大水鐵礦山井下探水注漿孔鉆探施工實踐

劉明海，亓維明

（萊鋼集團萊蕪礦業(yè)有限公司，山東萊蕪271100）

大水鐵礦山井下探水注漿孔鉆探施工實踐

劉明海*，亓維明

（萊鋼集團萊蕪礦業(yè)有限公司，山東萊蕪271100）

地下大水礦山需通過施工大量鉆孔以實現(xiàn)探水治水的目的，通過對該鉆探施工實踐的總結(jié)，介紹了地下大水礦山鉆探施工的工藝特點及如何保證該種條件下的安全操作施工。

地下大水礦山；鉆探施工；施工工藝；安全操作

1 概述

安徽省徐樓鐵礦、江蘇省利國鐵礦、山東省張馬屯鐵礦和業(yè)莊鐵礦是國內(nèi)出名的大水礦山，在礦床的地表范圍內(nèi)均有多條河流從礦體上部及鄰近流過，礦體上盤奧陶系灰?guī)r為溶洞較發(fā)育的富含水層，第三系隔水層局部缺失形成“天窗”使地表河流與奧陶系灰?guī)r水導通，礦山水文地質(zhì)條件均為復雜類型。要實現(xiàn)鐵礦的順利開采，必須首先對礦體上盤含水層進行治理。現(xiàn)采用的治水方案是通過井下布置施工鉆孔，勘探含水構(gòu)造和揭露含水溶洞及裂隙，對含水層進行注漿形成隔水局部帷幕以實現(xiàn)隔離含水層水下采礦的目的。

2 工程地質(zhì)條件和布孔特點

鉆探范圍內(nèi)主要為閃長巖、磁鐵礦、矽卡巖、大理巖。閃長巖灰綠色，致密塊狀結(jié)構(gòu)，硬度9級，研磨性高。磁鐵礦黑色、褐色，原生礦堅硬致密，局部氧化，硬度稍低。矽卡巖呈灰—灰綠色，巖性較軟，遇水易風化掉塊。大理巖白色，深灰—淺灰，結(jié)構(gòu)完整，含水處溶洞裂隙發(fā)育。

礦體上盤含水層為承壓水，靜水位距地表埋深30m左右并隨季節(jié)變化波動。由于礦體埋藏深淺不一，井下鉆孔施工揭露地下動水的靜水壓力有大有小，一般在1～3MPa之間。

鉆孔按一定網(wǎng)度布置在井下巷道內(nèi)，布孔有2種方式：（1）以小仰角近水平孔為主，以少量仰角10°以上的仰角孔為輔，鉆孔方向以垂直礦體走向為主；（2）通過先探后掘，進入上盤灰?guī)r硐室，以平行和近平行于礦體走向與傾向扇形布孔。同時，根據(jù)含水巖層構(gòu)造、裂隙發(fā)育程度，含水裂隙相互間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，調(diào)整鉆孔布置密度。

3 鉆孔施工工藝

3.1 埋設(shè)孔口管

孔口管的作用是孔內(nèi)地層出水后可以安裝閥門以封閉孔內(nèi)出水，并可以通過它對孔內(nèi)注漿。孔口管要求埋設(shè)牢固，管外密封良好。根據(jù)實踐經(jīng)驗，孔口管長度4～5m，孔口管外環(huán)狀間隙為20mm，管內(nèi)水泥經(jīng)擠壓穿過花眼進入環(huán)狀間隙，72h凝固后，孔口管承壓能達到6MPa，完全能滿足注漿需用壓力。

3.2 鉆機固定

由于地層水靜壓大，鉆孔揭露出水滿孔時，對鉆具形成的沖擊力是很大的，所以，對于大水礦山井下施工，鉆機固定除施工質(zhì)量要求外，從安全角度要求有著特殊的意義。鉆機的固定主要用2個長度可伸縮調(diào)整的閥柱，豎立與硐室頂板牢牢擠壓壓住鉆機底座，根據(jù)水壓情況，用鋼絲繩拉住鉆機與孔口管連接在一起，使鉆機有足夠支撐力承擔水壓。

3.3 鉆機的使用

要求鉆機有以下特點：(1)井下巷道運輸?shù)缆凡黄剑医?jīng)常有上坡，重量不宜過重,為增加孔內(nèi)出水時鉆機穩(wěn)定性，重量也不宜過輕,自重1000kg左右;(2)為便于運輸，可拆性強;(3)施工角度在0°～360°,角度可調(diào);(4)一般為電機帶動,考慮到井下施工的通風條件一般不建議用柴油機;(5)轉(zhuǎn)速能適用金剛石鉆進和硬合金鉆進。

3.4 鉆桿的使用

為適應巷道施工，長度一般在3～3.5m,要求強度高,耐磨,重量較輕。在施工初期,施工地點在較淺的水平以上，地層水壓力相對較小，孔深一般在60m以內(nèi)，使用了?43mm內(nèi)絲外平鉆桿，該種鉆桿重量輕，擰卸方便，提鉆時鉆桿均可通過立軸，基本能滿足水壓和鉆進扭壓力。后期隨著對礦山水危害嚴重程度的進一步認識，探水的起始點大大提前，探水孔深度根據(jù)需要經(jīng)常加深至80～90m，初期使用的鉆桿孔內(nèi)斷鉆頻率明顯加大，斷鉆位置一般都在螺紋處，顯示強度偏低滿足不了施工要求。將鉆桿更換為外尖絲鉆桿，連接57扣接手后經(jīng)使用驗證強度明顯改善?？偨Y(jié)施工過程，井下水平孔鉆進鉆具與孔壁的摩擦力比豎孔要大的多，鉆具磨損大大增加，鉆具的防磨損顯得更有意義，主要措施有：（1）加粗鉆桿接手使外徑大于鉆桿，以接手保護鉆桿；縮短鉆桿長度。（2）巖芯管接手比巖芯管外徑增大2mm，巖芯管接手外周鑲焊保徑合金，保持其耐磨性。（3）保證鉆桿平直度，去除彎曲鉆桿。

鉆桿材質(zhì)對鉆桿強度與剛度影響很大，為保障其性能，選用性能較優(yōu)良的地質(zhì)管材45MNMOB，端部按設(shè)計要求進行鐓粗；根據(jù)鉆桿斷裂大多數(shù)發(fā)生在鉆桿接頭附近的一般規(guī)律，使用鉆桿時注意保護鉆桿接頭處，卡夾鉆桿盡量避免傷害該處鉆桿表面，并經(jīng)常檢查，發(fā)現(xiàn)微裂紋即停止使用。為增加鉆桿接頭密封性，對螺紋齒高、螺紋公差等參數(shù)進行了細化調(diào)整，并嚴格加工尺寸精度，這些措施對鉆桿工作可靠性起了積極作用。

3.5 鉆進方法及參數(shù)

閃長巖和磁鐵礦一般用金剛石鉆進，采用孕鑲金剛石鉆頭，胎體硬度分別為HRC35～40和HRC30左右，粒度80～100目；風化較重的磁鐵礦和矽卡巖用硬質(zhì)合金鉆進，因為粉礦和松散顆粒對金剛石鉆頭磨損消耗很快，嚴重影響鉆頭壽命，且金剛石顆粒出刃小，鉆進效率不高；大理巖因硅質(zhì)成分含量不同可鉆性差別很大，硅質(zhì)成分含量高的用金剛石鉆進效率較高，硅質(zhì)成分含量低的用硬質(zhì)合金鉆進效率比較高，此外，如果地質(zhì)資料已較明確地段，對巖芯采取率要求不高時，采用復合片鉆頭鉆進可很好地提高鉆進效率；磁鐵礦中某些地段含鐵燧石結(jié)核，為堅硬致密打滑地層，常規(guī)鉆進極為緩慢，可采用液動潛孔錘鉆進提高鉆進效率。

井下鉆進水平孔，可用清水作沖洗液進行冷卻和攜帶巖屑，但在孔內(nèi)地層出水的情況下須對出水加強觀察，因為沖洗液的突然中斷或中途短路不易被發(fā)現(xiàn)，從而出現(xiàn)燒鉆事故，所以此時必須加強孔口出水水量和顏色的變化情況，以確保沖洗液正常循環(huán)。

3.6 提下鉆

在孔內(nèi)未出水的情況下,一般可人工提下鉆,當深度大于70m,可輔以卷揚或立軸提下鉆。如果鉆進過程中孔內(nèi)出大水,水量大于100m3/h，靜壓大于1MPa時，會水霧飛濺，人員會感到操作有些困難，此時卡盤不能隨便打開,必須以卡盤夾緊固定孔內(nèi)鉆桿以防沖出，然后用2副夾板和2個5t倒鏈交替放出孔內(nèi)鉆桿，放鉆桿過程中必須始終使鉆桿處在可控狀態(tài)，絕對避免鉆桿被高壓動水自由沖出。實踐表明，一旦鉆桿被高壓水流加速作用加速自由沖出后所形成的沖擊力是相當大的，撞擊在巖石上足以使鉆桿彎曲變形繞成環(huán)形。我們在夾板使用過程中，為增加夾緊穩(wěn)定性，將夾板內(nèi)表面加工成齒形，增大摩擦力以防鉆桿打滑沖出，夾板兩側(cè)加工有固定鋼絲繩的凹溝以防鋼絲繩滑脫。

4 操作安全要求

（1）人員要躲開鉆桿正后方位置，防止孔內(nèi)出水沖出鉆桿射擊傷人；

（2）管鉗擰卸孔內(nèi)鉆桿時，人員要站在管鉗的孔口管一側(cè)，防止孔內(nèi)出水沖出鉆桿間接帶動鉆桿傷人；

（3）現(xiàn)場備用2個5t倒鏈、2副夾板、鋼絲繩套、雨衣，用作出大水后提鉆使用。

（4）疏通施工地點地面排水通道，保持排水暢通；

（5）施工前孔口管安裝同口徑高壓閥門，做到出大水提鉆后能及時關(guān)閉；

（6）規(guī)定以施工硐室照明燈閃爍為井下出現(xiàn)異常情況報警信號，使人員熟知及時撤退；

（7）每個硐室地點施工前，要求施工人員首先了解地點最近的聯(lián)系電話和安全通道；

（8）施工過程中經(jīng)常檢查閥柱緊固情況，出現(xiàn)松脫要及時緊固。

5 結(jié)語

大水礦山要實現(xiàn)順利安全采礦治水是前提，同時也是工作中的一個難點，它離不開以鉆探為手段的探水和注漿孔施工，頂水鉆進和孔內(nèi)出大水后如何保證安全操作是鉆探工作不得不面臨的重要問題，通過幾年的實踐我們總結(jié)了一定的經(jīng)驗，但在如何更好地實現(xiàn)鉆機固定及搬運、如何提高鉆桿強度、剛度但不至于過多增加重量等問題上需進一步研究摸索。

[1]羅超，等.金剛石優(yōu)化鉆進的新途徑[J].探礦工程，1994（10）.

[2]趙國珍，等.鉆井力學基礎(chǔ)[M].1988.

[3]武漢地質(zhì)學院.鉆探工藝學[M].1980.

TD743

B

1004-5716(2015)10-0057-02

2014-10-29

劉明海（1969-），男（漢族），山東曹縣人，工程師，現(xiàn)從事鉆探生產(chǎn)及礦山防治水工作。