空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在七角井礦井充填孔施工中的應(yīng)用

李興兵

（甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 酒泉 735000）

1 概述

1.1 項(xiàng)目概況

七角井礦位于甘肅省肅北縣，隸屬于西寧特鋼旗下肅北博倫礦業(yè)公司。目前，礦山已由露采轉(zhuǎn)入地下開采，已具備原礦產(chǎn)量250萬(wàn)t/a的生產(chǎn)能力。隨著開采深度的增加，采空區(qū)的體積逐漸積累，為確保深部礦石的安全開采，采用經(jīng)濟(jì)、高效、安全的方法處理上部采空區(qū)，成為礦山面臨的主要技術(shù)難題之一。博倫礦業(yè)公司邀請(qǐng)多所科研院所、礦業(yè)高校探討了七角井礦不同地壓處理及采空區(qū)充填方案的可行性。2016年7月至2017年3月，西寧特鋼及博倫礦業(yè)公司內(nèi)部專家組在反復(fù)論證的基礎(chǔ)上，采用空?qǐng)鏊煤蟾囿w充填法回采。2017年，在確定上述開采方案的情況下，委托相關(guān)方設(shè)計(jì)了七角井礦充填系統(tǒng)。在施工過(guò)程中為了保證充填孔的質(zhì)量，在項(xiàng)目實(shí)施中采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造條件

1.2.1 地層

區(qū)內(nèi)地層、構(gòu)造、侵入巖呈北西～南東向展布，與區(qū)域性構(gòu)造線方向一致。礦區(qū)地層比較簡(jiǎn)單，出露地層由老至新依次為青白口系大豁落山組第四段、寒武系西雙鷹山組、奧陶系羅雅楚山組下巖段和第四系全新統(tǒng)疏松的砂、礫石。礦區(qū)內(nèi)巖漿巖較發(fā)育，巖漿巖主要為加里東晚期花崗閃長(zhǎng)巖、花崗巖和閃長(zhǎng)巖及華力西中期花崗閃長(zhǎng)巖。次為不同期次的脈巖，分布于礦區(qū)南西部、北東部及中東部。

1.2.2 構(gòu)造

礦區(qū)構(gòu)造以褶皺為主，斷裂次之。褶皺發(fā)育有七角井復(fù)式背斜及七角井南向斜，褶皺對(duì)釩礦體影響較大，對(duì)鐵礦體影響相對(duì)較小。斷層共發(fā)育14條，對(duì)釩礦體、鐵礦體影響較小。

1.2.3 侵入巖

礦區(qū)內(nèi)青白口系大豁落山組（Qnd4）原巖主要為一套碳酸鹽巖和部分碎屑巖，在區(qū)域變質(zhì)作用下形成一套大理巖建造及變石英砂巖、石英巖、透閃石巖等。寒武系西雙鷹山組（∈x）原巖主要為一套正常沉積的碳酸鹽巖、碎屑巖，經(jīng)輕微的區(qū)域變質(zhì)作用，巖石組合為灰?guī)r、碳質(zhì)板巖、硅質(zhì)板巖、粉砂質(zhì)板巖夾硅質(zhì)板巖。

1.3 技術(shù)要求

①礦區(qū)內(nèi)巖漿巖較發(fā)育，穩(wěn)定性好，f=10～16，預(yù)計(jì)成孔較好，故不采用雙層套管結(jié)構(gòu)。②鉆孔偏斜率要求不超過(guò)1%。③孔口管為無(wú)縫鋼管，隨鉆進(jìn)入，充填管為雙金屬?gòu)?fù)合管。④孔口管與鉆孔間的環(huán)形空間用42.5水泥漿固井，用量約0.5m3，水灰比1.8：1～2：1。⑤鉆孔與充填管間隙采用PHP優(yōu)質(zhì)低固相泥漿灌滿，環(huán)隙上下口要封閉，泥漿需要量6m3左右。⑥固井水泥凝結(jié)硬化后及時(shí)對(duì)鉆孔進(jìn)行掃孔。

2 充填孔施工難點(diǎn)分析

①充填鉆孔垂直度高，鉆孔偏斜率＜1%；②鉆孔直徑大，并且鉆孔深度也較深；③可能鉆越復(fù)雜巖層，大直徑復(fù)雜地層鉆進(jìn)難度更大；④為了保證今后方便更換充填管，鉆孔與充填管間的封孔要求嚴(yán)格；⑤充填管安裝負(fù)荷大，連接強(qiáng)度高。

3 設(shè)備機(jī)具配置

充填孔的施工裝備性能選擇應(yīng)按照以下幾方面的原則要求進(jìn)行配置：①滿足大扭矩、大負(fù)荷要求（安裝充填管）；②滿足鉆進(jìn)工藝方法要求；③滿足安全技術(shù)要求；④盡可能操作簡(jiǎn)便[1]。

本工程根據(jù)以上的設(shè)備配置原則，并按照本工程充填孔的技術(shù)要求和地層情況，選擇設(shè)備配置如表1所示。

表1 設(shè)備機(jī)具配置表

4 施工工藝及參數(shù)

4.1 鉆孔施工流程

場(chǎng)地平整→孔位測(cè)量→設(shè)備安裝→孔口坐標(biāo)復(fù)測(cè)→開孔鉆進(jìn)→下入孔口管→管外水泥固井→透孔→空氣潛孔錘鉆進(jìn)→鉆孔測(cè)斜與軌跡控制→下入充填管→將鉆孔與充填管環(huán)隙密封固定→封閉孔口→驗(yàn)收。

4.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

施工四個(gè)充填鉆孔，上部覆蓋層采用Ф305mm潛孔錘鉆頭鉆進(jìn)至基巖，下部基巖用Ф254mm潛孔錘鉆頭鉆進(jìn)至終孔。鉆孔結(jié)構(gòu)為見圖2所示：

①一開采用Ф305mm鉆頭鉆進(jìn)至基巖2m～3m，下入Ф273mm×7mm的孔口管，孔口管與鉆孔間的環(huán)形空間用42.5水泥漿固井，用量約0.5m3，水灰比1.8：1～2：1，固井水泥凝結(jié)硬化后及時(shí)對(duì)鉆孔進(jìn)行掃孔。②二開采用Ф254mm鉆頭鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深，全孔下入Ф194mm×20mm雙金屬?gòu)?fù)合充填管，鉆孔與充填管間隙采用PHP優(yōu)質(zhì)低固相泥漿灌滿，環(huán)隙上下口封閉，泥漿需要量約5.5m3。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)圖

4.3 鉆進(jìn)用鉆具組合

（1）一開鉆具組合：Ф305mm風(fēng)動(dòng)潛孔錘鉆頭→Ф215mm風(fēng)動(dòng)沖擊器→Ф300mm扶正管→Ф146mm鉆鋌→Ф89mm鉆桿→主動(dòng)鉆桿。

（2）二開鉆具組合：Ф254mm風(fēng)動(dòng)潛孔錘鉆頭→Ф215mm風(fēng)動(dòng)沖擊器→Ф245mm導(dǎo)正器→Ф146mm鉆鋌→Ф245mm導(dǎo)正器→Ф89mm鉆桿→主動(dòng)鉆桿。

（3）特種糾偏鉆具（備用）：糾偏鉆具組合：糾偏鉆頭→螺桿馬達(dá)→定向糾偏接頭→鉆桿→主動(dòng)鉆桿[2]。

4.4 空氣潛孔錘參數(shù)選擇

4.4.1 鉆壓

從潛孔錘破碎巖石原理看，空氣鉆進(jìn)效率主要取決于沖擊功和沖擊頻率的大小，從以往的施工經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，潛孔錘鉆壓一般按錘頭直徑（cm）乘以0.9kN，若遇到軟弱層應(yīng)相應(yīng)減小。

4.4.2 轉(zhuǎn)速

鉆具的回轉(zhuǎn)只是為了改變硬質(zhì)合金刀刃破巖位置，其轉(zhuǎn)速應(yīng)保證以最優(yōu)沖擊間隔破碎巖石，一般控制在15r/min～25r/min范圍內(nèi)為宜。

4.4.3 風(fēng)量

供風(fēng)量的確定，一方面要根據(jù)潛孔錘做功所需耗風(fēng)量的大小，另一方面要保證孔內(nèi)巖屑從鉆桿環(huán)狀間隙返出孔外。風(fēng)量可由下列公式計(jì)算。

Q≥60K1K2π(D2+d2)v/4；

Q—壓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，m/min；

v—風(fēng)的上返速度，一般取15m/s～25m/s；

D—鉆孔實(shí)際直徑，m；

d—鉆桿外徑，m；

K1—孔深正系數(shù)（由于孔深環(huán)狀間隙壓力損失增大，導(dǎo)致流量減?。话憧咨钤?00m～200m時(shí)，K1=1.05～1.1，本工程鉆孔深度176m，取K1=1.05。

K2—孔內(nèi)有涌水時(shí)的風(fēng)量增加系數(shù)，與涌水量有關(guān)，該鉆孔鉆越地層無(wú)含水層，取K2=1.0。

4.4.4 風(fēng)壓

在鉆進(jìn)過(guò)程中，風(fēng)壓是個(gè)被動(dòng)參數(shù)。但鉆進(jìn)速度與設(shè)備所能提供的風(fēng)壓密切相關(guān)。因此，在潛孔錘鉆進(jìn)中應(yīng)密切觀察風(fēng)壓表的變化，以便掌握潛孔錘的工作狀態(tài)和孔內(nèi)鉆進(jìn)情況[3]。充填孔深度為176m，孔徑分別為表層Ф305mm和基巖段Ф254mm。為獲得高的鉆進(jìn)效率，通過(guò)對(duì)潛孔錘參數(shù)進(jìn)行比較選擇，空氣潛孔錘沖擊器選擇SPM360和JWD200-0兩種型號(hào)，空氣潛孔錘在各孔段的鉆進(jìn)參數(shù)選擇見表3：

表2 空氣潛孔錘鉆進(jìn)參數(shù)表

4.5 管外封固

為了保證充填孔有較長(zhǎng)的使用壽命，孔口管采用42.5水泥漿固孔?；鶐r段孔壁與充填管間隙采用PHP優(yōu)質(zhì)低固相泥漿灌滿，上下口密封可靠，不得有雜物進(jìn)入間隙中，便于以后更換充填管。

5 充填孔施工技術(shù)措施

5.1 鉆孔垂直度的控制措施

（1）鉆機(jī)安裝做到三點(diǎn)一線（孔口、立軸、天車三點(diǎn)為一直線）；開孔采用小規(guī)程鉆進(jìn)。

（2）鉆進(jìn)鉆具必須有剛、滿、直，防斜保直特性；采用鉆鋌孔底加壓；鉆進(jìn)時(shí)，鉆具必須上、下帶導(dǎo)正器。

（3）要根據(jù)地層條件選擇不同型號(hào)的潛孔錘。而且鉆進(jìn)過(guò)程中，若遇軟硬互層時(shí)，采用小規(guī)程鉆進(jìn)參數(shù)，以保證鉆孔垂直度。

（4）每20m～30m測(cè)斜一次，施工中做到三及時(shí)，即及時(shí)測(cè)斜；孔斜超差及時(shí)調(diào)整工藝；超差大于允許值時(shí)及時(shí)糾偏。

表3 充填孔施工實(shí)際鉆孔坐標(biāo)計(jì)算結(jié)果

5.2 安全技術(shù)措施

（1）開鉆前應(yīng)檢查送風(fēng)管路連接可靠性，接頭螺紋必須上緊，不得出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象。

（2）下鉆時(shí)不能將鉆具直接下到孔底，應(yīng)在距孔底1m～1.5m處開始送風(fēng)，當(dāng)風(fēng)返回孔口吹約5min后，邊回轉(zhuǎn)邊下放鉆具。提鉆前，應(yīng)先停止回轉(zhuǎn)并繼續(xù)送風(fēng)排渣，直至孔底干凈后再提鉆[4]。

（3）鉆深50米以上后，每鉆進(jìn)6.5m（鉆桿長(zhǎng)度為6.5m）清渣一次，實(shí)時(shí)觀察孔口巖屑數(shù)量，直至送風(fēng)將巖粉徹底返出再繼續(xù)鉆進(jìn)，在加桿后切忌不可急于進(jìn)尺、上下竄動(dòng)和開車回轉(zhuǎn)，以免造成卡鉆、埋鉆事故。

（4）空氣潛孔錘若出現(xiàn)送風(fēng)不通現(xiàn)象，必須打開空壓機(jī)放氣閥門，待風(fēng)壓穩(wěn)定后，應(yīng)迅速提升鉆具，觀察風(fēng)壓是否下降，若處理無(wú)效時(shí)，必須提鉆消除堵塞物[5]。

6 空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

6.1 空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

應(yīng)用實(shí)踐表明，空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)和傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)相比，有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：

（1）空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)能夠在比較堅(jiān)硬的基巖地層施工，該技術(shù)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，施工效率高，施工工期短，能有效降低施工成本。

（2）空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)施工的鉆孔垂直度高，適合對(duì)孔斜要求高的鉆孔施工。

（3）對(duì)嚴(yán)重缺水地區(qū)或供水困難的鉆探施工，空氣潛孔錘施工工藝是最適宜的施工方法之一。

6.2 空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)的缺點(diǎn)

（1）由于空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)使用高壓空氣作鉆進(jìn)介質(zhì)，所以在沒有含水的地層段鉆進(jìn)時(shí)孔口吹出來(lái)的灰塵較多，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員的健康造成很大的影響，同時(shí)對(duì)施工設(shè)備也造成污染并加重磨損。

（2）對(duì)于地層不完整的鉆孔，空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)采用高壓空氣作為施工介質(zhì)，對(duì)鉆孔的護(hù)壁十分不利，護(hù)壁套管不到位會(huì)直接影響鉆進(jìn)效率。

（3）由于空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)的破巖機(jī)理是動(dòng)載沖擊，直接采用該工藝是無(wú)法實(shí)現(xiàn)取心鉆進(jìn)的[6]。

因此在采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝的施工現(xiàn)場(chǎng)，不僅要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員采取必要的防塵措施，而且還要對(duì)鉆進(jìn)產(chǎn)生的灰塵采取減塵、降塵措施。對(duì)于取心鉆孔來(lái)講，是無(wú)法直接采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行施工的。

7 施工效果分析

為提高鉆進(jìn)效率和鉆孔質(zhì)量，在本項(xiàng)目采用潛孔錘鉆進(jìn)方法?？諝鉂摽族N鉆進(jìn)改變了傳統(tǒng)碎巖方式，其工作狀態(tài)為沖擊加切削，有效提升鉆進(jìn)效率，同時(shí)預(yù)防了孔斜的發(fā)生。

7.1 鉆進(jìn)效率高

本項(xiàng)目4個(gè)176m的充填孔總施工期為3個(gè)月，實(shí)際施工只用了50天，鉆進(jìn)效率達(dá)到了3m/h～5m/h。而以前在該礦區(qū)施工同口徑的水井時(shí)，采用傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝，鉆進(jìn)效率僅為0.5m/h～0.8m/h，鉆進(jìn)效率是普通鉆進(jìn)工藝的6倍～7倍，大大提高了鉆進(jìn)效率。

7.2 鉆孔垂直度高

由于氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)工藝的“小壓力，慢轉(zhuǎn)速”特點(diǎn)，孔斜度能夠控制在1°/100m范圍內(nèi)，在完全滿足鉆孔孔斜度要求的同時(shí)，能確保下管工序的順利進(jìn)行。礦方根據(jù)測(cè)斜數(shù)據(jù)計(jì)算的孔底坐標(biāo)，在井下巷道內(nèi)開挖，準(zhǔn)確地找到了實(shí)際充填孔底位置，完全滿足礦山充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量要求。充填孔各孔終孔實(shí)際坐標(biāo)參數(shù)計(jì)算見表3。

7.3 經(jīng)濟(jì)效益明顯

采用氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)工藝施工，不僅縮短了施工周期，還大大降低了各種材料成本，經(jīng)濟(jì)收益明顯。另外，成孔質(zhì)量高，一些重復(fù)作業(yè)大幅度減少，特別是可以實(shí)現(xiàn)大直徑一次性成孔。采用氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)工藝施工，雖然首次投資較大，但因其諸多優(yōu)點(diǎn)，其經(jīng)濟(jì)效益有明顯提高[7]。綜合計(jì)算分析4個(gè)176m鉆孔的施工費(fèi)用，綜合成本為387元/m，鉆進(jìn)效益是傳統(tǒng)鉆進(jìn)方法的3倍～4倍。其經(jīng)濟(jì)效益明顯比傳統(tǒng)施工方法高很多。

8 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在七角井充填孔施工中的應(yīng)用，不僅保質(zhì)保量的完成了工作任務(wù)，而且取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)踐表明，空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝是目前鉆探施工中較為先進(jìn)的工藝，由于其施工工藝簡(jiǎn)單，施工速度快，施工周期短，鉆孔質(zhì)量高等特點(diǎn)，特別是在堅(jiān)硬基巖大口徑鉆孔施工中前景廣泛，值得推廣應(yīng)用。