大口徑矸石投料鉆孔施工技術

馬少華，胡上峰，段立強

(陜西省一八六煤田地質有限公司，陜西西安 710075)

0 引言

煤礦在生產煤炭的同時，帶來了大量的煤矸石。煤矸石的傾倒給煤礦產生了大量的費用，同時也給環境帶來一定的危害。通過施工大口徑煤矸石投料孔，貫通地面與煤礦巷道，然后將煤矸石回填至煤礦采空區，既為煤礦節省了費用，又起到了環境保護的作用。同時，對于煤礦采空區的塌陷治理也帶來了一定的積極作用，實現了礦山和生態環境的和諧發展［1］。

1 施工區域地理地質條件

1．1 地理條件

亭南煤礦位于陜西省長武縣境內，該礦井位于隴東黃土高原東南部，為塬、梁、峁、溝、壑地貌，塬面及溝谷走向北東，地形西南高，向東北逐漸降低。塬面標高一般1 100～1 200 m，溝谷標高一般840～950 m，相對高差一般160～300 m。區內塬面窄小且破碎，沖溝及黃土崖發育，地形復雜。312國道和西(安)平(涼)鐵路從礦區經過，交通運輸極為便利。

1．2 地質情況

彬長礦區亭南煤礦大孔徑矸石投料孔揭露地層從上至下為:第四、第三系(Q+N)巖性為第四系更新統離石黃土、上更新統馬蘭黃土和第三系紅土，接近底部有較厚的卵石層，松散，礫徑較大。與下伏基巖呈不整合接觸。

下白堊系(K1)洛河組(K1l):巖性為棕紅色、紫紅色中～粗粒石英砂巖，中夾多層中厚層狀雜色粗礫巖層。孔隙式膠結，較堅硬，為河流相沉積。富水性中等。

宜君組(K1y):巖性為雜色厚層狀粗礫巖，礫石成分主要為花崗巖、變質巖塊，次為石英巖塊;次圓狀，分選差，基底式膠結，致密堅硬;與中侏羅系安定組假整合接觸，富水性弱。

安定組(J2a):巖性為棕紅色、紫紅色砂質泥巖，夾薄層紫灰色細～粗粒砂巖，底部為泥質粉砂巖，具水平層理。本組地層以干旱氣候平原洪積相沉積為主，與中侏羅系直羅組假整合接觸，為穩定隔水層。

直羅組(J2z):巖性以紫雜色砂巖為主，與下伏延安組假整合接觸。

延安組(J2y):為含煤地層，巖性以河沼相砂泥巖為主，上部為中粗粒砂巖，成分以石英、長石為主，均勻層理;中部為灰色泥巖、細砂巖;底部為炭質泥巖、灰黑色泥巖［2-3］。

2 投料孔主要技術要求

2．1 投料管

投料孔用于矸石充填物料投料輸送，主要由安裝在鉆孔內的投料管組成，投料管用混凝土澆筑固定在投料鉆孔內。根據矸石充填物料特性、投料流量、投料粒徑及車場水平，并考慮一定的安全系數，確定投料管選用主材質為Q460B的Ф680×(20+16)mm無縫鋼管，壁厚為20 mm，內層堆焊16 mm厚的合金耐磨層。

2．2 鉆孔

本鉆孔為垂直鉆孔，每鉆進20～30 m，其傾角和方位角應測定一次，鉆孔偏斜率小于5‰。終孔后再進行最后一次系統測斜，給出完整的測斜資料和準確的孔底坐標(X、Y、Z)，保證井下矸石上倉道能順利找到鉆孔。

2．3 井管施工

所有井管及套管在下入過程中要牢固焊接在一起，完整地一次下至孔底，中間不能有斷開或錯茬。井管下好后，要進行反射注漿固結井管，保證孔底揭露后管體不下落，管內及管壁不漏水。

3 施工技術

3．1 井口導管

人工開挖井口，Ф1 500 mm×2 000 mm，下入Ф1 320 mm×10 mm×2 000 mm井口導管，導管外采用混凝土澆筑。

3．2 鉆機的安裝

由于鉆孔孔斜要求精度高，首先是鉆機嚴格按標準進行安裝、調試、運轉，特別是天車、轉盤、井口一線偏差小于30 mm，達到要求后方可進行施工。開孔要平衡水龍帶的偏重，加強對方鉆桿的校正，確保井眼開直［4］。

3．3 先導孔

考慮到鉆孔孔斜要求比較高，先導孔采用滿眼鉆具組合:Ф245 mm三牙輪鉆頭+Ф178 mm直螺桿+Ф159 mm無磁鉆鋌+Ф242 mm扶正器+Ф159 mm鉆鋌+Ф127 mm鉆桿+133 mm主動鉆桿進行鉆進施工至終孔深度374 m。

在施工過程中，利用單點測斜儀每鉆進20 m進行一次測斜，并通過軟件計算，隨時掌握鉆孔施工軌跡，發現有偏差時(一般情況下偏差較小，無法通過螺桿加彎接頭的方式進行糾偏)，即采用輕壓吊打的方式進行糾偏。最終實現鉆孔最大偏斜率為4.14‰，最大位移為 784 mm，套管底部位移為522 mm。

3．4 黃土層的擴孔及下套管施工

表層套管:考慮到黃土層孔徑較大，容易發生坍塌，造成埋鉆、塌孔現象，隨決定在黃土層下入Ф1 020 mm×12 mm表層套管，進入基巖8 m，并用水泥進行固井。

表層擴孔:采用Ф650 mm、Ф900 mm、Ф1 200 mm擴孔鉆頭分級擴孔至井深40 m(進入穩定基巖8 m)，為保證后期擴孔時上下井眼的同心，每級擴孔時小一級擴孔井深應比較大一級擴孔井深多10 m，每級的擴孔鉆頭應帶相匹配的導向。

下表層套管、固井:表層擴孔完成后，下入Q235B-Ф1 020 mm×12 mm表層套管，管外采用R42．5水泥漿封固，水泥漿配制水灰比為水∶灰=0．5∶1，水泥漿返至井口，候凝時井口水泥收縮下沉，隨后從井口回灌，保證固井質量。

3．5 基巖擴孔

采用Ф650 mm、Ф900 mm擴孔鉆頭分級擴孔至設計孔深，即338．2 m，每級的擴孔鉆頭應帶相匹配的導向和扶正器，保證孔徑圓滑規矩。在Ф650 mm擴孔至338．2 m以后，換Ф450 mm擴孔鉆頭進行裸眼段擴孔至設計孔深，即374 m，完成后再進行后續作業。

3．6 擴孔時鉆具組合

3．7 擴孔鉆頭的確定

對于擴孔鉆頭的選擇，由于擴孔鉆頭為組合鉆頭［5-7］，市場上無行業標準及規范，因此，在選擇鉆頭時采用自行加工。

Ф650 mm組合鉆頭導向為Ф245 mm硬質合金導向，采用6個Ф245 mm牙輪鉆頭牙掌均勻焊接在一個圓盤上，Ф900 mm組合鉆頭導向為Ф650 mm硬質合金導向，采用8個Ф311 mm牙輪鉆頭牙掌。加工時應注意牙掌底部應在同一個平面上均勻分布排列。

3．8 投料管下套管

此次投料管規格為Ф680 mm×(20+16)mm，外層為厚度20 mm的20#鋼，內層再離心澆注16 mm厚的合金耐磨層。通常采用鋼管開孔、提杠提升為下入大徑鋼管的常規手段。但此次鋼管由于加入16 mm合金耐磨層，現場無法進行切割作業，鋼管的切割、打眼需要用等離子切割設備來進行，因此無法用提杠來進行提升下管作業。遂決定用大型吊卡來進行提升下管作業，又通過聯系套管廠家，要求為套管加工管箍，作為套管提升與下入時吊卡的阻擋箍，除需要承擔套管的全部重量外，還要留有一定的安全余量，故此，要求管箍承重不小于100 t。通過計算設計為Ф730 mm×25 mm×300 mm，保證下管安全。

投料鋼管重量達到203 t，嚴重超過井架負荷，決定利用浮力塞進行下管作業。套管的連接采用坡口滿焊。通過選擇合適的焊絲，采用CO2氣體保護焊管口的焊接。由于投料鋼管的焊接只能焊接外層鋼管(內層鋼管為堆焊的合金耐磨層，無法焊接)，滿焊堆焊完成后，再采用巴掌加強。巴掌規格設計為300 mm×120 mm，設計數量為140個，購買套管時同時加工，保證巴掌與外層套管的材質統一，提高套管的焊接強度。每根套管的連接處焊接4～6個巴掌，加固套管的連接強度，保障下管的順利進行。通過浮力與套管重量的計算，發現最大浮力為133 t，鉆機最大需提升70 t，鉆機完全滿足負荷要求。且在下管過程中，不能進行泥漿回灌。下管過程中，由于套管較大，焊接一個接口的時間約為2．5 h。總累計下管時間為68 h。

3．9 固井

下管完成后，下入鉆桿帶插入式注漿工具與浮力塞連接，開泵建立循環后。在套管內灌滿清水，在套管口用鋼板密封焊接，防止注水泥時水泥漿漏入管內，隨后進行固井作業。采用高標號油井專用固井水泥，采用固井車泵注水泥漿封固投料管，水泥漿返至井口，候凝時井口水泥收縮下沉，須及時從井口回灌，保證固井質量。

4 結論

(1)先導孔的施工必須有效的控制孔斜，鉆機在安裝時就要求安裝周正，應配備滿眼鉆具或鐘擺鉆具組合，鉆進時應輕壓吊打。

(2)矸石投料鉆孔的施工工藝重點及難點在于下套管。矸石投料孔由于合金耐磨層的加入，致使其重量為常規套管的兩倍左右，其耐磨層的切割、打眼、焊接都不能在施工現場來進行施工。因此，應提前與廠家溝通協調，計算好套管總長，確保出露地面高度合適。并且應提前計算好套管重力和鉆孔泥漿浮力的數據，為灌漿與否帶來數據支撐。

(3)大口徑鉆孔施工時，由于孔徑比較大，巖屑的攜帶對于鉆進效率有很大的影響，這就要求在泥漿性能上增大粘度和動切力，降低其失水性。同時，加強固控設備的配備，減少孔底巖屑的重復破碎能明顯的提高鉆進效率。