金川礦區(qū)破損充填鉆孔永久性可修復(fù)綜合技術(shù)

郭三軍（金川集團(tuán)有限公司龍首礦，甘肅 金昌 737100）

金川礦區(qū)破損充填鉆孔永久性可修復(fù)綜合技術(shù)

Permanent repairable technology for damaged filling hole in Jinchuan mining area

郭三軍（金川集團(tuán)有限公司龍首礦，甘肅 金昌 737100）

金川集團(tuán)公司礦山充填時(shí)大量充填鉆孔破損導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法使用，嚴(yán)重影響生產(chǎn)；大量的新鉆孔施工導(dǎo)致高成本，且受到礦體地質(zhì)條件限制。對(duì)此提出采用不耦合布管和充填鉆孔可修復(fù)綜合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鉆孔永久性使用，并成功應(yīng)用。

鉆孔修復(fù)；不耦合布管；永久利用

1 前言

金川集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“金川公司”）是采、選、冶配套的大型有色、化工聯(lián)合企業(yè)。公司擁有世界著名的超大型多金屬共生硫化銅鎳礦床，由于礦體與圍巖破碎、不穩(wěn)固，因此充填法是金川公司坑下主體采礦方法。金川集團(tuán)公司是我國(guó)充填工藝最完善、充填技術(shù)水平最高的礦山之一。從20世紀(jì)80年代初就開(kāi)始研究管道輸送充填料漿工藝，截至目前，整個(gè)金川礦區(qū)共有5座充填制備站，7套充填系統(tǒng)，全部采用管道輸送工藝。西一采區(qū)、西二采區(qū)礦體管道自流充填系統(tǒng)正在籌建中。充填鉆孔是充填料漿從地表輸送到井下采場(chǎng)的咽喉工程。由于充填料漿對(duì)充填鉆孔的沖刷、磨蝕等作用，許多鉆孔使用時(shí)間不長(zhǎng)就破損報(bào)廢，需要重新打鉆，成本非常高。更主要的是受地理、地質(zhì)環(huán)境制約施工，對(duì)生產(chǎn)影響很大。通過(guò)研究，破損鉆孔修復(fù)和永久重復(fù)使用取得了成功。

2 鉆孔使用現(xiàn)狀和問(wèn)題

金川礦區(qū)充填鉆孔的使用壽命一般在40萬(wàn)～60萬(wàn)m3充填量，見(jiàn)圖1，最大使用壽命有超過(guò)100萬(wàn)m3充填量的個(gè)例，最小使用壽命不到20萬(wàn)m3充填量。金川礦區(qū)年充填能力達(dá)到180萬(wàn)m3，且充填量呈現(xiàn)逐年遞增趨勢(shì)。截至目前，全公司共有充填鉆孔82個(gè)，鉆孔總長(zhǎng)度11 164m，其中已報(bào)廢鉆孔17個(gè)，正在使用65個(gè)，使用鉆孔長(zhǎng)度8 950m，鉆孔使用情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

圖1 滿管輸送與自由下落輸送時(shí)的管道磨損情況

表1 金川礦區(qū)充填鉆孔使用情況統(tǒng)計(jì)

管道自流輸送關(guān)鍵是依靠垂直鉆孔中料漿在輸送過(guò)程中因重力產(chǎn)生的自然壓差，克服管道沿程阻力與局部阻力損失。由于料漿沖擊等原因，垂直鉆孔極易磨損破壞、堵塞，從而喪失輸送料漿的功能。

隨著公司生產(chǎn)能力的增長(zhǎng)和開(kāi)采深度的增大，深井充填固有的垂高大、倍線小的特點(diǎn)愈加明顯，充填鉆孔因磨損而破壞將更加嚴(yán)重，鉆孔使用壽命將大大縮短。為保證連續(xù)充填，一般每鉆孔組布置鉆孔4～6條，當(dāng)組群中的鉆孔全部損壞報(bào)廢時(shí)，就必須重新施工新的鉆孔組。新的鉆孔組要布設(shè)在攪拌站附近，受地表地形、地表工業(yè)場(chǎng)地、井下已有工程銜接、井下鉆孔機(jī)房和鉆孔硐室位置的限制，重新布置新鉆孔極為困難。為提高鉆孔的使用壽命，金川公司采取了各種技術(shù)措施，如對(duì)因沖擊和磨損造成的堵塞鉆孔進(jìn)行重新通孔，安裝小直徑的套管重新投入使用等，但小直徑鉆孔使用壽命仍然有限。

金川公司年充填量近200萬(wàn)m3，主要采用粗骨料（如棒磨砂等）高濃度充填，與尾砂膠結(jié)充填礦山相比，管道磨損破壞更為嚴(yán)重。截止目前，金川公司共報(bào)廢鉆孔17個(gè)，累計(jì)報(bào)廢鉆孔長(zhǎng)度2 214m，分別占全公司鉆孔總數(shù)及總長(zhǎng)度的21%和20%。查清已破損鉆孔破損位置與使用壽命并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)揭示鉆孔破損規(guī)律、研究防磨損技術(shù)有重要的意義。

3 破損鉆孔的修復(fù)和鉆孔永久使用研究

3.1 常規(guī)對(duì)策和新技術(shù)原理

破損鉆孔的修復(fù)是世界性的技術(shù)難題，破損鉆孔修復(fù)可以通過(guò)以下3種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)：一是打通堵塞的鉆孔，重新下較小直徑的套管，改為其他用途，或繼續(xù)承擔(dān)充填任務(wù)，這是當(dāng)前最成熟的做法，如金川公司對(duì)破損鉆孔的再利用就采用此技術(shù)；二是對(duì)破損鉆孔位置進(jìn)行探測(cè)與修復(fù)，以恢復(fù)其功能，此方法不適合金川礦區(qū)使用；三是將破損鉆孔加以改造，通過(guò)更換鉆孔內(nèi)管道實(shí)現(xiàn)鉆孔永久性可修復(fù)使用。

永久性可修復(fù)鉆孔技術(shù)的基本原理為：根據(jù)設(shè)計(jì)的充填管道直徑，施工一條大直徑的鉆孔，并安裝套管，套管內(nèi)徑比設(shè)計(jì)的充填管道外徑大50～60mm，在帶套管的鉆孔內(nèi)安裝設(shè)計(jì)的充填管道，即充填管道為不耦合安裝。充填管道達(dá)到預(yù)期壽命后，利用配有切割刀具的鉆機(jī)，將該管道切割并取出，然后重新安裝新的管道，見(jiàn)圖2。由于鉆孔與管道不耦合布置，破損管道可無(wú)限次更換，從而實(shí)現(xiàn)了充填鉆孔的永久性可修復(fù)使用。對(duì)金川公司大直徑破損鉆孔，可以采用上述技術(shù)，切除破損套管后，將原鉆孔刷大，重新安裝新套管，在新套管內(nèi)安裝與原套管直徑相同的充填管道，使該鉆孔成為可更換充填管道的永久性鉆孔，其技術(shù)原理見(jiàn)圖3。雖然該工藝增加了一套充填管路，但由于管道可多次更換，實(shí)現(xiàn)了鉆孔的永久性利用，節(jié)省了重新施工鉆孔及相應(yīng)井下硐室工程的費(fèi)用，解決了新鉆孔施工位置不夠的難題。開(kāi)發(fā)應(yīng)用該技術(shù)必須研究解決破損管道的切割與更換工藝、管道的固定方法等技術(shù)難題。

圖2 不耦合布管充填鉆孔示意圖

3.2 實(shí)施過(guò)程中技術(shù)難點(diǎn)及解決方案

與室內(nèi)試驗(yàn)、理論研究、模擬分析不同，本項(xiàng)目屬于現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)應(yīng)用研究課題。在實(shí)施過(guò)程中主要技術(shù)難點(diǎn)和解決方案如下。

3.2.1 管道更換周期

當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，可考慮進(jìn)行管道更換：①鉆孔底部出現(xiàn)漏漿；②充填量到達(dá)鉆孔預(yù)期壽命；③鉆孔電視探測(cè)發(fā)現(xiàn)管道局部嚴(yán)重磨損即將磨穿。

圖3 破損鉆孔永久性可修復(fù)方案原理圖

3.2.2 破損鉆孔的可修復(fù)使用標(biāo)準(zhǔn)

并非現(xiàn)有破損鉆孔均可通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)改造成為可修復(fù)使用的永久性鉆孔，如果出現(xiàn)下列情況之一，則可認(rèn)為該鉆孔已經(jīng)永久報(bào)廢，不具備修復(fù)使用的可能，除此之外的其它形式的破損鉆孔理論上均可利用該技術(shù)進(jìn)行永久性可修復(fù)使用：①因孔壁嚴(yán)重塌落造成大塊堵塞、致使無(wú)法清理的塌孔；②因巖層移動(dòng)造成的鉆孔錯(cuò)位。

3.2.3 鉆孔內(nèi)不耦合管道的固定方法

對(duì)于深度不大（如不超過(guò)200m）的鉆孔，不耦合管道可以僅在鉆孔兩端固定，孔內(nèi)管道利用自身剛度保持垂直度。如果鉆孔深度過(guò)大，不耦合孔內(nèi)管道也應(yīng)進(jìn)行局部固定。解決的辦法是研究孔口與孔底的固定技術(shù)和孔內(nèi)專用固定材料與工藝。

3.2.4 破損管道切除時(shí)的刀具定位

受安裝精度限制，不耦合布置管道中心線與鉆孔中心線可能不完全一致，在局部地段甚至可能會(huì)出現(xiàn)管道與孔壁接觸。另外，由于不耦合管道孔內(nèi)一般不進(jìn)行固定，因此孔口部分管道切除后，孔內(nèi)部分管道可能發(fā)生偏斜。在這兩種情況下，切割刀具能否準(zhǔn)確定位順利進(jìn)入管道，成為該技術(shù)成功的關(guān)鍵因素之一。解決的辦法是：①切割更換管道前，測(cè)定管道偏斜度；②刀具與鉆桿的非直線聯(lián)結(jié)；③添加孔內(nèi)導(dǎo)向器；④提高操作人員的技術(shù)水平。

3.2.5 鉆孔刷大與套管拆除方法

現(xiàn)有破損鉆孔改造成孔內(nèi)不耦合布置等直徑充填管道的永久性鉆孔時(shí)，必須將破損鉆孔刷大、拆除舊套管。由于套管與孔壁固結(jié)在一起，因此，套管拆除技術(shù)難度較大。解決的辦法是研究破損套管與周圍巖體的分離技術(shù)。

4 破損鉆孔修復(fù)和不耦合安裝使用

4.1 實(shí)驗(yàn)具體過(guò)程

結(jié)合金川公司充填鉆孔具體情況，可以采用破損鉆孔修復(fù)改造方式實(shí)現(xiàn)鉆孔的永久性可修復(fù)利用。由于金川公司新鉆孔施工位置不夠，因此，如何將破損已接近報(bào)廢的鉆孔進(jìn)行修復(fù)改造，使其成為永久性可修復(fù)使用鉆孔具有更重要的現(xiàn)實(shí)意義。

應(yīng)該指出的是并非現(xiàn)有破損鉆孔均可通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)改造成為可修復(fù)使用的永久性鉆孔，如果可修復(fù)，見(jiàn)圖3所示按下列步驟實(shí)施。

（1）鉆孔清理。如果已經(jīng)出現(xiàn)鉆孔淤積，首先用地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行通孔。

（2）孔內(nèi)檢查。利用JL-IODI鉆孔電視對(duì)清理后的管道進(jìn)行全程檢查，確定不同位置管道的磨損情況。

（3）擴(kuò)孔。首先利用XY-4或XY-5型地質(zhì)鉆機(jī)配合大直徑地質(zhì)鉆頭（鉆頭直徑比套管外徑大60～70mm）自上而下分段將破損套管與周圍巖壁分離，每次分離長(zhǎng)度0.8～2.5m。然后對(duì)分離部分的套管利用切割刀盤(pán)進(jìn)行切割，使用鉆孔打撈器將切除部分從孔內(nèi)取出。反復(fù)進(jìn)行該步驟，直至孔內(nèi)整條套管全部切除，并達(dá)到擴(kuò)孔目的。

（4）安裝新套管。自上而下安裝新的套管，套管內(nèi)徑比充填管道外徑大50～60mm。

（5）新管道安裝。在帶套管的鉆孔內(nèi)自上而下分段安裝新的充填管道。在地表孔口及井下孔底部位設(shè)置固定支架進(jìn)行充填管道固定。

4.2 幾點(diǎn)說(shuō)明

（1）一條破損鉆孔修復(fù)改造費(fèi)用可能比新施工一條鉆孔鉆進(jìn)費(fèi)用高，但由于新鉆孔需要配套的井下硐室工程及其他配套設(shè)施費(fèi)用較高，因此該技術(shù)仍然具有明顯的綜合成本優(yōu)勢(shì)。

（2）破損充填鉆孔永久性可修復(fù)技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)定期更換鉆孔內(nèi)充填管道，實(shí)現(xiàn)了鉆孔的永久性使用，從而大大降低了每組鉆孔數(shù)目（新技術(shù)每組鉆孔僅需2～3條，而金川公司當(dāng)前每組鉆孔數(shù)達(dá)4～6條），提高了鉆孔保障程度。更為重要的是解決了新施工鉆孔位置不足的現(xiàn)實(shí)困難。

（3）管道不耦合安裝時(shí)的固定問(wèn)題，由于管道外徑僅比套管內(nèi)徑小50～60mm，利用孔口和孔底的固定支架，并借助管道本身的剛度，完全可以保證管道的安裝質(zhì)量。

4.3 實(shí)施結(jié)果

龍首礦西部一級(jí)充填鉆孔是西部充填攪拌站充填料漿輸送通往井下的唯一通道。一級(jí)鉆孔長(zhǎng)88m，用于充填下料的鉆孔有3條，分別是4、5、6號(hào)鉆孔。管材均為Φ180mm×14mm無(wú)縫鋼管。鉆孔從1990年啟用，已經(jīng)累計(jì)每條平均充填170萬(wàn)m3。經(jīng)過(guò)十幾年的使用以后，4號(hào)、6號(hào)兩條鉆孔管壁多處破損，無(wú)法正常使用，處于報(bào)廢狀態(tài)。目前僅5號(hào)鉆孔維持生產(chǎn)，一旦出現(xiàn)鉆孔故障，充填生產(chǎn)將被迫停止。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，4號(hào)鉆孔完全具備進(jìn)行破損鉆孔永久性可修復(fù)使用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的條件，將龍首礦4號(hào)鉆孔作為破損鉆孔永久性修復(fù)使用的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)。

2008年3月工程正式開(kāi)始，7月完成施工并順利交工投產(chǎn)至今，應(yīng)用良好，取得圓滿成功。

5 結(jié)語(yǔ)

由于金川公司井下采礦主要采用膠結(jié)充填方法，各礦區(qū)膠結(jié)充填所采用的充填工藝、使用的充填材料、充填鉆孔的設(shè)計(jì)方法、施工工藝和管材規(guī)格都比較類似，因此在龍首礦進(jìn)行的破損鉆孔永久性可修復(fù)使用研究成果完全可以在全公司推廣應(yīng)用。公司全礦區(qū)平均年充填量達(dá)180萬(wàn)m3，按照平均鉆孔使用壽命計(jì)算，每年報(bào)廢的鉆孔總長(zhǎng)度達(dá)到1 000m左右，平均需要新投入的鉆孔數(shù)量高達(dá)10條。如果不采用該技術(shù)，按原有方法施工一條新鉆孔（假定深度100m）費(fèi)用（包括鉆孔鉆進(jìn)、套管安裝、硐室工程、施工措施工程等）51.88萬(wàn)元，如果采用不耦合布管的破損鉆孔永久性可修復(fù)技術(shù)，則費(fèi)用為19.66萬(wàn)元，即采用該技術(shù)進(jìn)行破損鉆孔永久性可修復(fù)使用費(fèi)用比新施工鉆孔（含硐室工程）費(fèi)用降低62%。更為重要的是解決地表施工新鉆孔位置不夠的難題，為公司可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

綜上所述，在目前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下研究開(kāi)發(fā)充填鉆孔不耦合布管技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有破損鉆孔的永久性可修復(fù)使用；同時(shí)，也可將該技術(shù)直接應(yīng)用于未來(lái)新鉆孔施工中，使其永久性可修復(fù)使用。破損鉆孔永久性可修復(fù)使用研究應(yīng)用，破損充填鉆孔的修復(fù)使用是所有使用充填鉆孔的礦山面臨的共同問(wèn)題，對(duì)于金川公司持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義，具有較高的學(xué)術(shù)水平和推廣應(yīng)用價(jià)值。

TD853.34

B

2010-06-22

郭三軍（1972-），男，甘肅成縣人，電氣工程師，從事采礦生產(chǎn)技術(shù)、礦山設(shè)備技術(shù)及管理工作。

Abstract:The mine filling system in Jinchuan Group,Ltd.can’t be used because of a large amount of damaged filling hole,and it seriously affects the production.A great deal of new drill hole construction lead to higher cost,at the same time,it is limited by geological condition.In view of this situation,the uncoupled distributing pipe and hole repairable technology are put forward to get the goal of hole permanent usage,and it is successfully applied.

Key words:repair of drill hole;uncoupled distributing pipe;permanent usage

1672-609X（2011）01-0001-03