀孔水位監(jiān)測中的應用[J].江西煤炭科技.2011(3):40-42.
[5]李康.淺談皖北煤電祁東煤礦長觀孔水位遙測及報警系統(tǒng)的應用[J].硅谷.2008(20):131.
[6]楊文欽.水文長觀孔改造技術(shù)探討[J].中國煤炭學會礦井地質(zhì)委員會2008年學術(shù)論壇文集.277-278.
[7]陳萬盛,王繼礦,張福平,等.基于SMS(短消息)通信的水文長觀孔的遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].煤田地質(zhì)與勘探.2006,34(2):62-64.