錫鐵山鉛鋅礦充填孔鉆探施工技術(shù)探索

許青海， 白寶云， 范文濤， 孫　利， 王生燕

(1.青海省核工業(yè)地質(zhì)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查大隊(duì)，青海 西寧 810000； 2.西部礦業(yè)股份有限公司錫鐵山分公司，青海 大柴旦 816203; 3.青海省基礎(chǔ)地理信息中心，青海 西寧 810001)

充填采礦法是一種高效、無廢的采礦方法。充填鉆孔是充填采礦法中最為關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，同時也是決定整個充填系統(tǒng)使用壽命的關(guān)鍵。通過對充填系統(tǒng)使用壽命的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，影響其壽命的因素之一就是鉆孔的垂直度。在充填鉆孔施工過程中，為了在規(guī)定的時間段內(nèi)，達(dá)到鉆孔垂直度的高標(biāo)準(zhǔn)要求，就需要對各種鉆探工藝進(jìn)行優(yōu)化選擇，以便高效的、保質(zhì)保量的完成施工任務(wù)。

1　工程概況

1.1　工程地質(zhì)條件

西部礦業(yè)錫鐵山分公司為滿足進(jìn)一步生產(chǎn)的需要，深化開采技術(shù)，以及下一步開展深部開采工作，在3142充填站工業(yè)場地設(shè)計(jì)了4個充填孔，充填孔間距4 m，充填孔設(shè)計(jì)為垂直鉆孔，其中1、2、3號孔設(shè)計(jì)孔深為497 m，4號孔設(shè)計(jì)孔深77 m。施工周期為120 d。

施工所鉆遇的地層自上而下：(1)0～2 m為廢渣堆積物；(2)2～90 m巖石為片巖，結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破碎且縱向排列，風(fēng)化嚴(yán)重，其中夾雜部分黃土，黃土呈縱向條帶狀分布,有南傾斷層；(3)90～180 m巖石以片巖與石灰?guī)r為主，頁巖呈片狀易風(fēng)化易片幫塌落，石灰?guī)r節(jié)理較發(fā)育，裂隙較多；(4)180～250 m巖石以片巖和石灰?guī)r為主，片巖呈片狀易風(fēng)化易片幫塌落，石灰?guī)r節(jié)理較發(fā)育；(5)250～284 m巖石大部以片巖構(gòu)成，呈層狀結(jié)構(gòu)，裂隙較多；(6)284～370 m巖石主要為石英片巖，破碎嚴(yán)重；(7)370～530 m巖石主要以石英、綠泥石等巖石碎屑構(gòu)成，夾雜泥狀物。地層整體走向近東西，傾角75°～86°。

1.2　鉆孔結(jié)構(gòu)

(1)開孔0～2 m段為礦渣回填層和第四系風(fēng)化層。該段孔徑為415 mm，下入?400 mm×6 mm井壁管，并用水泥漿封固護(hù)壁管，主要目的是為了保證施工安全和質(zhì)量安全。

(2)2～500 m段為基巖段，孔徑為300 mm，下入?180 mm×24 mm的雙金屬耐磨充填管。

1.3　技術(shù)要求

(1)充填鉆孔為垂直定向鉆孔，鉆孔偏斜度控制在0.5%以內(nèi)(即垂深100 m水平偏斜≯0.5 m)；施工鉆孔時必須每30 m測斜一次，測斜工具應(yīng)用高精度防磁測斜儀器；施工完成后提供鉆孔的最終實(shí)測三維坐標(biāo)。

(2)充填孔內(nèi)套管選用雙金屬耐磨管，套管規(guī)格為?180 mm×24 mm(耐磨層鉻26厚度為14 mm,鋼管厚度10 mm)，采用卡箍連接或螺紋連接。

(3)充填管下入后，充填管與鉆孔間隙采用特種油井G級水泥漿固井，用高壓固井技術(shù)注漿，水泥固井后及時對鉆孔進(jìn)行掃孔。

2　施工難點(diǎn)分析

(1)地層產(chǎn)狀陡，且?guī)r石硬度高具強(qiáng)造斜性。

充填鉆孔所鉆遇的地層傾角達(dá)到75°～86°，尤其在上部孔段傾角達(dá)到了80°以上，并且?guī)r石的硬度達(dá)到6級左右，具有嚴(yán)重的“順層跑”的現(xiàn)象。因此，在這類傾斜巖層中鉆進(jìn)時，極易產(chǎn)生鉆孔向順著地層層面的方向彎曲的現(xiàn)象。

(2)地層破碎且局部存在軟硬互層，孔斜控制難度大。

地層全孔處于破碎狀態(tài)，并且多處存在軟硬互層。在松散破碎帶鉆進(jìn)時，孔底碎巖時產(chǎn)生各向應(yīng)力不均衡而產(chǎn)生鉆孔橫向偏移，同時孔壁不穩(wěn)定，產(chǎn)生擴(kuò)徑現(xiàn)象，孔徑擴(kuò)大容易使鉆頭擺動漂位，加劇了鉆孔的偏斜。另一方面鉆頭通過軟巖時進(jìn)尺快，硬巖時進(jìn)尺慢，使孔底碎巖時產(chǎn)生受力不均勻而產(chǎn)生了鉆速差，導(dǎo)致鉆孔偏斜。因此，在這類地層保證鉆孔偏斜的范圍，就需要從鉆探方法、鉆具級配、操作參數(shù)選擇等幾個方面入手，系統(tǒng)有效地進(jìn)行防治。

(3)施工周期與施工質(zhì)量之間的矛盾。

為了達(dá)到充填鉆孔高精度孔斜的要求，就必須在施工過程中嚴(yán)格控制鉆進(jìn)壓力和橫向作用力，在低壓鉆進(jìn)時就意味著鉆進(jìn)效率低下，施工周期就會大幅度增加，但業(yè)主要求的工期相對較短，因此就要選擇更為高效保證質(zhì)量的鉆探工藝進(jìn)行生產(chǎn)。

3　施工工藝

3.1　鉆進(jìn)方法選擇

(1)一開鉆具：4個充填孔開孔均采用?415 mm三牙輪鉆頭全面鉆進(jìn)穿過回填層和第四系地層，進(jìn)入基巖層，下入?400 mm×6 mm護(hù)孔套管，水泥固井，候凝24 h后掃除套管內(nèi)水泥塞，大泵量沖孔、清孔。

(2)二開：先采用?415 mm帶前導(dǎo)向的?315 mm牙輪鉆頭進(jìn)行導(dǎo)向鉆進(jìn)，然后采用?315 mm鉆鋌+牙輪鉆進(jìn)。最初在2號充填孔施工中采用?315 mm牙輪鉆頭+鉆鋌+扶正器組合，進(jìn)行輕壓慢轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，經(jīng)測斜鉆孔偏斜嚴(yán)重超出技術(shù)要求范圍，并且在不斷加劇，同時鉆進(jìn)效率低下，無法滿足施工工期要求。經(jīng)過對現(xiàn)有大口徑鉆孔施工工藝從效率和防斜兩個方面的分析對比后，決定采用空氣潛孔錘+扶正器+撈砂筒組合進(jìn)行施工。施工至350 m后出現(xiàn)綠泥石化易坍塌地層，改用螺桿鉆具+鉆鋌+扶正器組合進(jìn)行，此復(fù)合鉆探工藝發(fā)揮了空氣潛孔錘和螺桿鉆具在該類地層中高效的鉆進(jìn)速度，同時工藝上進(jìn)行改進(jìn)提高了孔斜的控制能力。后期1、3、4號3個充填孔都采用空氣潛孔錘和螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)工藝。

3.2　鉆具級配及鉆具組合

(1)第四系鉆進(jìn)鉆具組合：?415 mm牙輪鉆頭→扶正器→方鉆桿。

(2)基巖鉆進(jìn)鉆具組合如下。

常規(guī)鉆具組合：?315 mm牙輪鉆頭→扶正器(與鉆頭配套)→?233 mm鉆鋌6根(每根帶?200 mm扶正器)→?165 mm鉆鋌→?89 mm鉆桿→方鉆桿。該鉆具組合因無法達(dá)到鉆孔質(zhì)量要求，鉆進(jìn)效率低下，后期未采用。

空氣潛孔錘鉆具組合：?305 mm鉆頭→扶正器→10 in沖擊器→后扶正器→撈砂筒(外徑300 mm)→?89 mm鉆桿→方鉆桿。

螺桿鉆具組合：?295 mm牙輪鉆頭→?165 mm直螺桿→扶正器→?233 mm鉆鋌6根(每根帶?200 mm扶正器)→?165 mm鉆鋌→?89 mm鉆桿→方鉆桿。

3.3　鉆進(jìn)參數(shù)選擇

在施工過程中一般鉆進(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，但是在該礦區(qū)施工高精度孔斜要求的鉆孔，鉆進(jìn)參數(shù)的選擇主要依據(jù)地層產(chǎn)生偏斜的臨界點(diǎn)。因此在選擇鉆進(jìn)參數(shù)(尤其是鉆壓)時，先采用輕壓慢轉(zhuǎn)，逐步加壓，通過對巖石等級以及施工過程中孔斜規(guī)律的分析判斷鉆進(jìn)參數(shù)。實(shí)際施工中采用的鉆進(jìn)參數(shù)如下：

采用螺桿鉆具組合時，鉆壓5～10 kN、轉(zhuǎn)速100～300 r/min、泵量90 L/min。

采用空氣潛孔錘時，鉆壓5 kN以內(nèi)、轉(zhuǎn)速20～50 r/min、風(fēng)壓0.6～1.3 MPa，為了更好地排粉，減少輔助鉆進(jìn)時間，在空氣中加入了適量的泡沫。

3.4　鉆孔孔斜測量及控制

保證充填孔的垂直度和提供鉆孔準(zhǔn)確的最終坐標(biāo)是充填孔質(zhì)量的關(guān)鍵，因此必須從孔斜測量、孔斜控制兩個方面入手才能保證充填孔的質(zhì)量。

3.4.1測斜

充填鉆孔垂直度要求較高，100 m鉆孔位移量在0.5 m，通過計(jì)算，鉆孔天頂角在0.3°左右，但是現(xiàn)有的測斜儀精度在0.2°，同時鉆孔孔徑大，測斜儀外徑小，測斜儀的測量精度受到很大的影響，因此在孔斜測量方面，需要采用不同孔段不同的測量方式。

(1)在50 m孔段以內(nèi)，也是控制孔斜的重點(diǎn)部位，采用工程施工中常用的“倒垂球儀測斜法”(如圖1所示)，可以清晰地知道鉆孔偏移方位和距離。

圖1　倒垂球儀測斜法示意圖

其工作原理是將倒垂球放入孔內(nèi)，在泥漿中穩(wěn)定后，通過連接將重力帶到上部，上部連接固定裝置，固定裝置安放在氣胎上，與氣胎中心一致，氣胎懸浮在水箱中，這樣通過氣胎的浮力作用，固定支架、連接線與倒垂球就處于自然垂直狀態(tài)。孔口支架的中心安放與鉆孔孔口中心保持一致。當(dāng)鉆孔發(fā)生偏斜時，倒垂球通過連接線將中心浮子飄移引向孔口支架內(nèi)。浮子中心與支架中心之差即為偏移值，方向即為偏移方向。

(2)日常測量采用高精度JTL-50F型光纖陀螺測斜儀測量孔斜，測斜儀在施工前進(jìn)行專業(yè)校正。

(3)測量間距除20 m測一次外，在易斜、復(fù)雜地層，以及換徑時進(jìn)行加密測點(diǎn)。

(4)鉆孔單點(diǎn)每次測量時不少于2次，每次測斜時對上部2～3測點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測和數(shù)據(jù)對比。若發(fā)現(xiàn)同點(diǎn)測量存在誤差，要找出原因，確定正確數(shù)據(jù)，以便指導(dǎo)下一步施工。

(5)鉆孔最終坐標(biāo)計(jì)算以管內(nèi)測量的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，因?yàn)樘坠軆?nèi)徑小，且管內(nèi)壁光滑，容易形成連續(xù)的測量數(shù)據(jù)，不會形成大的干擾。

3.4.2防斜

(1)把好設(shè)備安裝關(guān)，鉆機(jī)安裝水平，天車、立軸和孔口三點(diǎn)一線。

(2)開孔用的粗徑鉆具，要做到剛、直，其長度隨鉆孔加深而加長。

(3)開孔及第四系與基巖分層過渡處輕壓慢轉(zhuǎn)，采用小規(guī)程鉆進(jìn)參數(shù)。

(4)孔口管下入后，進(jìn)行必要扶正措施后，才能進(jìn)行固管工作。在水泥未凝固前采用倒垂球儀法進(jìn)行校正。

(5)換徑時鉆具上部帶上扶正器，以防止換徑時發(fā)生孔中心移位。

(6)在鉆具組合中應(yīng)加入多級扶正器進(jìn)行組合扶正和鉆鋌孔底加壓鉆進(jìn)，加強(qiáng)鉆具防斜措施。

3.4.3糾斜

1、3號充填孔施工至395 m左右，孔斜均超出設(shè)計(jì)要求范圍，因此采用螺桿定向鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行糾斜。定向糾斜施工先進(jìn)行?165 mm牙輪鉆頭(鉆頭后加?315 mm扶正鉆頭)進(jìn)行先導(dǎo)孔鉆進(jìn)，再采用單彎?165 mm螺桿鉆具(1.25°彎外管)+?245 mm牙輪鉆頭進(jìn)行糾斜施工，最后進(jìn)行擴(kuò)孔鉆進(jìn)。鉆孔糾斜施工工序及鉆具組合見表1。

糾斜施工注意事項(xiàng)：

(1)造斜鉆具采用1.25°螺桿鉆具，其造斜強(qiáng)度約為0.25°/m，造斜段曲率半徑約為229 m，連續(xù)造斜不宜超過8 m；

(2)穩(wěn)斜鉆進(jìn)時，可帶上一根螺旋鉆鋌來增加鉆壓，穩(wěn)斜鉆進(jìn)15 m左右為宜；

表1　鉆孔糾斜施工工序及鉆具組合

(3)擴(kuò)孔鉆進(jìn)不宜帶鉆鋌，應(yīng)采用低鉆壓和低轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，以防止鉆具因受力過大而發(fā)生斷裂。

3.5　下管及固井

(1)下管作業(yè)。由于充填管的質(zhì)量達(dá)到50 t，采用逆止閥進(jìn)行浮力下管法。下管前進(jìn)行探孔，對鉆具準(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)制動帶、游動滑車、鋼絲繩和各處鋼絲繩卡。在提吊充填管時要穩(wěn)拉、慢放，下管遇阻時不得猛蹾。確保安全下管。

(2)固井準(zhǔn)備工作。固井前應(yīng)對固井設(shè)備(泥漿泵、發(fā)電機(jī)組等)進(jìn)行檢查和試運(yùn)行，確保所有設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

(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1.02～1.05 g/cm3后再灌注水泥漿。

(4)制漿。固井采用油井G級水泥，水泥、水的用量和管內(nèi)替漿量應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)算，特別是計(jì)算注漿量時應(yīng)充分考慮施工過程中巖粉排出量、漏孔情況，確定擴(kuò)大系數(shù)。

(5)注漿。灌注時中間不能停頓，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方可停泵。

4　施工效果

在鉆進(jìn)過程中，為了保證孔斜，鉆進(jìn)參數(shù)選擇在低壓狀態(tài)下進(jìn)行。當(dāng)采用?315 mm牙輪鉆頭+鉆鋌+扶正器組合時純鉆效率在0.5 m/h；采用螺桿鉆具組合時，純鉆效率在1 m/h；采用空氣潛孔錘鉆具組合時，純鉆效率2.5 m/h。鉆孔偏斜方面，牙輪鉆頭+鉆鋌組合和螺桿鉆具組合每20 m增幅在0.2°以內(nèi)，空氣潛孔錘鉆具組合增幅在0.1°以內(nèi)。4個充填鉆孔最終鉆孔位移量如表2所示。

表2　充填孔位移量結(jié)果

說明：我們經(jīng)過充填管內(nèi)測量，并采用均角全距法計(jì)算提供的孔底坐標(biāo)與甲方開挖后所測充填管底坐標(biāo)誤差均小于1 m。

5　結(jié)語

(1)充填孔施工，防斜保直最為關(guān)鍵。施工中要以防為主，首先做好“安裝關(guān)”和“開孔關(guān)”，其次是選擇具有防斜功能的鉆具組合進(jìn)行鉆進(jìn)，最后是施工過程中采用合理鉆進(jìn)參數(shù)。

(2)孔斜控制過程中因高精度要求，測量儀器無法滿足，應(yīng)在不同孔段采用多重組合測量方法進(jìn)行，最終鉆孔軌跡的確認(rèn)以管內(nèi)測量更為準(zhǔn)確。

(3)為了在高質(zhì)量要求前提下，達(dá)到高效的施工目的，就需要對鉆進(jìn)方法進(jìn)行優(yōu)化組合，以便發(fā)揮出不同鉆進(jìn)方法的優(yōu)點(diǎn)，使其更快地完成施工任務(wù)。