河南欒川鉬礦多層采空區(qū)充填井成井工藝

張 鑫， 王茂森

(吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026)

0 引言

我國鉬礦資源豐厚，總探明儲量有840萬t，礦區(qū)分布在我國29個省份，以河南省鉬礦最為豐富，其次是陜西省、吉林省，這3個省的鉬礦儲量約占全國的56.5%。國內(nèi)大型鉬礦有河南欒川鉬礦、陜西金堆城鉬礦、吉林大黑山鉬礦等。由礦區(qū)開采造成的多層采空區(qū)如何有效進(jìn)行支護(hù)處理等問題，對礦區(qū)的安全生產(chǎn)造成了不小影響。

欒川鉬礦最早采用地下開采，產(chǎn)生了大量的單層或者多層采空區(qū)，采空區(qū)的高度也從幾米到幾十米不等。之后很多礦區(qū)由地下開采轉(zhuǎn)為露天開采，采用露天開采需要對巖石進(jìn)行松動，采用爆破手段，在爆破時，對下部巖石產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊，使巖石的裂隙更加擴(kuò)大，活動巖塊增多，給勘探鉆進(jìn)帶來了極大的困難。本文綜合考慮了多層采空區(qū)的周邊地質(zhì)環(huán)境和礦區(qū)開采情況，研究了多層采空區(qū)充填井成井工藝，解決常規(guī)的采空區(qū)支護(hù)處理技術(shù)的局限性。

1 欒川鉬礦區(qū)地質(zhì)地層概況

河南欒川鉬礦是我國最大的鉬礦之一，礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，有大斷層分布呈NWW-NW向展布，有較為發(fā)育的空隙，活動的巖塊較多，有比較廣的破碎帶，礦區(qū)內(nèi)主要以角巖型、斑巖型和矽卡巖型為主，角巖型很大一部分分布在地表，還有一小部分矽卡巖。礦區(qū)內(nèi)出露的地層主要為欒川群南泥湖組和三川組，礦區(qū)主要開采的鉬礦體大部分分布在南泥湖組中下段地層，三川組也有分布。礦區(qū)圍巖主要為欒川群三川組大理巖，受接觸交代作用形成透輝石矽卡巖和石榴石矽卡巖，是三道莊鉬鎢礦主要含礦層位;還有南泥湖組二云母片巖、石英巖等，受熱接觸變質(zhì)作用而形成黑云母長英角巖、透輝石長英角巖等，是南泥湖鉬礦的主要賦存層位。這些地層特征決定了要在礦區(qū)進(jìn)行采空區(qū)充填井成井支護(hù)處理，必須考慮到采空區(qū)頂?shù)装宓膸r性和巖石的破碎對支護(hù)處理的影響。

2 目前國內(nèi)處理采空區(qū)的方法

我國目前處理采空區(qū)的方法有以下幾種：

(1)強(qiáng)制崩落圍巖；

(2)圍巖自然崩落充填采空區(qū)；

(3)用礦石墊層將作業(yè)區(qū)段和采空區(qū)隔開；

(4)用廢石、選礦尾砂或尾砂加其它膠結(jié)材料充填采空區(qū)；

(5)預(yù)留永久礦柱支撐采空區(qū)；

(6)礦柱支撐和充填聯(lián)合處理采空區(qū)；

(7)密閉采空區(qū)；

(8)以上幾種方法聯(lián)合處理采空區(qū)。

以上現(xiàn)有的幾種采空區(qū)處理技術(shù)均有其特點(diǎn)，適應(yīng)于不同的采空區(qū)，但對于處理多層采空區(qū)充填井成井支護(hù)的技術(shù)問題有一定的局限性。

3 鉬礦多層采空區(qū)治理設(shè)計(jì)與施工

3.1 鉬礦多層采空區(qū)治理鉆井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉬礦空區(qū)存在很多的碎石渣堆積占地問題，并且在處理多層采空區(qū)時采用傳統(tǒng)爆破并不能解決問題，因此綜合河南欒川鉬礦采空區(qū)的工程概況，本次治理多層采空工程采用充填井成井工藝的治理方案。具體方案是通過在地表使用小直徑鉆具結(jié)合潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)進(jìn)行開孔，探測第Ⅰ層采空區(qū)的高度和方位，得到采空區(qū)的位置和頂?shù)装甯叨龋⒗^續(xù)鉆穿第Ⅰ層采空區(qū)直至得到該空區(qū)的準(zhǔn)確層數(shù)和分布狀況。在勘探任務(wù)完成后，采用大直徑鉆具進(jìn)行擴(kuò)孔，并灌入碎石，下入注漿設(shè)備將水泥和周遭碎石凝結(jié)成堅(jiān)實(shí)的碎石樁以完成第Ⅰ層采空區(qū)的充填井成井支護(hù)處理。在第Ⅰ層治理形成的碎石樁基礎(chǔ)上繼續(xù)用大直徑鉆具進(jìn)行擴(kuò)孔，直至第Ⅱ?qū)硬煽諈^(qū)底板，并同樣采用第Ⅰ層采空區(qū)治理方法，將第Ⅱ?qū)硬煽諈^(qū)完成充填井成井支護(hù)處理。探測到三層采空區(qū)，同樣采用這種方法來完成對該鉬礦空區(qū)的治理。這樣治理形成的碎石樁對各層采空區(qū)起到支撐作用，保證采空區(qū)的安全穩(wěn)定。鉆井結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2 鉬礦多層采空區(qū)勘探

要對采空區(qū)進(jìn)行充填井成井支護(hù)處理，必須對采空區(qū)進(jìn)行勘探，以得到采空區(qū)的地下形態(tài)特征、大小、范圍等。根據(jù)欒川鉬礦多層采空區(qū)的特點(diǎn)，試驗(yàn)了多種勘探方法，經(jīng)過比較決定采用以下幾種方法。

圖1 鉆井結(jié)構(gòu)示意圖

(1)CSR局部反循環(huán)快速鉆進(jìn)法:在鉆孔底部，潛孔錘回轉(zhuǎn)破碎巖石的同時，利用正循環(huán)將碎巖屑攜帶上行，至連接在潛孔錘上方的交叉接頭，進(jìn)入到雙壁鉆桿的中心通道，將巖屑帶出。

(2)潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)法：采用反循環(huán)鉆具系統(tǒng)實(shí)行貫通式潛孔錘反循環(huán)連續(xù)取心鉆進(jìn)的一種方法。

(3)跟管鉆進(jìn)法：利用潛孔錘在壓縮空氣時產(chǎn)生的周期性沖擊作用，使套管靴向下運(yùn)動，與此同時套管靴帶動與其相連的套管向下運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)跟管鉆進(jìn)。

在每種鉆進(jìn)方法中通過實(shí)時控制潛孔錘鉆壓、轉(zhuǎn)速、供風(fēng)量等措施，在采空區(qū)底板形成平面，再開孔鉆進(jìn)，以保證底板開孔軸線與頂板鉆孔軸線在同一直線上。

針對鉬礦空區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地下采空區(qū)縱橫交錯、空間分布特征規(guī)律性不強(qiáng)和采空區(qū)底板不平整的特點(diǎn)，綜合采用以上幾種方法進(jìn)行采空區(qū)的勘探。

3.3 施工設(shè)備及其主要參數(shù)

DPQ900XH/1150XH型空壓機(jī)，壓力34.5/25 bar，風(fēng)量25.5/32.6 m3/min；TH14型潛孔錘，外缸直徑330 mm，風(fēng)壓17～24 bar，耗氣量70.3 m3/min，鉆頭直徑450 mm；GSD-111型鉆機(jī)；C-ALS鉆孔式三維掃描儀；SP219型跟管。

3.4 多層采空區(qū)充填井成井工藝

在勘探的基礎(chǔ)上，為避免采空區(qū)的塌陷或坍塌，需要對采空區(qū)進(jìn)行處理。針對欒川鉬礦采空區(qū)的特點(diǎn)，研究一種充填井成井工藝來對空區(qū)進(jìn)行處理。具體方法如下。

(1)圖2所示是多層采空區(qū)充填井成井流程。從地表向地下鉆孔，用鉆桿、潛孔錘和潛孔錘鉆頭的鉆具組合，鉆進(jìn)直徑較小的鉆孔到第Ⅰ層采空區(qū)底板,可以得到其深度為33 m,第一層采空區(qū)深度為11 m。

1-鉆桿；2、4-潛孔錘；3-潛孔錘鉆頭；5-鉆頭；6-碎礦石；7-注漿鉆桿；8-注漿管；9-噴嘴；10-導(dǎo)向鉆頭；11-水泥碎石樁；12-鉆頭；13-潛孔錘跟管鉆頭；14-套管靴；15-套管

(2)將鉆具取出，下入激光掃描儀探測采空區(qū)三維形態(tài)，再從孔中下入井下電視，觀察底板表面的平整程度，以確定在采空區(qū)底板的鉆進(jìn)工藝；根據(jù)采空區(qū)底板的情況，選擇潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)方法鉆穿采空區(qū)，以便垂直在第Ⅰ層采空區(qū)底板上開孔。

(3)將井下電視和激光掃描儀取出，下入合適鉆具，繼續(xù)鉆進(jìn)至第Ⅱ?qū)硬煽諈^(qū)的底板，探明第Ⅱ?qū)涌諈^(qū)位置，將鉆具提出孔外；下入井下電視，確定第Ⅱ?qū)硬煽諈^(qū)的空間狀態(tài)，并得到了第Ⅱ?qū)硬煽諈^(qū)深度為10.2 m，重復(fù)上述步驟，鉆穿下一采空區(qū)。

(4)選擇鉆桿直徑110 mm、潛孔錘直徑300 mm、鉆頭直徑450 mm的大口徑鉆具組合，將圖2(a)中的小孔擴(kuò)大至設(shè)計(jì)口徑。

(5)將鉆具取出，從已鉆成的大口徑鉆孔注入碎礦石，直到第Ⅰ層采空區(qū)頂板。再次下入大口徑鉆頭，在碎石堆頂端回轉(zhuǎn)，使錐體碎礦石頂部面積擴(kuò)大，再提鉆繼續(xù)灌注碎礦石至空區(qū)頂板。

(6)在形成的錐體碎石堆中，采用上述小孔徑鉆進(jìn)方法，下入注漿鉆桿、注漿管、帶有噴嘴的導(dǎo)向鉆頭，在碎石中鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至第Ⅰ層采空區(qū)底板后，開動注漿泵，使水泥漿液從噴嘴高速噴出，進(jìn)入碎礦石中，再緩慢向上移動鉆具鉆頭，使水泥漿液盡可能地向周圍高速噴射，與碎石膠結(jié)形成較大直徑的水泥碎石樁。

(7)待水泥漿液和碎石固結(jié)后，用上述大口徑鉆進(jìn)方法將碎石樁鉆穿。這就完成第Ⅰ層采空區(qū)的充填井成井支護(hù)處理。如圖2(e)所示。

(8)重復(fù)上述(4)～(7)步驟可處理第Ⅱ?qū)蛹耙韵虏煽諈^(qū)。為防止部分碎石在灌入過程中造成卡堵，在形成大徑鉆孔后再下入無縫套管。如圖2(f)所示。用潛孔錘跟管鉆頭帶動套管靴，套管靴帶動套管，使套管底端進(jìn)入充填采空區(qū)的頂板處，在地面把孔口板和套管頂端焊接在一起，防止套管滑落入孔內(nèi)，即可進(jìn)行碎礦石充填工作。

本次試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是對第Ⅲ層采空區(qū)進(jìn)行充填井成井支護(hù)處理。由前期對多層采空區(qū)的勘探得到第Ⅰ層采空區(qū)頂板距地表22 m，第Ⅱ?qū)硬煽諈^(qū)頂板距地表51 m，第Ⅲ層采空區(qū)頂板距地表83 m，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ層采空區(qū)的高度分別為11、10.2、30 m。用于對3層采空區(qū)成井支護(hù)處理的碎礦石達(dá)上萬立方米。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，采用上述充填井成井工藝，對第Ⅲ層采空區(qū)完成了充填井成井支護(hù)處理。該鉬礦多層采空區(qū)支護(hù)處理自2012年施工以來，至今未發(fā)生過坍塌和失穩(wěn)現(xiàn)象，并且該礦區(qū)還在持續(xù)有效的進(jìn)行鉬礦開采。這說明這種采空區(qū)充填井成井支護(hù)處理起到了良好的支護(hù)效果。

4 結(jié)論

(1)不同礦區(qū)采用不同的勘探方法，針對欒川鉬礦的特點(diǎn)，綜合了多種勘探方法進(jìn)行采空區(qū)的勘探，為多層采空區(qū)充填井成井支護(hù)處理提供有利條件。

(2)試驗(yàn)采用充填井成井工藝對多層采空區(qū)進(jìn)行成井支護(hù)處理，并取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，同時這種工藝為處理多層采空區(qū)坍塌、保障礦區(qū)的安全生產(chǎn)提供了借鑒。

(3)對于堆積在礦區(qū)的碎石渣等進(jìn)行了有效的回收利用和處理，利用碎石渣充填井成井工藝處理采空區(qū)是一種綠色處理方式，有利于保護(hù)礦區(qū)環(huán)境和有效利用工程施工占地。