鉆探工藝課程設(shè)計

1、鉆探工藝課程設(shè)計第一部分 鉆探技術(shù)設(shè)計一、 確定礦區(qū)的鉆孔結(jié)構(gòu)本節(jié)主要闡明選擇鉆孔結(jié)構(gòu)的具體依據(jù)。根據(jù)不同的施工條件、地質(zhì)設(shè)計，繪制典型鉆 孔結(jié)構(gòu)圖。1. 概念鉆孔結(jié)構(gòu)是指開孔至終孔孔身口徑的變化。換徑次數(shù)愈多，鉆孔結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，反之越簡 單。鉆孔結(jié)構(gòu)的選擇，要充分考慮礦區(qū)的巖石性質(zhì)、水文地質(zhì)條件、終孔口徑、鉆孔深度、 鉆進方法、鉆孔用途等因素。2. 確定鉆孔結(jié)構(gòu)總的原則以終孔直徑做為擬定鉆孔結(jié)構(gòu)的標準，對照理想巖層剖面自下而上擬定各段的口徑和開 孔直徑。在保證鉆孔質(zhì)量和安全鉆進的前提下，盡可能地采用泥漿護孔從而減少或不下套管 和少換徑，最大限度地簡化鉆孔結(jié)構(gòu)。3. 鉆孔結(jié)構(gòu)選擇依據(jù)1）終孔直徑

2、終孔直徑是設(shè)計鉆孔結(jié)構(gòu)的先決條件，以此為依據(jù)根據(jù)地層的復(fù)雜程度等因素，從下向 上推算。影響終孔直徑選擇的因素是多樣的，比如鉆頭型式、鉆進方法、地質(zhì)要求、鉆孔用 途、孔內(nèi)測井儀器和裝置的規(guī)格、鉆機動力容量等。2）換徑次數(shù)：是否換徑應(yīng)由以下幾個方面決定： 用套管固壁問題：取決于對鉆孔地質(zhì)情況的了解程度和鉆孔復(fù)雜情況。當(dāng)鉆進松散的 砂礫巖、流砂層、受地下水影響，用泥漿護孔無效時；穿過較厚的節(jié)理、裂隙發(fā)育的破碎帶、 坍塌、掉塊極為嚴重，采用泥漿、水泥漿或其它方法護孔無效時；鉆孔遇到含水構(gòu)造或與大 裂隙貫通，嚴重漏水，用其它方法止水無效時。上述三種情況下應(yīng)考慮下入套管換徑鉆進， 應(yīng)根據(jù)可能遇到的情況確定

3、好所下套管的層數(shù)。 鉆機能力問題：鉆機動力是一定的，不同口徑到達一定的深度后就要及時改換以便繼 續(xù)鉆進。 鉆具級配問題：盡可能選擇鉆桿直徑與鉆頭直徑相接近，利于孔壁穩(wěn)定。 鉆進效率問題：口徑越大，效率相應(yīng)會低些，因此在滿足取樣要求的情況下盡可能用較小的口徑。4. 鉆孔結(jié)構(gòu)選擇示例淮南礦區(qū)勘探某礦床并治理瓦斯時，設(shè)計孔深7oom采用硬質(zhì)合金鉆進，地質(zhì)剖面包括以下層位：（1）表土層0至15m（ 2）18至160m為可鉆性3至4級的巖石該段全漏水不循環(huán)；（3）160至700m為可鉆性4至6級的穩(wěn)定巖石；（4）地質(zhì)取樣要求以59mm終孔。試確定該 鉆孔結(jié)構(gòu)。鉆孔結(jié)構(gòu)剖面圖如圖9-1所示。圖9-1鉆孔結(jié)

4、構(gòu)剖面圖分析從已知條件，自160m至終孔適于一徑到底，不下套管；分析地質(zhì)剖面，該鉆孔下 孔口管和一層套管即可；為封閉漏失層，套管下放深度為170至180m管鞋伸進穩(wěn)定層10至20m套管直徑為73mm因此該孔段須用76mn鉆進；孔口管長18至20m直徑89mm因 此開孔取91或110mm據(jù)此可作出如上圖的鉆孔結(jié)構(gòu)圖。在礦區(qū)鉆探技術(shù)設(shè)計書中，值得注意的是應(yīng)該將礦區(qū)的鉆孔結(jié)構(gòu)劃分為簡單鉆孔結(jié)構(gòu)和復(fù)雜鉆孔結(jié)構(gòu)二種類型加以作圖說明，同時作圖時應(yīng)將各要素如直徑、換徑深度等標明。二、沖洗液與護壁堵漏1. 沖洗液的功用、種類1）功用：巖心鉆探中，要保證優(yōu)質(zhì)快速安全鉆進，正確地選擇、使用沖洗液起著十分重 要的作

5、用。它主要起的作用是： 清洗孔底，懸浮和攜帶巖粉。借循環(huán)著的沖洗液將鉆頭破碎的巖粉、巖屑及時攜帶至 地表，以保持孔底清潔；而當(dāng)沖洗液中斷時，利用其本身的觸變性，將巖粉懸浮起來，防止 巖粉迅速沉淀造成埋鉆事故。 冷卻鉆頭，提高鉆頭的使用壽命。鉆進過程中，孔底產(chǎn)生很高的溫度（二百至三百度），因此，借沖洗液的循環(huán)將熱量帶走，從而達到冷卻鉆頭延長鉆頭使用壽命的目的。 潤滑鉆頭和鉆具， 減弱鉆具振動。 使用加潤滑劑的乳化沖洗液可減小鉆頭與孔底巖石、 鉆具與孔壁間的摩擦阻力和有效地減弱鉆具高速回轉(zhuǎn)時振動及減輕鉆機動力機等的負荷，使 鉆頭工作平穩(wěn)。 形成泥皮，保護孔壁。利用沖洗液本身性能，在孔壁上形成薄而堅

6、韌、致密的泥皮，從而防止孔壁坍塌、掉塊；調(diào)節(jié)沖洗液的比重，可防止涌水、漏失、井噴等事故等。 輸送巖心。反循環(huán)連續(xù)取心鉆進時，利用沖洗液作介質(zhì)，通過鉆桿柱連續(xù)向地面輸送巖心，這種方法取得的巖心，代表性好，層位準確。 傳遞動力。如渦輪鉆、螺桿鉆、沖擊回轉(zhuǎn)鉆等，采用它作動力的傳遞。2）種類：泥漿（水基泥漿、低固相泥漿、混油泥漿、油基泥漿、充氣泥漿、泡沫泥漿）、乳狀液、清水、空氣等幾種類型。2. 鉆孔沖洗方式主要有全孔循環(huán)和孔底局部反循環(huán)二種方式。全孔循環(huán)又分正循環(huán)與反循環(huán)兩種。正循 環(huán)是用水泵壓送沖洗液由鉆桿柱中心進入孔底并經(jīng)鉆頭水口返出，經(jīng)鉆桿與孔壁環(huán)狀間隙上 返至孔口，通過地面循環(huán)槽流入泥漿池，

7、不需要孔口密封器等附加裝置，適用于各種鉆進方 法?？椎拙植糠囱h(huán)實際上是一種正反循環(huán)結(jié)合的循環(huán)方式，它是用于提高巖心采取率的一 種方法，常用的是噴射式反循環(huán)（沖洗液由鉆桿柱中心下去，從噴反接頭處流出，在管內(nèi)形 成負壓抽吸力，從而形成孔底局部反循環(huán)） 。3. 沖洗液的選擇主要根據(jù)鉆進地層情況來選用，基本原則是： 致密、穩(wěn)定地層，選用清水； 松散、掉塊、裂隙或遇水膨脹地層，首選不分散低固相泥漿，也可選淡水泥漿或鈣處 理泥漿； 易溶解的礦層（如巖鹽等），為保護礦心，防止沖蝕孔壁，應(yīng)選用鹽水泥漿（含鹽大于 1%， PH7-9.5 ） 金剛石鉆進，應(yīng)選用聚丙烯酰胺不分散低固相泥漿、乳化泥漿作沖洗液。4.

8、 泥漿的性能指標主要用粘度、比重、含砂量、失水量、泥皮、PH值、膠體率和穩(wěn)定性這幾種指標來衡量泥漿的好壞5. 當(dāng)?shù)卣惩潦欠襁m合造漿的野外鑒定一般情況下，用造漿率（一噸粘土能造出多少立方米表觀粘度15厘泊（cP）的泥漿）來確定粘土的好壞。粘土造漿能力分為四級，如表9-5所示。表9-5粘土造漿能力常用粘土名稱等級造漿率（m/t）膨潤土甲20次膨潤土乙9.5白土、高嶺土、陶土等丙3.5-8黃土、紅土、膠泥、矸子土丁1-3.5現(xiàn)場鑒定時，先取少量粘土配制少量泥漿，按比例先加一些純堿，然后加入降失水劑（如 羧鈉甲基纖維素），接著用濾滴定法（任意滴一滴泥漿在濾紙上，開始數(shù)數(shù)，如數(shù)到 5s以上 約4s才滲出

9、水，即可斷定這種粘土可用；如果立即出水印的泥漿則說明該造漿粘土須處理后 才能使用）測定泥漿的失水量，即可辨別粘土是否可用。確定能用后再通過配比試驗確定合 理的配方（主要是處理劑的加量與性能合乎地層鉆進要求）。6. 幾種常用泥漿1）細分散泥漿由淡水、粘土和一般處理劑（主要為分散及降失水）配制而成的普通泥漿。一般是利用當(dāng)?shù)卣惩梁退渲圃瓭{，用加量為粘土量 0.52%的純堿進行處理，加純堿目的是除粘土中的 部分鈣離子從而把鈣土變成鈉土。加入純堿后泥漿粘度大，失水量小、膠體體率高、穩(wěn)定性 強；但值得注意的是，純堿加入過量時，則失水量增大；同時有些粘土還需要加入少量燒堿 才能將鈣土變成鈉土。2）低固相泥

10、漿與不分散低固相泥漿泥漿中固相含量小于10%勺泥漿，稱之為低固相泥漿，其特點是比重低，可減少鉆具回 轉(zhuǎn)摩阻、泵壓損失、漏失和提高鉆速。鉆進中會不斷產(chǎn)生巖屑，因此常用水解聚丙烯酰胺（水解度 30%左右的PHP等選擇性絮 凝劑配合機械凈化法除去巖屑，不讓它們分散于泥漿中，從而保持較低的固相含量 （小于4% 比重1.06以下、失水量低于10ml、泥皮厚小于0.5mm PH值78.5間），稱不分散低固相泥 漿。3）無固相沖洗液沖洗液中m有粘土固相，即配制泥漿時不加入粘土。其優(yōu)點是不用粘土，比重低而有利于提高鉆速，在注水泥時因無泥皮也有利于水泥與孔壁的聯(lián)結(jié)，而當(dāng)提高鈣量后，也有利于 抑制粘土質(zhì)巖層的水化

11、膨脹。巖心鉆探常用聚丙烯酰胺沖洗液和水解聚丙烯酰胺，即水玻璃 配制成的無固相沖洗液。常用配方是：往水中加水解聚丙烯酰胺（水解度2035%，分子量20050萬）200PPm水玻璃8.5%,皂化油0.35%,所得沖洗液的性能為：粘度16s、比重1.02、 PH值10-12。最基本的配方是：清水中（1用）加入水解度35%勺PHP500-2500ppn即可。采用 無固相沖洗液時井口要配有性能良好的除泥除砂裝置配合。7. 不同地層選用的泥漿類型及性能1 ）復(fù)雜地層分類及護孔措施復(fù)雜地層分類常分為：漏失地層與不穩(wěn)定地層二大類，其中漏失地層又分為孔隙類地層、裂隙類地層、 洞穴類地層；不穩(wěn)定地層包括力學(xué)不穩(wěn)定

12、地層（松散地層、破碎帶、承壓水、油、氣地層） 和物理化學(xué)不穩(wěn)定地層（水敏性地層、易溶地層） 。復(fù)雜地層的護壁措施孔隙類地層：中小型裂隙采用高粘、高切泥漿鉆進；大容量型還可考慮惰性材料充填、 化學(xué)漿液堵漏和套管隔離；大厚度型用泡沫泥漿鉆進、化學(xué)快速注漿堵漏和孔底局部反循環(huán) 鉆進。裂隙類地層：以水泥注漿堵漏和套管隔離為主。 洞穴類地層：中小型用惰性材料充填和套管隔離；大容量型可采用惰性材料充填后注漿 或人工造壁后堵漏；大厚度型采用孔底局部反循環(huán)鉆進和套管隔離。松散地層（如流砂層、破碎帶等） ：其表現(xiàn)為巖石結(jié)構(gòu)松散，孔壁極不穩(wěn)定，孔壁受鉆桿 柱震動沖打，液柱壓力小于地層壓力時掉塊、坍塌，沖洗液滲漏，

13、起下鉆受阻。對這類地層 主要采用優(yōu)質(zhì)泥漿鉆進，以防漏、防塌為主，必要時泥漿做增粘、加重處理，同時要保證孔 內(nèi)液柱壓力，另外也可在鉆穿后用套管隔離的辦法。在承壓水、氣地層，地下承壓層壓力大 于液柱壓力，從鉆孔內(nèi)涌出，引起孔壁坍塌，可采用加重泥漿并保持孔內(nèi)液柱，鉆穿后用套 管隔離的辦法。水敏地層：地層因吸水而引起膨脹或松散，進而造成縮徑或超徑，嚴重時導(dǎo)致孔內(nèi)各類 事故發(fā)生，這類地層用優(yōu)質(zhì)泥漿護壁，以降失水為主。2）各類地層使用的泥漿性能參考指標針對各類地層使用的泥漿性能參考指標可參見表 9-6 中的相關(guān)數(shù)據(jù)值。表9-6各類地層使用的泥漿性能參考指標地層情況比重(kg/m3)粘度失水量護皮厚度（mm

14、）靜切力(mg/cm2)含砂量膠體率PH值(s)ml/30mi n1min10 min(%)(%)普通地層18-22< 22< 40-1015-25< 4> 958-11吸水性膨脹18-22< 13< 20-1215-25< 4> 958-12地層坍塌掉巖1.125-3< 13< 215-2630-50< 4> 958-12地層3滲漏地層1.025-34< 12< 330-5550-80< 4> 958-11地壓涌水地層131.525-35< 13< 35-2010-20< 4&g

15、t; 958-128. 泥漿的配制、性能調(diào)整的方法，處理劑的使用。1）泥漿的配制可采用分散或集中兩種配制方式。由于鉆機分散施工，一般在鉆場使用0.8m3臥式攪拌機單獨攪拌泥漿。為保證泥漿質(zhì)量，配制前應(yīng)根據(jù)地層巖性進行試驗，確定出最優(yōu)的配方； 配漿如果用膨潤土?xí)r要預(yù)水化；采用低硬度的水配漿；加絮凝劑（ PHP時，注意在孔口或泥 漿槽中慢慢滴入，不能過量。2）泥漿性能的調(diào)整及處理劑調(diào)整泥漿性能主要包括：降低泥漿失水量、增加或降低泥漿粘度和切力、增加或降低泥 漿比重和調(diào)節(jié)PH值等。鉆進中，泥漿的性能會因地層條件的變化而不斷變化，要事先估計好鉆穿地層、巖性、 水質(zhì)等對泥漿性能的影響，預(yù)先進行泥漿性能調(diào)

16、整或根據(jù)孔內(nèi)泥漿性能變化情況及時加以調(diào) 整。當(dāng)孔壁坍塌或有輕微漏失時，可通過增加泥漿中粘土含量、新配制的泥漿中加適量純堿 或加有機高分子增稠劑（如 CMC的辦法來提高泥漿的粘度和切力；而鉆進粘土層或泥質(zhì)頁 巖層等時，則需要降低泥漿粘度和切力，可通過加稀釋劑來解決；鉆進遇水膨脹地層、滲漏 和坍塌地層時，則需要降低泥漿失水量和控制泥皮厚度，最常用的方法是增加粘土含量與使 用有機高分子降失水劑（CMC;鉆進高壓含水層或油氣層及某些坍塌地層時，需要提高泥漿 比重以平衡地層壓力，其方法是在泥漿中加入加重劑（如重晶石粉等） ，值得注意的是使用加 重泥漿時需做好泥漿地表凈化工作，防止加重劑和巖粉沉淀卡鉆；而

17、這些方法中的加量無法 在此給大家，因為每個礦區(qū)使用的泥漿性能是不一樣的。因此，實際工作中應(yīng)結(jié)合所采用的 泥漿類型與性能在原漿基礎(chǔ)上試驗后再確定合適的加量。3）泥漿的維護 鉆進中巖粉不斷進入泥漿從而使泥漿性能發(fā)生變化，必須及時清除，否則會加速水泵的磨損甚至?xí)?dǎo)致孔內(nèi)事故。最簡單的凈化裝置是泥漿循環(huán)槽、沉淀箱和水源箱，泥漿槽一般 長10m （寬0.5m,高0.3m,坡度1/1001/75 ）且每隔1.0至2.0m安設(shè)擋板，形成局部渦流 有利于巖粉沉淀，有條件時應(yīng)該配旋流除砂器（除較細巖粉） 。機臺應(yīng)配備泥漿性能測量儀器 （野外泥漿性能測試箱，含有比重計、ZNS型泥漿失水儀、泥漿含砂量杯和 pH試紙

18、等）；每班設(shè)專人負責(zé)管理泥漿，負責(zé)泥漿的配制、處理、凈化除砂和泥漿性能的測定，隨時掌握泥 漿性能的變化情況及孔內(nèi)情況適當(dāng)調(diào)整性能參數(shù)；泥漿的使用也要認真填入班報表中而且要 準確齊全。4）聚丙烯酰胺（PAM的水解方法PAM產(chǎn)品濃度7-8%，分子量最低5萬最高800萬，它是一種機臺最常用的泥漿處理劑， 水解后對泥漿有選擇性絮凝作用，加在泥漿將巖屑和劣質(zhì)粘土絮凝沉淀，以水解度30%時絮凝效果最好。因此機臺上常使用 30%水解度的PHP作處理劑。水解是將酰胺基（-CONH2轉(zhuǎn) 變成羧鈉基（-COONa,轉(zhuǎn)變成羧鈉基的百分數(shù)，稱為水解度。依燒堿加量的不同，得到不同 水解度的聚丙烯酰胺，水解可用加溫攪拌法

19、或常溫法。加溫攪拌法：將聚丙烯酰胺、燒堿和水按一定比例混合，加溫至80或100C，攪拌3至4h左右即可獲得不同水解度的水解聚丙烯酰胺（HPAM或PHP。這種方法水解后產(chǎn)品中的游 離堿量少，水解度比較準確。燒堿和水的加量可通過計算或用相對比例關(guān)系式來確定（濃度7%的聚丙烯酰胺：燒堿：水=1: 1.4%: 7）。加燒堿量（kg） =40/71 X聚丙烯酰胺量（kg ）x聚丙烯酰胺含量（%） X 要求的水解度。 加水量則可按高聚物濃度為 1%的溶液為準， 如濃度為 7%的聚丙烯酰胺 1kg 則 需加水 6kg 即成濃度 1%的溶液。值得注意的是，水解后的聚丙烯酰胺溶液濃度為1%。常溫法：濃度7%PA

20、M燒堿：水=10:1:60，攪拌均勻后放置2至3d即可獲得濃度1%水解度30流右的PHP常溫法水解后的產(chǎn)品游離堿較多容易使泥漿增稠，同時水解度也不是很確切而影響絮凝效果。9. 儀器配備計劃及粘土、處理劑的用量計劃。 根據(jù)礦區(qū)開動的鉆機臺數(shù)確定野外泥漿性能測試儀器的數(shù)量，根據(jù)所選定的造漿粘土類型和工作量以及造漿率、泥漿配方來計算出粘土和各類處理劑的需要量并列好表格，作好物 資采購計劃。10. 復(fù)雜地層護孔方法 根據(jù)礦區(qū)鉆進地層的分類特點，制定出各層位的護壁堵漏措施，在需要套管時應(yīng)根據(jù)礦區(qū)可能開動的鉆機臺數(shù)和鉆孔套管下入的深度以及規(guī)格等，做出比較準確的備料計劃供生產(chǎn) 中使用。這里主要介紹一下采用水

21、泥護孔時的有關(guān)要求：1）水泥漿的可泵性和可泵期 可泵性：水泥與水拌合并加入適量的水泥附加劑（如早強劑、減水劑等）的情況下，具有良好的流動性，便于泵送達預(yù)灌部位。實踐證明，只有流動度達16cm以上，水泵才能順利實現(xiàn)泵送?？杀闷冢褪侵杆酀{能用水泵抽送的時間期限。一般情況下，水泥漿的可泵期 應(yīng)50-60min內(nèi)保持流動度在16cm以上。因此，實際工作中，在采用水泥護壁堵漏時，在目 前的操作熟悉程度不是很高的情況下宜用較大的可泵期。各施工單位可根據(jù)自己的施工經(jīng)驗 而定。2）水泥的種類 常用的有普通硅酸鹽水泥、礦渣水泥、硫鋁酸鹽型水泥等。一般情況下，野外常用的是425標號以上的普通硅酸鹽水泥進行護壁

22、堵漏。3）水泥石的早期強度 護壁堵漏使用水泥屬于臨時工程，普遍要求有較短的候凝時間，便于恢復(fù)正常鉆進，因2此要求水泥石早期強度增長速度要快。試驗結(jié)果資料表明：水泥石抗壓強度達85kgf/cm時就 可從孔內(nèi)取出較完整的巖心。以此為準，要求水泥漿灌入孔內(nèi)后5至8h或更短時間內(nèi)達到這 個標準。4）水泥漿的比重干水泥的比重在 3.053.2 之間，水灰比 0.450.5 的水泥漿比重在 2.0 左右。在現(xiàn)場使 用時，應(yīng)根據(jù)護壁堵漏的實際需要，選用或調(diào)整水泥漿的比重，其原則是：當(dāng)封堵較大的裂 隙時，為避免較大漏失，應(yīng)用較小的比重；而封堵涌水或坍塌層時，則要求較大的比重。5）水泥常用外摻劑生產(chǎn)中常根據(jù)各種

23、需要而在用水泥進行護孔或堵漏作業(yè)時有選擇地添加減水劑、促凝早 強劑、速凝劑。(1) 減水劑：巖心鉆探常用的減水劑 NNO減水劑和木質(zhì)素磺酸鈣。能使水泥漿或混凝土 顯著地降低拌和用水量。NNG化學(xué)名稱為亞甲基二萘磺酸鈉，普通水泥中合適摻量為0.4-1%， 在保持相同流動度條件下，可減少單位用水量 2030%，同時水泥強度早期增長快，三天強度 可提高 65%，密實性、抗?jié)B性都相應(yīng)提高，但對凝結(jié)時間 t 有影響，還可節(jié)約水泥 20%以上。 生產(chǎn)中，常將NNO與CaCI2復(fù)合應(yīng)用于普通水泥，不僅流動性好，還可縮短凝結(jié)時間。(2) 木質(zhì)素磺酸鈣：為陰離子型表面活性劑?？蓽p少單位用水量1015%，節(jié)約水泥

24、用 量 15%左右，合適加量 0.250.35%，此類減水劑有緩凝作用，加量 0.3%時，水泥的凝結(jié)時間 可延緩 1 至 3 小時。(3) 促凝早強劑：能促進水泥凝結(jié)，加速水泥漿的硬化過程并提高水泥早期強度的外摻 劑。常用的有氯化鈣、氯化鈉和三乙醇胺。氯化鈉(NaCI):俗稱食鹽，其使用效果比氯化鈣要差，但也常用。其加量一般為 13% 例如用425標號硅酸鹽水泥處理坍塌嚴重的地層時，配方為：水泥： NaCI:水=100: 3： 40, 可收到很好的效果。三乙醇胺：它是一種無色或淡黃色油狀液體，呈堿性，溶于水。是一種表面活性劑，容 易吸附在水泥顆粒表面，溶于水時能降低溶液的表面張力。加量一般為萬

25、分之3至5。氯化鈣(CaCb)：這是國內(nèi)外普遍采用的一種促凝早強劑，對水泥既有早強作用，又能 改善水泥漿的流動性。 加量一般為水泥重量的 1-3%，當(dāng)加量達 3%時可使水泥凝固時間縮短一 半以上， 2至 3天的強度提高 40-100%。野外使用時宜用溫水溶解。對于普通水泥，為達到促 凝早強并改善流動性， 可采用氯化鈣與減水劑復(fù)合使用， 如某單位用 525標號水泥進行堵漏， 效果非常地好。( 4)速凝劑：是一種加速水泥漿的凝結(jié)的化學(xué)處理劑，常用的是水玻璃。在水泥漿中加 入 23%的水玻璃，凝結(jié)時間可縮短 3045%，而當(dāng)加量少于 1.5%時則有延長初凝時間的作用。6) 配制水泥漿的有關(guān)計算( 1

26、)水泥漿量計算： V = 0.769KD2h式中：V-水泥漿體積，dm3K-附加系數(shù)(包括鉆孔超徑、滲透和漏失等)，一般取1.31.5D- 鉆孔直徑， mm；h- 灌漿孔段長度， m。(2)干水泥用量和用水量計算干水泥用量：Q = g VQ1 = m Q式中：配制V升水泥漿所需干水泥量，kg；V 水泥漿的體積， dm3；g - 配制1dm水泥漿干水泥的重量，kg ；g = 丫 1丫 2/ (丫 2 +01丫 1)丫 1-水泥的比重，一般為3.1-3.3 ;丫 2-水的比重；m-水灰比；Q 1-配制V(dn!)水泥漿所需水量，dm或Kg。( 3)替水量的計算灌漿完畢后，應(yīng)通過較準確的替水量泵入清

27、洗灌注管路中的水泥漿。過大會稀釋孔內(nèi)水 泥漿使其強度受到影響，過少則會導(dǎo)致水泥漿留在管路內(nèi)凝固而造成堵塞。一般采用經(jīng)驗公 式進行計算：Q = K ( L-l ) q + Q 地式中： Q- 替水量， dm3；L- 鉆桿柱長度， m；q- 每m鉆桿內(nèi)容積，dnVm；女口 50鉆桿為1.2dm3/m，42鉆桿為0.8dm3/m。l - 孔內(nèi)靜水位離孔口的高度， m；K-壓水系數(shù)，淺孔取0.9，深孔取0.95。33Q地-地面管線及水泵內(nèi)容積，大口徑取 50-65dm,小口徑取40-50dm。( 4)水泥漿灌注方法泥漿泵鉆桿注入法、直接灌入法和輸送器注入法等。最常用的是泥漿泵鉆桿注入法，因 此在此只介

28、紹一下這種方法。泥漿泵鉆桿注入法是通過鉆桿，用泥漿泵將水泥漿壓入孔內(nèi)所需灌注的孔段，以達到護 壁堵漏的目的。這種方法在水泥漿流動性好的情況下不受孔深限制，適用于灌注量大的施工 作業(yè)。堵漏時：將鉆具下到預(yù)定位置以下 0.5m，先泵入清水確認管路暢通無阻后即可泵入配制 好的水泥漿。護壁時：先用小一級鉆具掃孔到底，一停泵立即將配制好的泥漿泵入注意事項：無論是護壁或是堵漏，剛開泵時均應(yīng)先打開回水管將泥漿泵及吸水管內(nèi)的清 水排除；全部漿量應(yīng)一次灌完；護壁作業(yè)可適當(dāng)開車慢轉(zhuǎn)以防止卡鉆，也有利于沉渣與水泥 漿混合；灌注時應(yīng)有人專門看管泥漿泵蓮蓬頭以防止堵塞，水泥漿全部吸完后立即進行替漿 作業(yè)并清洗管路和泥漿

29、泵。另外，為保持孔內(nèi)壓力平衡，防止造成真空抽吸作用，提鉆時速度要慢，還應(yīng)回灌沖洗 液。三、硬質(zhì)合金鉆進方法 目前巖心鉆探工作中，一般根據(jù)各礦區(qū)地層巖石力學(xué)特性、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造，結(jié)合鉆探設(shè)備 與護壁堵漏措施等因素，常采用合金與金剛石分層鉆進的方法。一般開孔采用合金鉆進至完 整巖面3至5m然后擴孔下孔口管隔離上部松散層、覆蓋層等不穩(wěn)定地層，然后改用金剛石 鉆進至終孔。硬質(zhì)合金鉆進將具有一定強度和形狀的硬質(zhì)合金，按鉆進要求固定于鉆頭上，在一定的 技術(shù)條件下，作為切削具破碎巖石的一種鉆進方法。（一）鉆探對硬質(zhì)合金的要求 合金鉆進是靠固定在鉆頭體上的硬質(zhì)合金來破碎巖石的，而各種巖石都具有一定的強度和研磨性，

30、鉆進時鉆頭上受力也很復(fù)雜，因此，所使用的硬質(zhì)合金應(yīng)具有如下性能：1）硬度大且耐磨性強。便于鉆頭能有效地切入或壓入巖石，并能抵抗巖石對硬質(zhì)合金的 磨蝕作用。2）抗彎強度大且韌性好。 便于能承受破碎巖石過程中各種變化的負荷而不至于崩刃和碎 裂。3）熱硬性好而導(dǎo)熱性高。鉆進中孔底會產(chǎn)生很高的溫度，因此要求較高的熱硬性，而且 在沖洗液中易于釋放熱量。4）成型性好，容易鑲焊在鉆頭體上。 地質(zhì)勘探用的硬質(zhì)合金主要是鎢鈷合金，這類合金其性能滿足上述要求。（二）硬質(zhì)合金鉆頭 鉆探用的硬質(zhì)合金鉆頭的結(jié)構(gòu)合理與否直接影響到鉆進效率、鉆頭壽命、鉆孔質(zhì)量以及材料成本，因此要認真對待合金鉆頭的結(jié)構(gòu)要素的研究與選擇。它一

31、般分為二大類：取心鉆 頭和全面鉆頭。地質(zhì)勘探中一般都只采用取心鉆頭。1）鉆頭體：它是鑲嵌切削具的基體，用 D35或D45號無縫鋼管制成，針狀合金鉆頭的內(nèi)外出刃應(yīng)與相應(yīng)的金剛石鉆頭一致，鉆頭體長度不得短于95mm其中絲扣部分長度40mm鉆頭鋼體壁厚7至9mm過厚克取巖石面積大，消耗功率多，過薄影響強度而容易變形。壁厚 在保證足夠強度與剛度的條件下力求減小，以使克取面積減少以提高鉆進效率。2）合金鑲焊數(shù)目和排列形式：應(yīng)根據(jù)巖石性質(zhì)、鉆頭直徑、合金質(zhì)量、鉆具強度和設(shè)備功率等因素來確定。鉆頭直徑大、孔較深、巖石硬度大和研磨性較高時，合金數(shù)量要適當(dāng)增 加。地質(zhì)勘探中常用的數(shù)量如表 9-7所示。表9-7

32、地質(zhì)勘探中常用的數(shù)量巖石性質(zhì)鉆頭規(guī)格（mm3646597691110130150合金數(shù)量（個）研磨性較強的j-U i=r 巖層3-43-44-666-88-1010-1412-14弱研磨性巖層3-43-444-666-8810在排列形式上一般采用均勻單環(huán)排列。3）切削具的出刃：主要是底、內(nèi)、外三種出刃。其中底出刃起切入并破碎巖石的任務(wù)， 大出刃利于破碎巖石和沖洗液流通，但過大容易造成崩刃與折斷；內(nèi)外出刃主要是形成環(huán)狀 間隙，以保證沖洗液流通，較大的內(nèi)外出刃會導(dǎo)致鉆頭回轉(zhuǎn)阻力增大，容易崩刃折斷，但有 利于排粉和減少巖心堵塞的機會，太小了則容易造成巖心堵塞和影響排粉效果甚至?xí)斐珊?鉆等不良現(xiàn)象。

33、因此，出刃的大小應(yīng)根據(jù)巖石性質(zhì)來考慮，實際工作中可參考表9-8進行選擇。表9-8出刃的大小與巖石性質(zhì)關(guān)系巖石性質(zhì)內(nèi)刃（mm夕卜刃（mm底刃（mr）松軟、弱至中等研磨性巖石2.5-32-3中硬、強研磨性巖石1-21-24）鑲焊角：合金顆粒與鉆頭唇面的夾角，一般采用正前角鑲焊，這種鑲焊切削具有自磨 作用也有利于排粉，但所需軸向壓力要較其他方法大些。5）水口及水槽：起到?jīng)_洗液流通冷卻鉆頭和攜帶巖粉的作用，其形狀與大小應(yīng)根據(jù)巖層 性質(zhì)、鉆頭結(jié)構(gòu)形式、沖洗液種類的不同而考慮。一般地，水口面積的總和要大于鉆頭與巖 心之間或鉆頭與孔壁之間的環(huán)狀面積，以減少循環(huán)阻力。（一）合金鉆進技術(shù)參數(shù) 合金鉆進的技術(shù)參數(shù)

34、主要包括鉆壓、轉(zhuǎn)速和沖洗液量。它們對鉆進效率、鉆孔質(zhì)量、磨 料消耗、施工安全等直接有關(guān)系。在操作過程中，應(yīng)根據(jù)巖石的物理機械性質(zhì)、鉆頭結(jié)構(gòu)、 鉆探設(shè)備和鉆具的可能性以及鉆孔質(zhì)量要求等條件來合理掌握，并通過實踐當(dāng)中進行修正、 總結(jié)出適合礦區(qū)的最優(yōu)鉆進技術(shù)參數(shù)。1）鉆壓：合理的鉆壓應(yīng)該既保證鉆頭耐久性又獲得最大的平均機械鉆速。在其它條件不 變的情況下，在一定范圍內(nèi)，鉆速隨著鉆壓的增加而成比例地增加。實踐證明：鉆速的提高 主要是依靠鉆頭壓力的增加來實現(xiàn)。但壓力過大會導(dǎo)致崩刃、鉆具折斷、鉆孔彎曲、軟巖層 中容易燒鉆等事故。鉆壓可通過下式進行計算：鉆頭總壓力 = 每顆切削具上應(yīng)加的壓力（如柱狀合金 80

35、-130kgf/ 顆） X 鉆頭上切削具 的顆數(shù) , 實際工作中應(yīng)該根據(jù)所鉆的巖層性質(zhì)而選擇的合金切削具型式和鉆頭的排列與數(shù)目 進行初步計算，同時在施工中不斷總結(jié)出最優(yōu)的鉆壓。2）轉(zhuǎn)速：鉆具轉(zhuǎn)速有二種表示方法，一是鉆頭每分鐘的回轉(zhuǎn)數(shù)（轉(zhuǎn)/ 分），另一個是用鉆頭的圓周速度V（ m/s）來表示。V = n （D+ D） n/ （2X60）生產(chǎn)實踐表明：在一定條件下，提高鉆頭轉(zhuǎn)速可增大鉆速，但超過最優(yōu)值后反而隨轉(zhuǎn)速 的增高而使鉆速降低。一般情況下，在軟至中硬巖中鉆進時，可采用較高的轉(zhuǎn)速；在堅硬和 強研磨性巖石或非均質(zhì)和裂隙發(fā)育的巖石中鉆進，則應(yīng)降低轉(zhuǎn)速；深孔或大口徑鉆進也應(yīng)降 低轉(zhuǎn)速。3）沖洗液量：

36、沖洗液量的大小應(yīng)根據(jù)巖石性質(zhì)和鉆孔直徑等因素而定。一般地，在軟巖 層中鉆進因進尺快所產(chǎn)生的巖粉多而選擇較大的沖洗液量；在巖石顆粒粗比重大的巖層鉆進 也應(yīng)相應(yīng)加大沖洗液量；在大直徑孔、深孔鉆進時，鉆桿和孔壁滲漏多也應(yīng)加大沖洗液量； 而在松散、破碎地層鉆進，為防止沖蝕巖心和沖垮孔壁，應(yīng)選擇較小的沖洗液量。沖洗液量 Q的大小一般用經(jīng)驗公式進行計算：Q = KD式中：K-經(jīng)驗系數(shù)（8-155/cm.min）； D-鉆頭直徑（cm）實際鉆進工作當(dāng)中，各參數(shù)之間有著密切的聯(lián)系，要達到合理的配合，其配合關(guān)系如表9-9 所示：表9-9各參數(shù)之間有著密切的聯(lián)系巖石鉆壓轉(zhuǎn)速沖洗液量研磨性大的硬巖石大小小裂隙巖層小

37、小相應(yīng)地小軟巖小大相應(yīng)地大設(shè)計中可根據(jù)下面的技術(shù)參數(shù)表的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)根據(jù)礦區(qū)地層巖性特點加以選擇，同時應(yīng)在實際工作中摸索出適合礦區(qū)地層的最優(yōu)技術(shù)參數(shù)。不同巖層鉆進技術(shù)參數(shù)范圍見表9-10表9-10不同巖層鉆進技術(shù)參數(shù)范圍巖石級別鉆進技術(shù)參數(shù)鉆頭壓力轉(zhuǎn)速(rpm / mi n)右-& 泵量(L / min)取心鉆頭（kg/粒）刮刀鉆頭（kg/ cm14級50 60100 120200350> 8056部分7級80 120120 150150250> 80注：針狀硬質(zhì)合金塊每塊能承受的壓力為 150200kg； 100型鉆機的泵量，以水泵最大有效 排水量送給；刮刀鉆頭單位壓力（k

38、g/cm中的cm,系指鉆頭直徑。第二部分質(zhì)量保證技術(shù)措施（一）鉆孔偏斜1）鉆孔偏斜：鉆孔的施工過程中的實際空間位置偏離設(shè)計空間位置，即偏離設(shè)計軸線， 稱之為鉆孔偏斜或孔斜。2）鉆孔空間形態(tài)三要素：鉆孔深度、鉆孔的頂角（或傾角）及鉆孔方位角決定了鉆孔在 地下空間的位置，這三個因素稱鉆孔空間形態(tài)三要素。3）孔斜的條件：鉆孔發(fā)生偏斜的根本原因是粗徑鉆具在孔內(nèi)歪倒，其軸線偏離鉆孔軸線 而能使其歪倒的條件主要是：孔壁間隙大，為它提供空間條件；同時還要有傾倒力矩為它提 供歪倒動力，再就是一個固定的歪倒方向。（二）鉆孔發(fā)生孔斜的原因1. 地質(zhì)因素是巖石的各向異性在鉆頭處產(chǎn)生歪倒力矩使粗徑鉆具傾斜而導(dǎo)致孔斜；

39、 二是鉆進軟硬夾層時，鉆頭處產(chǎn)生鉆壓差或鉆頭沿巖石節(jié)理面滑移；三是鉆進中遇到溶洞或大裂隙。2. 鉆進工藝及操作換徑不帶導(dǎo)向或粗徑鉆具本身就彎曲； 沖洗液量大沖刷孔壁使孔壁間隙過大， 造成粗徑 鉆具或巖心管與鉆孔軸線產(chǎn)生偏斜角；采用的鉆壓過大與轉(zhuǎn)速過快，鉆桿柱受軸心壓力及回 轉(zhuǎn)的影響而呈撓曲狀態(tài)影響了鉆具的穩(wěn)定性，促使粗徑鉆具歪倒。3. 設(shè)備安裝 主要表現(xiàn)在基臺不穩(wěn)固或發(fā)生偏斜；開孔時沒有校正鉆機的頂角和方位角，致使開孔即 發(fā)生偏斜；另外鉆機立軸過度磨損曠動太大也是一個因素。（三）孔斜的預(yù)防措施針對上面三個方面的原因，可以制定如下的預(yù)防措施。1）地質(zhì)因素方面，可通過掌握地層的巖性與偏斜規(guī)律和特點

40、，施工初級定向孔來解決。2）工藝方面可采用合理的鉆進工藝及操作方法來減小鉆速差和偏斜力達到預(yù)防目的。比如換徑時用輕壓慢轉(zhuǎn)的小規(guī)程鉆進可減小鉆速差；用剛性好的直鉆桿；鉆進時使用帶扶正器 的鉆具；按優(yōu)化確定了的規(guī)程參數(shù)鉆進。3）在設(shè)備安裝與開孔方面，把基臺設(shè)置在牢固的硬盤上并保持鉆機周正；不使用立軸曠 動的鉆機；開孔前檢查立軸傾角與方位角是否符合地質(zhì)要求；開孔時隨鉆孔加深而及時加長 巖心管；換徑時帶導(dǎo)向并逐級加長巖心管；孔口管要下正因牢等加以預(yù)防。第三部分 課程設(shè)計課題某綜采面本煤層瓦斯抽放鉆孔與安全系統(tǒng)設(shè)計。一、技術(shù)條件和主要參數(shù)1. 地質(zhì)條件本煤采區(qū)開采13煤層，煤層厚度為4.85.2m平均厚

41、度為5m賦存穩(wěn)定，傾角為1215° 頂板為砂質(zhì)泥巖，巖層不能致密，距 11煤810m頂部為12煤層，該煤層在本區(qū)域內(nèi)厚度 0 0.4m 為不可采煤層。本區(qū)域本區(qū)有小斷層，對開采影響不大。2. 主要瓦斯參數(shù)本工作面位于標高-650m水平，為礦井開采第三水平，煤層瓦斯含量為 8m3/t，煤的密度為1.45t/m3，寬慰有突出危險，經(jīng)預(yù)測工作面絕對瓦斯涌出量QCH為19m3/min。3. 通風(fēng)方式及風(fēng)量采區(qū)采用抽出式內(nèi)，回 風(fēng)由采區(qū)主要扇風(fēng)機 排出地面，經(jīng)計算工 作面供風(fēng)量為 1500m3/min。4. 采煤方法及巷道布置采用走向長壁全部跨落頂板管理法，工作面后退式傾斜分層開采，上分層采用

42、綜合機械 化采煤，采高為2.8m采用兩班采煤，一班抽放瓦斯，工作面日推進度為3m，下分層采高為2.2m。巷道布置如圖9-2所示。5. 已知抽放瓦斯參數(shù)經(jīng)實測煤層透氣性系數(shù) 入=0.01123 (m/MPfd),如用未卸壓長鉆孔預(yù)測抽煤層瓦斯， 百米鉆孔瓦斯抽量為0.01m3/min ;如用卸壓淺孔抽放瓦斯，百米鉆孔瓦斯抽放量為1.0m3/min， 同時入值提高到27.6 (m/MP£d);如用卸壓長鉆孔預(yù)測抽煤層瓦斯，百米鉆孔瓦斯抽放量 為0.050.1m3/min學(xué)生可根據(jù)以上測定的抽放參數(shù)選擇抽放方法。(1) 卸壓淺孔抽放時，抽放影響半徑為 0.8m,鉆孔所需要的抽放孔口負壓為1

43、2KPa邊 采煤邊抽放瓦斯。(2) 未卸壓長鉆孔抽放：鉆孔抽放半徑為 2.5m,鉆孔孔口需負壓為20KPa掘進期間邊 掘進邊抽放瓦斯。(3) 卸壓長鉆孔抽放，鉆孔抽放影響半徑為 2.5m，鉆孔孔口需要負壓為20KPa邊采煤 邊抽放。1巒系工作面2- 工作面機巷3- 工作畫鳳巷4 -來區(qū)軌道上山5 r來區(qū)回鳳上山6-系區(qū)皮帶上山7 -采區(qū)風(fēng)井8-采宓瓦斯泵站9 一工作運堞小井圖9-2綜采工作面巷道布置、設(shè)計內(nèi)容及步驟:采面概況:1. 根據(jù)給定條件和主要參數(shù)編寫。2. 繪制出工作面布置圖。工作面瓦斯儲量和可抽放瓦斯總量計算：1. 按煤層全厚計算（即13煤層全厚）W1= K1K2（Ai Xi）式中：

44、W1-11煤層瓦斯儲量,萬m3k1-圍巖瓦斯儲量系數(shù)可取1.11.3 ;k2-不可采鄰近煤層瓦斯儲量系數(shù)，可取1.21.4 ;Ai-第i可采煤層煤炭地質(zhì)儲量,萬t ;Xi-第i可采煤層平均瓦斯含量，m3/t。2. 按采高計算：W2=K1K2（Ai Xi）式中:W2-按采高計算煤層瓦斯儲量，萬 m3Ai-采面長度（m）x采面走向長（m）x煤的密度（t/m3 ）;Ai-采面長度（m）x采面走向長（m）x采高（m）x煤的密度（t/m3 ）。3. 工作面瓦斯抽放率d=100'q 論申式中:d-工作面瓦斯抽放率（）q純-工作面瓦斯可抽放量Q- CH4工作面絕對瓦斯涌出量g純可根據(jù)學(xué)生所選擇的抽放

45、方法計算確定4. 工作面瓦斯可抽放量W3式中:W3-工作面瓦斯可抽放量m3/minW2按采高計算煤層瓦斯儲量m3/mi nd-工作面瓦斯抽放率（）抽放瓦斯的必要性和可行性：1. 抽放瓦斯的必要性根據(jù)供風(fēng)量為1500m3/min,工作面瓦斯?jié)舛劝?0.6 %計算風(fēng)排瓦斯量 Qp=Q< C=150QX0.6/100=9m3/min。而工作面絕對瓦斯涌出量為 19m3/min,如不可抽放瓦斯，則工作面的瓦 斯?jié)舛葘⒊?，尚需抽放瓦斯量?QCH4-Qp=19-9=10m3/mi工作面瓦斯?jié)舛炔拍芫S持0.6 %2. 抽放的可行性 根據(jù)我局綜采面采用卸壓澆孔抽放瓦斯技術(shù),實現(xiàn)了安全。高產(chǎn)、高效,取

46、得了良好的經(jīng)濟效益的情況,應(yīng)當(dāng)認為淺孔抽放瓦斯方案是完全可行的,如1217(1)綜采面應(yīng)用淺孔抽放技術(shù)，鉆孔直徑為89mm鉆孔間為0.1m,鉆孔深度為10m,平均瓦斯抽放量為0.8m/min , 最高日產(chǎn)量達到8.4萬t，又如2117 (3)綜采面鉆孔直徑為89mm鉆孔間距為1.5m,鉆孔 深度為6m平均瓦斯抽放量為2.13.2m3/min，最高日產(chǎn)量達到4.9萬噸。抽放方法的選擇 ：1. 本工作面采用本煤層瓦斯抽放有三種方式可供選擇( 1 )本煤層未卸壓長鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，邊抽邊放；( 2)本煤層卸壓淺孔預(yù)抽瓦斯，邊采煤，邊抽放。(兩班采煤，一班抽放) ；( 3)本煤層未卸壓長鉆孔抽放，邊采邊抽。2. 經(jīng)濟技術(shù)比( 1 )煤層透氣性系比較：未卸壓順層長孔抽放時 , 煤層透氣性系數(shù)入值為原始值，即0.0276。卸壓婁孔抽放入值可提高(1001000倍，達到27.6(m2/MPa2d)(2) 百米鉆孔抽放量比較：未卸壓順層長孔抽放時為0.01m/min km,卸壓婁孔抽放時