楊家灣鐵鋅礦充填孔鉆探施工技術(shù)

曾石友，孔二偉，李金朋

（河南省地礦局第四地質(zhì)勘查院，河南鄭州450001）

楊家灣鐵鋅礦充填孔鉆探施工技術(shù)

曾石友，孔二偉，李金朋

（河南省地礦局第四地質(zhì)勘查院，河南鄭州450001）

礦山開采產(chǎn)生大量的尾礦砂，給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)非常嚴(yán)重的破壞和災(zāi)害。采用充填采礦法采礦，是礦山減少礦產(chǎn)資源浪費(fèi)和環(huán)保的一項(xiàng)新技術(shù)，社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益極為顯著。以楊家灣鐵鋅礦充填孔施工為例，介紹了該孔的設(shè)計(jì)、主要技術(shù)要求及鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)，提出了應(yīng)用繩索取芯技術(shù)施工先導(dǎo)孔，以提高中靶的準(zhǔn)確率；正確使用鉆具組合，每25m測(cè)斜一次以防止鉆孔彎曲、下管、固井等切實(shí)可行的施工工藝及技術(shù)。

礦山充填孔；鉆探設(shè)備；鉆進(jìn)工藝；施工技術(shù)

1　工程概況

1.1礦區(qū)概況

楊家灣鐵鋅礦區(qū)位于河南盧氏縣城西南25km，以磁鐵礦、鐵閃鋅礦為主，伴生有銦和鎘。礦區(qū)控制、圈定3個(gè)礦體，即Ⅰ、Ⅱ號(hào)礦體規(guī)模很小，礦種和礦石類型都比較復(fù)雜。Ⅲ號(hào)礦體規(guī)模大，礦石類型簡(jiǎn)單，幾乎全為鐵鋅礦石，是最主要的礦體。Ⅰ號(hào)礦體分布在礦段西部，礦體厚度較薄，8～10m，礦體走向近東西、南傾，傾角40°～60°。礦石品位較低，鐵的品位22.5%～35.10%，鋅品位0.41%～2.36%。Ⅱ號(hào)礦體分布在礦段中西部，長(zhǎng)度為800m，厚度為8～12m，礦體走向西段南西西，東段南東東，南傾，傾角30°～60°，西陡東緩。礦石品位低，鐵品位24.89%～34.11%，鋅品位0.34%～1.98%，單鋅礦品位1.66%～3.61%。Ⅲ號(hào)礦體分布在Ⅰ礦段東部，長(zhǎng)度為600m，礦體厚度4.5～47.4m，平均厚度29m，礦體走向總體南傾，傾角55°～27°，西陡東緩。礦石品位相對(duì)較高、較穩(wěn)定低。單孔鐵品位31.96%～33.77%，礦段平均品位32.73%；單孔鋅品位1.63%～3.20%，礦段平均品位2.94%。

1.2鉆遇地層

本孔所揭露的地層為砂礫石層、砂礫巖、矽卡巖化閃長(zhǎng)斑巖、綠簾透輝矽卡巖、正長(zhǎng)斑巖、矽卡巖化正長(zhǎng)斑巖及磁鐵礦石、鋅礦石、黑云母大理巖、透輝大理巖等，巖石可鉆性等級(jí)約為4～8級(jí)。

1.3鉆孔結(jié)構(gòu)

（1）0～14.50m段為第四系砂卵石層，為保證施工安全和施工質(zhì)量，將孔口護(hù)壁管下到第四系底界面以下5m。

該段孔徑為?265mm，下入?245mm×7mm井壁管，并用水泥漿（圖1）封固護(hù)壁管。

（2）14.50～283.00m段為基巖段，孔徑為?220mm，下入?133mm×15mm的16Mn鋼管為充填管，充填管下設(shè)至400m標(biāo)高水平，并用42.5級(jí)水泥漿固管。

（3）充填孔成井示意圖見(jiàn)圖1。

1.4技術(shù)要求

（1）本充填孔孔口地表施工標(biāo)高約為680m，孔底標(biāo)高為400m，垂高280m。鉆孔坐標(biāo)：

X=3759692.118，Y=37490701.212

（2）充填鉆孔為垂直定向鉆孔，在258°±20°方向偏斜度要求小于2.5%，其他方向偏斜度要求小于2.0%。

（3）充填管采用?133mm×15mm的16Mn鋼管，采用梯形螺紋連接，下管絲扣用強(qiáng)力膠粘結(jié)或焊接。

（4）充填管下入后，充填管與鉆孔間隙用800#G級(jí)油井水泥漿或42.5級(jí)水泥漿固井，水泥固井后及時(shí)對(duì)鉆孔進(jìn)行掃孔。

2　主要設(shè)備選擇

充填孔施工采用的設(shè)備和機(jī)具為：連云港黃海探礦機(jī)械廠生產(chǎn)的HXY-6型巖芯鉆機(jī)、張家口探礦機(jī)械廠生產(chǎn)的SGZ-18型鉆塔、衡陽(yáng)探礦機(jī)械廠生產(chǎn)的BW-250型泥漿泵、蘇州市蘇新探礦工具廠有限公司生產(chǎn)的S122mm繩索取芯鉆具及S114繩取鉆桿。鉆機(jī)施工能力鉆深1500～2000m（?75mm口徑），另配BW-320型泥漿泵（擴(kuò)孔及固充填管時(shí)壓水泥用）、0.5m3泥漿攪拌機(jī)。

3　施工工藝

3.1充填孔施工流程

定孔位→場(chǎng)地平整與修筑地基→孔位坐標(biāo)復(fù)測(cè)→安裝鉆探設(shè)備及附屬設(shè)備→安裝驗(yàn)收→開孔前的準(zhǔn)備工作→開孔下入孔口管→換徑→鉆進(jìn)→其他工作（主要是鉆孔測(cè)斜與軌跡控制）→擴(kuò)孔→下入充填管→管外水泥固井→透孔→廢漿處理和場(chǎng)地環(huán)境恢復(fù)→完井驗(yàn)收→拆遷。

3.2鉆進(jìn)方法

一開采用?200mm單管金剛石鉆頭鉆至15.40m，下入?194mm套管護(hù)壁；二開采用?170mm單管金剛石鉆頭鉆至25.80m，下入?168mm及?146mm套管護(hù)壁；三開采用?122mm金剛石繩索取芯鉆進(jìn)技術(shù)鉆至目的層（400m標(biāo)高）。接著使用自制的?265mm單管金剛石鉆頭擴(kuò)孔至15.40m，下入?245mm護(hù)壁套管并固井；再使用?220mm的三牙輪鉆頭擴(kuò)孔至283.00m終孔。終孔后，下入?133mm×15mm充填管282.0m。因充填管的重量達(dá)13.15t，為了減小鉆機(jī)大鉤載荷，保證下管的安全性，采用浮力法（即充填管腦袋為實(shí)心）下管（每20m左右設(shè)置一組扶正器）。充填管下到位置后，采用42.5級(jí)水泥漿固管，停待72h后掃孔，達(dá)到完井目的。

3.3鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

鉆進(jìn)參數(shù)的選擇應(yīng)主要考慮設(shè)備機(jī)具能力和實(shí)際需要。在設(shè)備性能允許的情況下，盡量采用高參數(shù)。實(shí)際施工中采用的鉆進(jìn)參數(shù)如下：

正常鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓：15～20kN；轉(zhuǎn)速：300～600r/min；泵量：90L/min。

擴(kuò)孔鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓：25～35kN；轉(zhuǎn)速：250～400r/min；泵量：165L/min。

3.4沖洗液

根據(jù)本孔地層情況選用優(yōu)質(zhì)植物膠泥漿，其配方如下：

合理使用植物膠及CMC，控制好沖洗液粘度，提高巖粉上返量，有效地提高鉆進(jìn)速度，縮短鉆井周期。泥漿性能：密度1.05～1.10g/cm3；粘度22～30s；失水量小于12～15mL/30min；pH=9～11，其配方為：土粉40.0kg+纖維素1.05kg+植物膠1.05kg+腐植酸鉀3.0kg。鉆進(jìn)中視地層情況可隨時(shí)調(diào)整泥漿性能。

泥漿的凈化泥漿使用振動(dòng)除砂器、人工撈砂和長(zhǎng)槽沉淀相結(jié)合的方法。泥漿的日常維護(hù)：每班測(cè)1次泥漿性能指標(biāo)，記錄備查，每班要2次清理沉渣?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)備足鋸末、棉籽殼等惰性堵漏材料。鉆進(jìn)中如孔內(nèi)發(fā)生漏失，及時(shí)采取堵漏措施。

3.5充填孔施工技術(shù)要點(diǎn)

3.5.1防斜、糾斜措施

保證安裝質(zhì)量，把好開孔、換徑關(guān)。鉆機(jī)鉆塔機(jī)械設(shè)備安裝牢固、水平，開孔前認(rèn)真找正“三點(diǎn)一線”。開孔使用的粗徑鉆具要直，連接后應(yīng)同心。

正確采用鉆進(jìn)工藝方法。要保持壓力均勻，換層時(shí)要減壓鉆進(jìn)，擴(kuò)孔時(shí)靠牙輪鉆頭底部導(dǎo)向。鉆進(jìn)中中途測(cè)斜是預(yù)防鉆孔彎曲的有效手段。每鉆進(jìn)25m測(cè)斜1次，每次測(cè)斜要認(rèn)真做好記錄，準(zhǔn)確繪制鉆孔軌跡圖。

3.5.2鉆孔坐標(biāo)的準(zhǔn)確性

充填孔設(shè)計(jì)一般位于主巷道壁一側(cè)的幾米范圍內(nèi)，充填孔施工后，需在主巷道內(nèi)按鉆孔坐標(biāo)尋找充填孔底部。若鉆孔坐標(biāo)不準(zhǔn)確，就無(wú)法找到鉆孔，所以充填孔鉆孔坐標(biāo)的準(zhǔn)確性顯得特別重要。鉆孔坐標(biāo)的準(zhǔn)確性必需做好2點(diǎn)∶一是鉆孔開孔時(shí)，要測(cè)準(zhǔn)孔口坐標(biāo)（基準(zhǔn)坐標(biāo)）；二是把好鉆孔測(cè)斜關(guān)，采用STL-1JW防磁陀螺測(cè)斜儀進(jìn)行測(cè)斜，每25m測(cè)斜1次，要求下孔前對(duì)儀器進(jìn)行精度校驗(yàn)，孔內(nèi)每次同點(diǎn)位置要復(fù)測(cè)，鉆孔只要測(cè)得頂角數(shù)據(jù)都要測(cè)方位角。

3.5.3下管及固井

（1）下管作業(yè)。由于充填管的重量達(dá)13.45t，采用

浮力下管法。下管前用相同直徑的探井器進(jìn)行探井順孔，對(duì)擴(kuò)孔鉆具準(zhǔn)確丈量，保證下管深度準(zhǔn)確。認(rèn)真檢查鉆塔，鉆機(jī)離合器、升降機(jī)制動(dòng)帶、游動(dòng)滑車、鋼絲繩和各處鋼絲繩卡。井管夾板應(yīng)用厚20mm鋼板制作，并根據(jù)管材重量加焊3～4道加強(qiáng)筋。上、下管之間焊接要牢固。在提吊井管時(shí)要穩(wěn)拉、慢放，下管遇阻時(shí)不得猛墩。確保安全下管。

（2）固井工作。固井前應(yīng)對(duì)固井設(shè)備（泥漿泵、發(fā)電機(jī)組等）進(jìn)行檢查，注漿管路及注漿泵為用一備一，確保固井工作順利進(jìn)行。

（3）沖孔。充填管下到位置后，先用稀泥漿沖孔換漿，當(dāng)孔內(nèi)泥漿密度降為1.02～1.05g/cm3后用清水再?zèng)_孔1h左右再灌注水泥漿。

（4）制漿。條件允許時(shí)應(yīng)采用混凝土制漿站制漿。固井采用425#水泥，水泥、水、外加劑用量和替漿量應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)算。

（5）注漿。灌注時(shí)中間不能停頓，要求新制水泥漿液不停頓地供應(yīng)水泵灌注，直到水泥漿由孔口返出后即可停泵。泵漿完成后進(jìn)行替漿，準(zhǔn)確計(jì)算替漿量。

（6）固井注意事項(xiàng)。固井同時(shí)要備水泥漿樣品。泵漿結(jié)束，替漿完成后將管口固定在孔口護(hù)壁管中心，保持管口、天輪、轉(zhuǎn)盤中心在同一垂直線上。固井完成后，待水泥候凝72h，查看水泥漿樣品符合要求時(shí)，下鉆掃孔到目的層位。

4　結(jié)語(yǔ)

（1）充填孔施工，防斜保直最為關(guān)鍵。施工中要以防為主，鉆具同心度要好，準(zhǔn)備足夠的擴(kuò)孔器（扶正器），不能以“犧牲”鉆孔質(zhì)量而追求效率，一旦發(fā)現(xiàn)孔斜現(xiàn)象，及時(shí)采取糾斜措施。

（2）自制的?265mm單管金剛石鉆頭（圖2）順利穿過(guò)砂礫石層，并鉆進(jìn)完整基巖。

（3）擴(kuò)孔時(shí)，由于孔徑大，泥漿上返速度一般都小于0.5m/s，巖粉不能及時(shí)排出，大顆粒巖屑在孔內(nèi)重復(fù)破碎降低鉆效，同時(shí)存在埋鉆的事故隱患。因此，除使用振動(dòng)除砂器及時(shí)處理泥漿中的巖粉外，應(yīng)采取措施提高泥漿的粘度。有條件的建議使用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝。

（4）選擇合理的鉆探設(shè)備、管材及施工工藝。使用常規(guī)的巖芯鉆機(jī)及?122mm金剛石繩索取芯鉆進(jìn)工藝施工先導(dǎo)孔，減少孔壁與鉆柱的環(huán)狀間隙，防止孔斜；擴(kuò)孔采用鑲齒牙輪鉆頭，降低施工成本，提高擴(kuò)孔效率。

（5）成井后采用“慧磁”鉆井導(dǎo)向系統(tǒng)測(cè)斜，精準(zhǔn)確定測(cè)點(diǎn)與鉆孔終點(diǎn)之間的距離。

圖2　自制?265mm鉆頭

［1］朱恒銀，等.礦山充填孔及尾砂礦充填回采技術(shù)的應(yīng)用與探討［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2009（增刊）.

［2］曾祥熹，等.鉆孔護(hù)壁堵漏與減阻［M］.1981.

［3］汪拾金.較大口徑垂直定向基巖孔施工技術(shù)初探［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2005，54（11）.

［4］烏效鳴，等.鉆井泥漿與巖土工程漿液［M］.武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2002.

［5］盧氏楊家灣鐵鋅礦充填孔施工組織設(shè)計(jì)［E］.內(nèi)部資料.

P618.31

B

1004-5716（2016）01-0085-03

2015-01-12

2015-01-13

曾石友（1973-），男（漢族），河南盧氏人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事巖芯鉆探、水文水井鉆探等工作。