叶龙庭
鄂尔多斯市华兴能源有限责任公司 内蒙古鄂尔多斯 010321
摘要：钻探技术是一种常用的野外勘察手段，它通过机械设备自地表向下进行钻进，采取岩土芯样获取地下实物资料，验证地下信息推断与解释，最终获得可靠的地质资料，为各类工程设计提供真实准确的地质参数。本文对钻探技术在煤矿采空区处治施工中选择与应用进行了论述。
关键词：钻探技术；煤矿；采空区
一、煤矿采空区概述
煤矿采空区是指在煤矿作业过程中，将地下煤炭或煤矸石等开采完成后留下的空洞或空腔。因煤矿开采过程，需将地下煤炭资源开采运走，一般会在掘进中，采用类似道路上过山隧道方法，逐步打通地下煤炭所在位置到煤矿井口间的隧道，一般会将开采中遇到的矿石、煤炭等运送到地面，以便形成合理的运送和开采作业面，随着煤炭和其他矿石的不断运出，地下形成了这样煤炭采空区。
二、钻探技术的发展史及现状
钻探技术的雏形可追溯到秦代的钻凿盐井、汲取卤水、熬煮成盐以供民食用的记载，据史书记载到了唐代，仅四川一地就有盐井六百多口，明清时期更是得到了极大的发展，当时多采用简便易行的冲击钻进方法。现代我国采用的钻探技术是由欧美发达国家传入的。新中国成立后，我国致力于发展自有设备、不断研究和提高钻探工艺水平，虽说取得了长足进步，但比起国外先进水平仍处于探索和发展中。改革开放以来，我国通过国家重大科学工程项目“科钻一井”等的实施，取得了一系列钻探技术成果，形成了一整套新型且具有国际先进水平的硬岩深井科学钻探技术体系，包括硬岩深井取芯钻进技术、扩孔钻进技术、泥浆技术及井斜控制技术。
三、煤矿采空区治理施工中常用的钻探技术
我国是世界上第三大煤炭储量国，也是世界上最大的煤炭开采量及出口量国家。因此，这种大规模、长期的开采，必然会在地下形成煤矿采空区，从而诱发地表沉陷，产生连续或非连续变形，由此带来一系列的环境岩土工程问题，如平地积水、道路裂缝、房屋倒塌、耕地减少、农田减产等，给矿区工程建设带来很大的隐患。为保证工程建设安全，应采用钻孔注浆、砾料充填等手段对采空段予以处治。钻孔注浆前提是钻探成孔，通过对以往煤矿采空区治理工程施工工艺的总结，施工中常用的钻探方法主要有冲击钻探、回转钻探和冲击回转相结合的钻探方法等。
1、冲击钻探方法。它是一种利用冲击锥运动的动能产生冲击作用，破碎岩层实现钻进的一种钻探方法。其工作原理：一般采用曲柄摇杆机构或卷扬机提升悬吊在钢丝绳下端的钻具到一定高度，再在重力作用下下落，向井底冲击破碎岩石。钻进效率取决于钻具重量、冲程及冲次。冲击钻进通常分为手动冲击钻进、机械冲击钻进，其中机械冲击钻进又可进一步分为液、气动两种。
2、回转钻探方法。回转钻进是用钻机回转器或孔底动力机具转动钻头，以破碎孔底岩石的钻进方法。其工作原理:地面动力回转钻进时，动力机驱动钻机的回转器，带动穿过回转器的主动钻杆与连接在主动钻杆上的钻杆柱和孔底钻头一起旋转破碎岩石，岩屑随循环冲洗介质返回地面。回转钻进通常分为两种类型:手动、机械回转钻进。根据钻头类型的不同，机械回转钻进可分为硬质合金钻进、金刚石钻进、无芯钻进等。当钻头为环状端面时，孔底中心未破碎的岩石圆柱(岩芯)随着钻头的推进进入岩芯管，钻进进尺根据孔内岩芯管长度计算，通过投入卡料、提升钻具或其他取芯方法将岩芯卡断，从孔底提至地表，此钻进方法与过程称为岩芯钻进(硬质合金钻进和金刚石钻进)；当钻头用所有圆形底面破碎孔底岩石时，孔内无岩心，称为全面钻孔(无芯钻进)。
3、冲击回转钻探法。
它是一种利用专用冲击器及钻机回转器共同驱动钻头破碎孔底岩石的钻进方法。其工作原理:使用的钻具是将冲击器连接到一般回转钻进钻具的岩芯管或钻头上，在钻进过程中，地表钻机通过钻杆柱带动钻头回转，并作用于钻头的一定轴向压力，同时，钻进用水泵(或空压机)将高压液流(或压缩空气)通过地表管路系统及钻杆柱内孔送入冲击器，使其工作，向钻头施加一定频率的冲击动载，在冲击和回转共同作用下，使孔底岩石破碎。从冲击器排出的液体(或空气)通过钻头到达孔底，然后返回到地表，并携带出岩粉，钻孔不断加深。因孔底岩石在轴向静压、纵向冲击动载、回转切削的联合作用下，因而破碎效率高。冲击器是冲击回转钻进的关键器具，其结构性能直接影响着冲击回转钻进的性能和效果。本工程施工现场多采用气动冲击回转钻进，通常称为潜孔锤钻进。
四、不同钻进技术在工程实例中的应用与评价
1、工程概况。某项目路线途径之处存在多处煤矿采空区，且所经煤矿采空区基本为急倾斜煤层(倾角大于55°)采空区，拟建线路从煤矿预留安全煤柱上通过，仍有大部分处于采空移动区和变形区，需通过钻孔注浆加固法对路基及其两侧有影响的区域进行加固治理。在本项目采空区治理施工过程中，采用的主要钻探工艺为：回转式钻进和冲击回转式钻进两种。
以本项目采空区治理工程DCKQ-2标段为例，该标段采空区治理桩号K21+220～K21+880，长度660m。设计主要工作量为：设计钻孔1039孔，总进尺79428m，水泥粉煤灰浆液注浆量97538m3，注浆预填砂砾骨料4238m3，采煤井洞砂砾土回填9500m3，钢筋混凝土地梁格栅长度660m。
2、不同钻探工艺在施工中的适用性及其优缺点。现场施工中，选取地质条件类似的Z65-8孔和Z66-5孔进行现场冲击回转式和回转式试验比较，钻孔孔深为50m，拟从上述两种钻进方式的工作效率、能耗、地层适应性及注浆适用性方面比较。
1)工作效率。由于回转钻进和冲击式回转钻进的施工工艺不同，回转式钻进采用清水循环液，将底部岩粉返出孔口，该方式钻进速度慢、效率低、钻头损耗大；冲击回转式钻进效率高、钻头寿命长、有利于预防钻孔偏斜。根据现场测试，在完成相同50m深钻孔时，Z66-5孔采用回转式钻进的机械(ＸY-4型地质钻机)钻孔，成孔时间约为8ｈ，而Z65-8孔采用冲击回转式钻进的机械(150B潜孔锤)钻孔，成孔时间约为1ｈ，从而可看出冲击回转式钻进较回转式钻进的工作效率高。
2)油耗。根据现场测试，在完成相同50m钻孔时，Z66-5孔采用回转式钻进的机械(ＸY-4型地质钻机)钻孔成孔油耗约40L，而Z66-5孔采用冲击回转式钻进的机械(150B潜孔锤)钻孔成孔油耗约60L，从而可看出冲击回转式钻进较回转式钻进的油耗高。
3)地层适用性。根据现场施工情况，回转式钻进对地层的适用性高，对上部第四系、基岩、冒落带及采煤空洞都可钻进；相反，冲击回转式钻进主要靠从冲击器中排出的空气经钻头到达孔底后向地表返回，并携带出岩粉，从而使钻孔不断加深，如遇基岩破碎或采煤空洞时钻进过程中孔底漏风，使岩粉无法返出地面，钻进速度将明显变缓，效率明显降低。因此，冲击回转式钻进在采空区钻孔施工中具有较明显的局限性。
4)注浆适用性。回转式钻进采用清水作为清洗液，循环返浆的工艺，将研磨的岩粉从孔底返出地面，孔底沉渣较少，基岩裂隙不会因岩粉过多堵塞注浆通道，有利于注浆工程的实施；相反，冲击回转式钻进主要依靠空压机产生的气流将孔下岩粉返出地面，在此过程中岩粉有可能填满裂隙，阻断浆液流通通道，从而进一步影响注浆质量。
此外，回转式钻进和冲击回转式钻进在工作效率、施工成本、地层适用性及注浆适用性中各有所长。众所周知，采空区治理施工中的重中之重就是注浆，注浆效果的好坏直接影响工程质量。
参考文献：
[1]王永丰.煤矿采空区钻探技术[J].中国新技术新产品，2015(01).
[2]毛玉坤.钻探技术在煤矿采空区处治施工中选择与应用[J].山西建筑,2018(05).