煤田地质钻探技术特点与方式解读

李福生

摘 要：在开采煤炭资源的过程中，煤田勘探有助于了解当地的地质特征，从而保证整个煤田开采工作的顺利开展。目前，我国煤田地质勘探技术以物探、钻探和遥感等技术为主，且发挥了预防煤矿水灾事故、瓦斯事故、顶板事故等安全效益和经济效益。为了推动煤田地质勘探事业的发展，本文主要探究煤田地质钻探技术及其特点，以期为实现我国煤炭安全生产目标提供技术支持。

关键词：煤田地质;钻探;应用研究

中图分类号：P624 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）04-0171-02

0 前言

在煤炭工业中，地质勘探是基础。自1949年新中国成立至今，我国先后开展了三次全国煤田预测工作，借此揭示了我国煤炭资源的总体分布规律与煤炭资源总量。同时，我国煤炭资源勘探在满足煤炭工业战略西移需求的基础上，建立了地球物探与钻探结合的综合勘察技术体系，为我国规划建设大型煤炭基地提供了资源保障，并为国家经济与社会的发展提供了资源基础。但在“富煤、少油、缺气”能源资源禀赋特点的制约下，我国短时间内无法改变煤炭资源的基础地位。所以，按照党的“十九大”的指示，煤炭工业应从高速增长转变为高质量质量，同时煤炭资源勘查的工作任务应从发现与查明煤炭资源转变为保障安全绿色开采与清洁高效利用。在这一社会背景下，本文首先介绍几种煤田地质钻探技术，然后再进一步分析我国煤田地质钻探的常见问题，并提出针对性的建议。

1 煤田地质钻探技术

地质钻探是一项用钻探工艺与专业机械设备钻取地下岩矿心，用以为地质矿产资源参数做出可靠评价的地质工程，其目的是为了查明地下的地质状况。与普通地质勘察相比，煤田地质钻探具有更高的难度，其中常会遇到深孔钻探、塌孔和瓦斯问题，从而严重威胁到了煤田地质钻探效果。为此，本文从以下方面简述煤田地质钻探技术。

1.1 绳索取芯钻探技术

资料显示，我国于20世纪70年代开始钻研绳索取芯钻探技术，并在两年后成功鉴定验收了S56绳索取芯钻具。自此以后，我国相继推广应用了液动潜孔锤和液动潜孔锤螺杆钻等新型钻具，且应用效果显著。其中，绳索取芯钻杆一般由42MnMoB材质的杆体、30CrMnSiA材质的接头组成，并由不对称螺纹连接，从而保障了钻杆的钻速快、钻头寿命长和时间利用率高。研究表明，绳索取芯钻探技术有助于缩短升降钻辅助时间，并提高了钻进效率。但在绳索取芯钻探中，如果岩矿芯发生堵塞现象，要求第一时间打捞岩矿芯，以免其被磨蚀，注意保持岩矿芯打捞全程的平稳状态及防止脱落。

1.2 液动潜孔锤钻探技术

液动潜孔锤钻探的原理为：按照回转钻探要求，用配套泥浆泵输送后驱动冲洗液，用以冲击用于破碎岩石的钻头，从而使钻头回转钻探。对于液动潜孔锤钻探技术，自1958年开始研究至今，我国已经对该项技术做了60年的应用研究。研究表明，在煤田地质钻探中，液动潜孔锤钻探技术有助于提高钻进效率，且与回转钻探技术相比，该项技术可应用在坚硬岩层和复杂岩层中，同时无需调节设备结构及可与减震稳流平压的空气室联合应用，从而提高了整项技术的性能。

1.3 反循环钻探技术

反循环钻探是一种基于金刚石绳索取芯钻探的地质钻探技术，其原理为：将空气中心取样与水力反循环应用于同一个钻孔中，并用同一套钻具进行钻进转换。研究表明，通过应用反循环钻探技术，拓展了应用范围，且可采用水力、空气反循环方式，其中空气反循环的原理为：双壁钻杆利用内、外管环隙向孔底输送压缩空气，同时利用钻杆中心通道向地表输送潜孔锤驱动的气体、岩屑，此时仅需分析岩屑，便可掌握地下地质状况。但煤田反循环钻探技术一般与其他技术联合使用，因为破碎的岩屑对地层结构、地质构造的反映并不全面。

1.4 空气泡沫钻进技术

空气泡沫钻进技术是一种以气液混合泡沫流体为冲洗介质（由少量泡沫剂、液體和气体组成）的钻进技术，其适用于复杂地区或地层，如供水难的地区、漏失地层、雨水膨胀或缩径或坍塌地层、弱胶结怕冲刷岩层、水冻地层等，从而解决了护壁难和钻孔漏失严重的技术难题。与泥浆清水钻进技术相比，空气泡沫钻进技术具有特殊性，表现在钻压、转速、发泡剂浓度、气液比等方面，见表1。

1.5 定向钻进技术

定向钻进技术是指用钻孔自然弯曲规律或用人工导斜工具使钻孔按设计的轨迹弯曲，以实现地质及其他工程目的的钻进方法。在煤田地质定向钻进中，可采用以下定向方法：直接定向，即按规定的角度使造斜工具面向某一特定的方向定向;间接定向，即根据测知的造斜点钻孔方位角与顶角，先算得造斜工具面与钻孔倾斜面的夹角，再使造斜按工具面向角定位，用以实现对磁北方向定向;随钻定向（MWD），即先在钻杆柱中安放好测斜定向仪，再在钻进的同时，连续测知钻杆的方位、顶角和造斜工具面向，用以调节造斜工具面向和控制造斜方向。应用表明，定向钻进技术具有节省钻探进尺、提高钻探质量、降低防斜与纠斜耗费、防止孔斜超差等优点，尤其适用于地面作业受限、地质条件要求严格和具有特殊工程技术要求的情况下。

2 煤田地质钻探的常见问题

在煤田地质钻探中，通常会出现深孔、塌孔和瓦斯等问题，从而严重威胁到了我国煤矿安全生产目标的实现。下面，笔者首先分析煤田地质钻探常见问题的表现，然后进一步提出解决办法。

2.1 深孔问题

在煤田地质钻探中，深孔问题严重影响了钻探施工进程。为此，首先要求从煤田的地质条件、岩石的物理特性、工程施工量与施工工期等角度合理选择钻探机具;其次，煤矿地质钻探要求从煤系中快速穿过，以免因长时间停留而引发钻孔问题，所以需要选择高性能的钻探机具及按规范操作;第三、在选择钻机时，留足钻机的能力空间;第四、在深孔钻探中，合理选择钻具和钻杆，其中老地标系列和内外平全加厚钻杆都不适合在深孔钻探中使用，因为前者因丝扣连接短、强度低而易被折断或弯曲，而后者耐磨性差且维修更换不便。

2.2 塌孔问题

在煤田地質钻探中，塌孔约占钻探事故总数的50%，从而严重影响了工程施工进度。针对塌孔问题，究其原因如下：一是地质岩层具有不同的硬度，其中在软岩层钻探中，推进太快如果造成塌孔，从而阻碍岩粉被快速排出;二是如果钻孔与煤层长距离接触，容易造成塌孔，从而阻碍煤岩屑被正常排出;三是如果钻孔从地质构件变化带穿过时遇到硬岩，或是破坏了煤岩的完整性，则在钻进时掉渣会堵塞钻孔，从而导致埋钻。为了防止发生塌孔事故，本文提出以下应对建议：首先，如果在钻探中出现钻机旋转费力、钻孔中返浆弱、颜色混沌且碎石多，可判断出现埋钻问题，建议马上旋转起钻，直至返浆带渣减少，而后再慢慢下钻;此时，如果钻机旋转费力，则反复第一步的操作，直至钻机正常旋转;如果以上方法无法彻底解决塌孔问题，且出现了更加严重的塌孔现象，则表明塌孔处岩层较为松软及其易在水的作用下继续塌孔，这定会增加埋钻、卡钻等问题出现的风险，建议起拔钻杆至安全处;在处理塌孔时，如果在钻孔中出现卡钻现象，且钻孔底部岩石坚硬和裂隙发育，则先向孔中直接注浆，再在浆液凝固2天后继续钻探;如果钻机的旋转压力不断增加，且钻孔底的松软岩层出现塌孔和岩层强度不高，建议马上拔出钻杆，并先更换钻头，再反复冲洗钻孔，然后向钻孔底注浆至塌孔填满;如果以上方法仍不起效，建议改用三棱钻杆，并任用经验丰富、技术娴熟的钻探人员，从而提高煤田地质钻探效率。

2.3 瓦斯问题

在我国，50%的煤矿井都是高瓦斯矿井，且在煤田地质钻探中，瓦斯释放易引起爆炸、燃烧等事故，从而严重威胁到了煤田地质钻探安全生产目标的实现。另外，我国煤田地质钻探人员对瓦斯问题的重视程度明显不够，导致相关的安全事故频发。为此，首先要求建立完善的安全管理系统，即在政府的扶持下，自筹资金，升级改造技术设备和瓦斯抽采系统、监测系统、通风系统和防尘灭火系统，从而保障煤矿的安全生产;其次，严格管理煤田地质钻探现场，并实施安全生产标准，施行地面与井下相结合的抽采方式;第三、突破技术障碍，即在高瓦斯矿井中，应用巷道、钻孔抽放技术来防治瓦斯，见表2。

在高产、高效矿井中，企业一般采用综合抽方法，目的是为了降低瓦斯风险及防止在煤田地质钻探中出现瓦斯事故。

3 结语

从上个世纪80年代以来，我国煤炭工业的发展非常迅速，其中煤田地质勘探技术实现了从表面勘探到更深、更宽的方向层次发展。关于我国煤田地质勘探技术的发展，笔者整理得出以下结论：首先，综合创新钻探技术手段，为东、西部煤田勘探提供技术支持;其次，创新发展水平钻进技术，更新调整钻探装备，从而推动我国煤田地质钻探技术的深度发展;第三、推动信息技术在煤田地质钻探领域的广泛应用，以提高我国煤田钻探的信息化、自动化水平;第四、在提升煤田地质钻探技术的同时，加强环境保护，以减轻煤田开采对整个生态环境的污染程度。

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