空氣潛孔錘鉆進技術(shù)在七角井礦井充填孔施工中的應用

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、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)部專家組在反復論證的基礎(chǔ)上，采用空場嗣后膏體充填法回采。2017年，在確定上述開采方案的情況下，委托相關(guān)方設計了七角井礦充填系統(tǒng)。在施工過程中為了保證充填孔的質(zhì)量，在項目實施中采用空氣潛孔錘鉆進技術(shù)，取得了良好的經(jīng)濟效果。

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巖、花崗巖和閃長巖及華力西中期花崗閃長巖。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)育有七角井復式背斜及七角井南向斜，褶皺對釩礦體影響較大，對鐵礦體影響相對較小。斷層共發(fā)育14條，對釩礦體、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，預計成孔較好，故不采用雙層套管結(jié)構(gòu)。②鉆孔偏斜率要求不超過1%。③孔口管為無縫鋼管，隨鉆進入，充填管為雙金屬復合管。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)硬化后及時對鉆孔進行掃孔。

2 充填孔施工難點分析

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可能鉆越復雜巖層，大直徑復雜地層鉆進難度更大；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格；⑤充填管安裝負荷大，連接強度高。

3 設備機具配置

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

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

表1 設備機具配置表

4 施工工藝及參數(shù)

4.1 鉆孔施工流程

場地平整→孔位測量→設備安裝→孔口坐標復測→開孔鉆進→下入孔口管→管外水泥固井→透孔→空氣潛孔錘鉆進→鉆孔測斜與軌跡控制→下入充填管→將鉆孔與充填管環(huán)隙密封固定→封閉孔口→驗收。

4.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

施工四個充填鉆孔，上部覆蓋層采用Ф305mm潛孔錘鉆頭鉆進至基巖，下部基巖用Ф254mm潛孔錘鉆頭鉆進至終孔。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)硬化后及時對鉆孔進行掃孔。②二開采用Ф254mm鉆頭鉆進至設計孔深，全孔下入Ф194mm×20mm雙金屬復合充填管，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 鉆進用鉆具組合

（1）一開鉆具組合：Ф305mm風動潛孔錘鉆頭→Ф215mm風動沖擊器→Ф300mm扶正管→Ф146mm鉆鋌→Ф89mm鉆桿→主動鉆桿。

（2）二開鉆具組合：Ф254mm風動潛孔錘鉆頭→Ф215mm風動沖擊器→Ф245mm導正器→Ф146mm鉆鋌→Ф245mm導正器→Ф89mm鉆桿→主動鉆桿。

（3）特種糾偏鉆具（備用）：糾偏鉆具組合：糾偏鉆頭→螺桿馬達→定向糾偏接頭→鉆桿→主動鉆桿[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)驗來看，潛孔錘鉆壓一般按錘頭直徑（cm）乘以0.9kN，若遇到軟弱層應相應減小。

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 風量

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

Q≥60K1K2π(D2+d2)v/4；

Q—壓風機的風量，m/min；

v—風的上返速度，一般取15m/s～25m/s；

D—鉆孔實際直徑，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，導致流量減?。?，一般孔深在100m～200m時，K1=1.05～1.1，本工程鉆孔深度176m，取K1=1.05。

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

4.4.4 風壓

在鉆進過程中，風壓是個被動參數(shù)。但鉆進速度與設備所能提供的風壓密切相關(guān)。因此，在潛孔錘鉆進中應密切觀察風壓表的變化，以便掌握潛孔錘的工作狀態(tài)和孔內(nèi)鉆進情況[3]。充填孔深度為176m，孔徑分別為表層Ф305mm和基巖段Ф254mm。為獲得高的鉆進效率，通過對潛孔錘參數(shù)進行比較選擇，空氣潛孔錘沖擊器選擇SPM360和JWD200-0兩種型號，空氣潛孔錘在各孔段的鉆進參數(shù)選擇見表3：

表2 空氣潛孔錘鉆進參數(shù)表

4.5 管外封固

為了保證充填孔有較長的使用壽命，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）鉆機安裝做到三點一線（孔口、立軸、天車三點為一直線）；開孔采用小規(guī)程鉆進。

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

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

（4）每20m～30m測斜一次，施工中做到三及時，即及時測斜；孔斜超差及時調(diào)整工藝；超差大于允許值時及時糾偏。

表3 充填孔施工實際鉆孔坐標計算結(jié)果

5.2 安全技術(shù)措施

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

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

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

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

6 空氣潛孔錘鉆進技術(shù)優(yōu)缺點

6.1 空氣潛孔錘鉆進技術(shù)的優(yōu)點

應用實踐表明，空氣潛孔錘鉆進技術(shù)和傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)相比，有以下幾方面的優(yōu)點：

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

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

（3）對嚴重缺水地區(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 空氣潛孔錘鉆進技術(shù)的缺點

（1）由于空氣潛孔錘鉆進技術(shù)使用高壓空氣作鉆進介質(zhì)，所以在沒有含水的地層段鉆進時孔口吹出來的灰塵較多，對現(xiàn)場工作人員的健康造成很大的影響，同時對施工設備也造成污染并加重磨損。

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

（3）由于空氣潛孔錘鉆進技術(shù)的破巖機理是動載沖擊，直接采用該工藝是無法實現(xiàn)取心鉆進的[6]。

因此在采用空氣潛孔錘鉆進工藝的施工現(xiàn)場，不僅要對現(xiàn)場施工人員采取必要的防塵措施，而且還要對鉆進產(chǎn)生的灰塵采取減塵、降塵措施。對于取心鉆孔來講，是無法直接采用空氣潛孔錘鉆進技術(shù)進行施工的。

7 施工效果分析

為提高鉆進效率和鉆孔質(zhì)量，在本項目采用潛孔錘鉆進方法。空氣潛孔錘鉆進改變了傳統(tǒng)碎巖方式，其工作狀態(tài)為沖擊加切削，有效提升鉆進效率，同時預防了孔斜的發(fā)生。

7.1 鉆進效率高

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

7.2 鉆孔垂直度高

由于氣動潛孔錘鉆進工藝的“小壓力，慢轉(zhuǎn)速”特點，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，能確保下管工序的順利進行。礦方根據(jù)測斜數(shù)據(jù)計算的孔底坐標，在井下巷道內(nèi)開挖，準確地找到了實際充填孔底位置，完全滿足礦山充填系統(tǒng)設計質(zhì)量要求。充填孔各孔終孔實際坐標參數(shù)計算見表3。

7.3 經(jīng)濟效益明顯

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

8 結(jié)語

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