甘肅羊寨鄉(xiāng)錳礦鉆探施工中防漏與堵漏關(guān)鍵技術(shù)分析

張福龍，梁瀟文

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000)

采 礦

甘肅羊寨鄉(xiāng)錳礦鉆探施工中防漏與堵漏關(guān)鍵技術(shù)分析

張福龍，梁瀟文

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000)

結(jié)合位于蘭州市榆中縣羊寨鄉(xiāng)錳礦開采時(shí)遇到的滲漏方面問題，通過采用惰性材料堵漏法、水泥漿液封堵法等具體方法進(jìn)行堵漏，并同時(shí)采用套管進(jìn)行封堵，有效地解決了在鉆探時(shí)遇到的滲漏及塌孔等方面的問題，并且取得了良好的效果，為今后指導(dǎo)鉆探的安全施工具有十分重要的意義。

鉆探；滲漏堵漏；泥漿

0 前 言

蘭州榆中羊寨鄉(xiāng)錳礦位于榆中興隆山一帶，礦區(qū)內(nèi)地層主要由白堊紀(jì)與第三系地質(zhì)層覆蓋，露出地表的地層主要由興隆山群片巖、大理巖等組成，其主要的巖性為硅酸質(zhì)巖、硅酸質(zhì)千枚巖及少量的變質(zhì)巖[1]。其主體構(gòu)造線走向?yàn)镹W向，主礦化帶基本由斷裂破碎帶構(gòu)成，其長度約為110 m，橫向?qū)挾燃s為12.5 m，其中石英巖以網(wǎng)狀形式插于斷層中，其中1號(hào)礦床位于斷裂破碎帶的內(nèi)盤以上，長度大約110 m，寬度約3 m，其中品位參數(shù)Fe為7.6×10-2，Mn為12.11×10-2，2號(hào)礦床位于斷裂破碎帶內(nèi)盤以下，長度約為65 m，寬度約為2.5 m，其中品位參數(shù)Fe為6.24×10-2，Mn為22.14×10-2，礦床基本呈層狀，走向?yàn)槲鞅?0(°)，與周圍的圍巖相一致[2-4]。

在具體的鉆探過程中，由于鉆機(jī)的鉆進(jìn)時(shí)有發(fā)生滲漏的現(xiàn)象，在整個(gè)開采過程中是一個(gè)很棘手的問題，滲漏不僅導(dǎo)致鉆孔內(nèi)的泥漿流失，無法有效地對(duì)孔壁進(jìn)行維護(hù)，同時(shí)會(huì)在孔底造成過厚的泥層，進(jìn)而影響正常的鉆探作業(yè)。因此，在發(fā)生滲漏時(shí)，能夠通過采取有效的措施及時(shí)的堵漏和處理顯得至關(guān)重要。為了能夠減少因鉆探過程中滲漏造成的不必要的損失，以達(dá)到保障施工質(zhì)量、安全的目的，鉆探的防漏與堵漏技術(shù)的開發(fā)與研究就顯得尤為重要，同時(shí)對(duì)提高鉆探工作效率、縮短鉆探周期，提升經(jīng)濟(jì)效益都有著良好的促進(jìn)作用。

1 鉆孔滲漏的基本類型及滲漏機(jī)理

1.1 鉆孔滲漏類型

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際鉆探情況及鉆孔周邊地層情況，在鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生滲漏的原因可以總結(jié)為以下3方面[5]：a周圍地層地質(zhì)構(gòu)造原因，其表現(xiàn)為地層本身存在結(jié)構(gòu)裂縫，進(jìn)而導(dǎo)致鉆孔時(shí)發(fā)生泥漿滲漏；b在鉆孔過程中，由于泥漿的循環(huán)作用，使地層壓力系數(shù)增大，進(jìn)而導(dǎo)致泥漿從承壓能力較低的地層中滲漏出來；c施工技術(shù)參數(shù)選取不當(dāng)，如泵壓力過大、鉆進(jìn)速度過快、泥漿參數(shù)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)等。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際遇到的滲漏情況，可將此礦區(qū)鉆孔滲漏類型主要?jiǎng)澐譃橐韵聨追N類型：天然裂縫性滲漏、滲透性滲漏、溶洞滲漏、人為裂縫性滲漏。

1.2 鉆孔滲漏原理

根據(jù)榆中縣羊寨鄉(xiāng)錳礦在鉆進(jìn)過程中滲漏的現(xiàn)象及周邊地層具體狀況進(jìn)行分析，總結(jié)在鉆孔過程中發(fā)生滲漏的機(jī)理[6]主要為：礦區(qū)地層周圍所屬巖石的結(jié)構(gòu)為多孔狀結(jié)構(gòu)、巖石節(jié)理較為發(fā)育、裂縫縱橫交錯(cuò)，滲透系數(shù)較大，地層結(jié)構(gòu)中有較多的連通型滲漏通道；在周圍溫度、濕度、圍壓等自然氣候條件不斷變化的情況下，存在長期處于風(fēng)化狀態(tài)的結(jié)構(gòu)面，其內(nèi)部的節(jié)理、裂隙發(fā)育更加完全，其中巖層內(nèi)部的部分孔隙及裂縫直接與大氣連通，在孔內(nèi)通過靜水壓力的作用，泥漿將沿著貫通的孔隙及裂縫發(fā)生滲漏現(xiàn)象，進(jìn)而形成人為的滲漏通道。當(dāng)泥漿通過內(nèi)部滲漏通道后，將與構(gòu)成巖石的膠結(jié)物發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而破壞了巖石內(nèi)部顆粒之間的膠結(jié)，使巖石產(chǎn)生崩解、碎裂成更小的顆粒，同時(shí)發(fā)生大面積滲流，形成大量的連通的滲漏通道，進(jìn)一步加強(qiáng)了地層的滲漏性。

2 堵漏機(jī)制原理

鉆孔堵漏的原理就是采用惰性材料、水泥漿等各種堵漏材料，通過有效的施工手段把鉆孔過程中產(chǎn)生的各種孔隙及裂縫封堵起來，同時(shí)在滲漏通道外部形成一道致密性良好的隔墻，用以阻斷與切斷滲漏通道[7]。其原理如下。

1) 在對(duì)土層內(nèi)部的的孔隙及裂縫進(jìn)行封堵時(shí)，所使用的堵漏材料必須能夠很好的填充孔隙及裂縫。

2) 惰性材料、水泥漿液等堵漏材料在填充孔隙及裂縫后其流動(dòng)性不能太大，同時(shí)在阻力作用下，必須滯留在孔壁的孔隙及裂縫中，并且逐漸填充滿周圍孔隙的空間。當(dāng)堵漏材料進(jìn)入孔壁周圍的地層時(shí)，在靜水壓力的作用下將沿孔壁地層周圍形成一道具有一定強(qiáng)度的堵漏隔墻，通過堵漏材料之間的黏結(jié)，該隔墻將與滲漏通道產(chǎn)生黏結(jié)強(qiáng)度，并能有效地對(duì)滲漏進(jìn)行封堵，同時(shí)有效地避免了暫堵現(xiàn)象的發(fā)生[8]。

3 孔隙裂縫具體堵漏方法

3.1 惰性材料堵漏法

惰性材料堵漏的方法是將混入在鉆井泥漿液中不同尺寸形狀、不同配合比的惰性材料注入到鉆孔的滲漏層之中，或者直接將惰性材料注入到滲漏層中，以達(dá)到良好堵漏效果的一種方法[9]。當(dāng)采用這種方法進(jìn)行堵漏時(shí)，必須合理考慮惰性材料的性質(zhì)，通過設(shè)計(jì)與計(jì)算出合理的材料配合比及漿液濃度，以避免在鉆孔施工過程中在孔隙通道內(nèi)部無法形成“橋架”的現(xiàn)象，及在孔壁周圍的裂縫中無法達(dá)到“封門”的目的，進(jìn)而喪失堵漏的效果[10]。

3.1.1 作用原理

機(jī)械堵漏是惰性材料堵漏最基本的原理，主要包括：架橋作用；封堵與鑲嵌作用；對(duì)鉆孔周圍地質(zhì)條件不良土層的固結(jié)作用。

3.1.2 封堵方法

根據(jù)鉆孔過程中產(chǎn)生的孔隙及裂縫的性質(zhì)、狀況、尺寸、位置等具體參數(shù)選擇合理的惰性材料配合比。

1) 配置泥漿

根據(jù)惰性材料配置的泥漿參數(shù)，粘度一般為35～55 s，同時(shí)為保證泥漿能全部填充滿孔隙裂縫，防滲漏泥漿的制備量一般為鉆孔體積的2.5倍[11]。

向鉆孔泥漿中加入事先配置好的防滲漏材料，同時(shí)開動(dòng)鉆機(jī)。

2) 具體堵漏方法

a鉆進(jìn)至裂縫滲漏層上部。

b通過鉆機(jī)上的鉆孔灌注封堵泥漿，直至鉆機(jī)機(jī)具內(nèi)外達(dá)到平衡。

c鉆機(jī)鉆進(jìn)至封堵泥漿頁面以上6～9 m。

d根據(jù)孔壁滲漏的具體情況，將預(yù)先配置好的堵漏泥漿通過鉆機(jī)壓入地層中。

e壓入封堵泥漿后間隔12～24 h。

f鉆機(jī)鉆進(jìn)，觀察鉆孔孔壁是否滲漏，確定不滲漏后可恢復(fù)正常鉆進(jìn)施工。

3.2 水泥漿液封堵法

在采用水泥漿液對(duì)鉆孔孔隙及裂縫進(jìn)行防滲漏封堵時(shí)，在施工前對(duì)水泥漿液的配合比、添加劑、施工機(jī)具的配套及使用狀況進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，以確定最優(yōu)方案。通常情況下，水泥漿液的可泵時(shí)間為40 min左右，一般在封堵后約5 h內(nèi)即可開始鉆孔施工。

3.2.1 封堵方法

通過鉆桿上的孔道把水泥漿液壓入鉆孔內(nèi)部有孔隙及裂縫的部位，通過泥漿在孔隙裂縫中的滲透作用形成具有一定強(qiáng)度的防滲漏隔墻，進(jìn)而起到防漏堵漏的效果。在進(jìn)行灌注泥漿時(shí)，需先將鉆具鉆進(jìn)至預(yù)先設(shè)計(jì)好的標(biāo)高處以下0.5～2 m的位置，先泵入清水，在確保鉆具管道順暢的情況下方可注入預(yù)先配置好的水泥漿液。

3.2.2 注意事項(xiàng)

1) 準(zhǔn)備剛開始鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)先打開回水管，清理吸水管及泥漿泵內(nèi)的殘余水。

2) 在灌注水泥漿時(shí)，必須安排專職人員值守，發(fā)現(xiàn)有堵塞現(xiàn)象立即停止灌注。

3) 待水泥漿液全部滲入鉆孔的孔隙裂縫后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行換漿作業(yè)，并清洗泥漿泵、管道。

4) 控制鉆孔的鉆進(jìn)與提鉆速度，以保證鉆孔內(nèi)部的水土壓力平衡，同時(shí)還可以預(yù)防真空抽吸作用。

當(dāng)采用惰性材料封堵法、水泥漿液封堵法等效果都不是很理想時(shí)，尤其是當(dāng)鉆機(jī)鉆進(jìn)深度在100 m范圍之內(nèi)時(shí)，由于地層本身的孔隙及裂縫較多，周邊土層的土質(zhì)較為松散，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)孔隙裂縫封堵失敗及塌孔等工程事故，因此，在鉆進(jìn)過程中采用套管進(jìn)行圍護(hù)和封堵不失為一種預(yù)防鉆孔滲漏及防塌孔的良方。

4 結(jié) 論

榆中縣羊寨鄉(xiāng)錳礦礦區(qū)周圍地層所屬巖石為多孔狀結(jié)構(gòu)、節(jié)理較為發(fā)育、裂縫縱橫交錯(cuò)，滲透性大，地層結(jié)構(gòu)中有較多的連通型滲漏通道；在鉆探過程中十分容易發(fā)生滲漏事故，因此，進(jìn)行鉆孔防漏堵漏的效果是否達(dá)標(biāo)，將直接影響鉆探施工的安全、進(jìn)度以及經(jīng)濟(jì)效益。

在鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中，通過采用惰性材料堵漏法及水泥漿液材料堵漏法相結(jié)合的方法進(jìn)行防漏堵漏施工，有效的解決了鉆進(jìn)過程中常遇到的滲漏問題，并且取得了良好的效果。總結(jié)防漏堵漏經(jīng)驗(yàn)，在今后的施工中應(yīng)處理好以下幾個(gè)問題。

1) 在鉆進(jìn)過程中，應(yīng)準(zhǔn)確把握可能發(fā)生滲漏的位置及可能導(dǎo)致的工程事故，使防漏堵漏工作具有針對(duì)性。

2) 通過前期勘察鉆探工作提供的數(shù)據(jù)，在施工前應(yīng)準(zhǔn)確把握鉆孔周邊的地質(zhì)條件、地層構(gòu)造以及孔隙裂縫的大小及走向，以便于進(jìn)行滲漏位置的判斷、合理選擇堵漏材料以及保證堵漏材料能夠順利填充孔隙裂縫。

3) 控制封堵材料的粘度，使其只停留在孔隙裂縫中而不外流，保證堵漏效果。

4) 在鉆孔施工前，應(yīng)進(jìn)行水泥漿液的堵漏試驗(yàn)，保證堵漏時(shí)間在理想時(shí)間段內(nèi)。

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An Analysis of Key Technology of Leak Proof in Plugging Drilling of Mn-ore in Gansu of Yangzhai Village

ZHANG Fulong, LIANG Xiaowen

(ShanxiInstituteofTechnologyofProfessionofRailwayEngineering,RailwayEngineering,Weinan,Shanxi714000,China)

In this paper, the leakage problem is located in YangZhai Village of Yuzhong County with manganese mining encountered in plugging by using an inert material plugging method of cement slurry. At the same time, we are using casing sealing to effectively solve the problem in the drilling of the leakage and hole collapse and other issues. It achieved well for the future construction safety guide drilling, as is very important.

Drilling; Leakage; Leaking and stoppage; Mud

2017-03-14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41301548)

張福龍(1988-)，男，遼寧錦州人，助教，研究方向：地基基礎(chǔ)，手機(jī)：15709235521，E-mail:469069340@qq.com.

TD2

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.023