山东科技大学土木工程与建筑学院 山东青岛 266590
摘要：针对白垩系洛河组含水层被煤层开采后的顶板导水裂缝带波及如何精细探查矿井水文地质条件、怎样合理预测矿井涌水量及其变化趋势、矿井防治水工作该如何开展这系列问题，开发设计了高承压水钻孔施工工艺技术。项目实施主要步骤为基础资料收集整理、施工队伍准备；项目实施方案编制；相关调查、物探施工、水文钻探施工、监测系统建设等；开展研究区水文地质条件研究与评价、并进行水文长观。由于新区矿井煤层受顶板高承压水的威胁，高角度，大直径，长套管的放水钻孔将大量施工，因此大力开发高承压水、长套管下放施工技术，对发展我国煤炭工业，保证钻孔的顺利完成，有重大的意义。
关键词：高承压水；钻孔施工工艺；高角度；长套管
0 引言
高家堡矿井白垩系含水层精细探查工程项目综合运用钻探、物探、水文测井、抽（放）水试验、水质分析及岩石专项测试、水文长观等手段，对高家堡矿井白垩系和侏罗系地层进行精细探查，深入研究煤层顶板主要含（隔）水层的水文地质条件和地层发育特征，为高家堡矿井综合防治水技术研究项目和矿井防治水工作提供基础数据资料。
随着煤炭工业的迅速发展，新井投产，但白垩系洛河组含水层主要为中粒砂岩，厚度大，富水性、渗透性强，预计煤层开采后顶板导水裂缝带将波及，是对矿井威胁最为严重的充水含水层，尤其是新区矿井煤层受顶板高承压水的威胁。高角度，大直径，长套管的放水钻孔将大量施工。因此，针对这一现状，大力开发高承压水、长套管下放施工技术是十分重要的。
1 大角度长套管高承压水钻孔施工工艺技术方案
1）项目实施主要分五个步骤进行：
（1）基础资料收集整理、施工队伍准备；
（2）项目实施方案编制；
（3）现场探查工程施工：相关调查、物探施工、水文钻探施工、监测系统建设等；
（4）开展研究区水文地质条件研究与评价、并进行水文长观；
（5）在钻探工程结束后，编制工程竣工报告。
2）钻孔施工顺序
地面钻孔同时施工，配合进行白垩系上下段含水层抽水试验。井下钻孔在井下具备施工条件时施工。井下钻孔施工结束后，结合矿井实际开展放水试验。
2 钻孔位置及钻孔结构
为探查侏罗系含水层和白垩系洛河组下段含水层水文地质条件，在41101工作面附近布置TJ1～TJ4四个钻孔。图1为钻孔位置见，表1为钻孔基本参数。TJ1钻孔自一盘区辅助运输大巷倾斜向上施工，设计孔深140m，垂深约80m，仰角55°，施工至安定组内5m终孔；TJ2～TJ4钻孔均自巷道底板处向上施工，见图2，设计孔深310m，垂深180m，仰角55°，穿过侏罗系地层进入洛河组内约85m即终孔。
（1）TJ1钻孔结构
一开：Φ215.9mm钻进至10.5m，或者Φ159mm钻进至10.5m后再Φ215.9mm扩孔，下入不小于10m的Φ180mm套管；
二开：Φ159mm钻进至孔深25.5m，下入25m的Φ146mm套管。
三开：Φ108mm钻进至安定组内5m——孔深约105m终孔。
（2）TJ2~TJ4钻孔结构
一开：Φ215.9mm钻进至10.5m，或者Φ159mm钻进至10.5m后再Φ215.9mm扩孔，下入不小于10m的Φ180mm套管；
二开：Φ159mm钻进至孔深25.5m，下入25m的Φ146mm套管。
三开：Φ127mm钻至安定组顶面即孔深116m，下入Φ108mm套管；
四开：Φ89mm钻进至洛河组内85m——孔深220m终孔。
施工结束后，TJ1井下钻孔留作侏罗系含水层水文长观孔；TJ2～TJ4钻孔出水小者留作洛河组下段含水层水文长观孔，其余两孔作为洛河组下段放水孔进行井下放水试验。井下钻孔设计可根据施工具体情况调整。
3 钻探冲洗液技术
由于高家堡矿井地层地质条件复杂，下斜钻孔深度的增加，经常遇到的破碎、泥砂岩互层等复杂地层。在下斜孔钻探施工中，遇到这类地层，对冲洗液的性能及维护要求相当严格，处理不当将产生包钻、卡钻、塌孔等一系列孔内事故。主要钻探技术要求如下所列：
（1）岩芯采取
T1、T2钻孔基岩段均为全孔取芯。取芯时应保证岩芯完整，必须按上下顺序排好，严防颠倒。
（2）简易水文观测
全孔进行简易水文观测：在钻进过程中，如遇有严重漏水、掉块、塌孔、缩径、掉钻等现象时，要准确记录其发生的层位和深度及最大漏水量等。
（3）孔斜要求
在钻探中应采用专用钻孔测斜仪测量，发现孔斜超标及时纠偏。
（4）钻具丈量
孔深每50m、下套管、变径处、见煤处、遇严重涌（漏）水等水文地质现象、终孔均需进行丈量钻具，并合理平差。
（5）对钻孔止水要求
由于钻孔钻进过程中会揭露多个含水层，须严格止水，并检查止水效果，不合格时应重新进行。
4 钻孔取芯工艺
(1)钻孔全孔段取芯，岩芯直径应与相应岩芯管保持一直，误差要控制在2mm以内；应设法保持岩芯水分，严防失水或风化。对岩芯必须进行详细描述，内容包括：岩石名称、粒度、分选性、颜色、矿物成分、岩石结构、胶结物成分及胶结程度、（胶结良好的、中等的、差的、未胶结的），相对硬度包括特硬、很硬、硬、中等、软、很软。
RQD值按《矿区水文地质工程地质勘探规范》所给公式计算：
（2）钻具丈量：依据煤田地质勘探规范，孔深每百米、下套管、变径处、见煤处、遇严重涌（漏）水等水文地质现象、终孔均需进行丈量钻具，并合理平差。
（3）孔斜要求：每百米不超过1°。
（4）全孔进行简易水文观测，并做到：套管下至10m深度后进行回次水位观测，每个回次提钻后和下钻前各进行一次“三量”观测，包括水量、水压和水温等，并及时采取水样进行水质分析。
5 结论
通过该项目的试验和实施，钻孔施工工艺得到很大改善，主要体现在以下几点：
（1）岩芯管的优化，本次水钻孔施工工艺技术中的岩芯管从1m更换成3m，使套管的外露长度大大的减少，革新了返浆管的装置，提高了钻孔钻进速度，保证了工作效率。
（2）套管承压的提高，水钻孔施工中用钻头扫孔至孔底，进行清水耐压试验，水压力不小于8Mpa，并持续半小时。大力开发高承压水、长套管下放施工技术，可以极大地推进我国煤炭工业的发展。
（3）钻孔角度的优化，将钻孔角度设计为上仰55°，可提高钻孔的质量，便于下一步长套管的安放，为钻孔施工的顺利实施提供便利。
（4）使用异径钻头用钻机上顶上仰钻孔套管，目前上仰钻孔下套管普遍采用绞车反拉或用钻机钻杆垫板上顶。由于套管自重及钻孔不直、塌孔等原因，套管上顶非常困难，且容易造成跑管事故。而使用异径钻头用钻机上顶上仰钻孔套管，即能顺利下放套管到即定位置，又可以确保施工安全，如遇阻力还可用钻机慢速旋转钻进，有效的解决了这一难题。
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作者简介：姜雯（1998.9-）女，山东潍坊人，2016年被山东科技大学录取为本科生，系土木工程与建筑学院，城市地下空间工程方向，主要研究城市地下空间开发利用等综合问题。
论文作者:姜雯
论文发表刊物:《基层建设》2019年第8期
论文发表时间:2019/6/20
标签：钻孔论文; 套管论文; 含水层论文; 矿井论文; 水文论文; 水文地质论文; 白垩论文; 《基层建设》2019年第8期论文;