小曲率側鉆工藝在礦山帷幕注漿中的應用研究

賈偉杰

小曲率側鉆工藝在礦山帷幕注漿中的應用研究

賈偉杰

(華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021)

針對礦體埋深較深、所處地層高角度裂隙發育且須在井巷工程內施工的特殊帷幕注漿工程，傳統礦山止水帷幕鉆探、注漿等施工工藝已不能滿足要求，在此基礎上研發了小曲率側鉆設備及其施工工藝，并通過工程實施，證明了小曲率側鉆工藝在礦山帷幕注漿中的適用性，它對于井巷自身穩定性、減少鉆探工作量、揭露導水裂隙、保證注漿效果等方面具有重大意義。

小曲率;側鉆工藝;柔性鉆桿;帷幕注漿

0 前 言

采用帷幕注漿的方式進行大水礦山的地下水治理已經成為一套經過實踐證明切實有效的、常用的地下水治理技術[1-5]。目前采用帷幕注漿技術成功治理礦山地下水患的礦山實例越來越多，傳統的礦山帷幕技術發展日趨成熟。但是，隨著礦體逐步開采，礦體埋深越來越大，開采難度逐步提高，出現了礦體埋深較深、所處地層高角度裂隙發育且須在井巷工程內施工的特殊帷幕注漿工程，上述條件下的帷幕注漿工程其技術要求更高，施工難度更大。傳統礦山止水帷幕鉆探、注漿等施工工藝不能解決上述技術難題。

云南某礦區地勢陡峻，“V”形河谷發育，礦區最高山脈標高為2194 m，礦區河谷最低侵蝕基準面河床標高為887 m，相對高差1315 m，比降25.2%。由于礦區陡峭的地勢，在地表沒有實施帷幕注漿工程的施工場地，該工程的施工鉆機平臺均布置在巷道內（鉆窩尺寸6 m×6 m×15 m），采用《礦山帷幕注漿規范》（DZ/T 0285—2015）中的技術標準，帷幕鉆孔間距控制在8~12 m，即鉆窩間距控制在8~12 m[6]，考慮施工鉆窩尺寸，無法在巷道內實現密集布置施工鉆窩。另外，受礦區構造影響，地層圍巖高角度裂隙發育，裂隙發育傾角大多在60°~85°范圍內，帷幕注漿施工中采用垂直鉆孔，地層裂隙揭露概率低，漿液擴散范圍受限，注漿堵水效果難以保證[7-8]。

1 小曲率側鉆工藝

在上述背景條件驅動下，研發了小曲率側鉆工藝，小曲率側鉆工藝主要以特殊鉆進設備為研究對象，通過特殊工藝最終實現快速、大角度偏斜鉆進的目的。該項工藝主要包括自主研發的鉆進設備及相關施工工藝兩大部分。

1.1 主要鉆進設備

小曲率側鉆的核心設備主要包括造斜導向鉆具及穩斜鉆具兩大部分。

（1）造斜導向鉆具。造斜導向鉆具由外部管狀固定方向的導向套（見圖1）、內部萬向的柔性鉆桿（見圖2）兩部分組成。導向套單節的類型有連接套、上導向套、普通導向套、下導向套4種，其整體通過各類單節按一定順序由特殊結構掛鉤相互連接而成（個數由造斜頂角度數決定），相鄰兩節導向套呈“V”形接觸，使彎曲方向具唯一性。

圖1 導向套

圖2 造斜柔性鉆桿

（2）穩斜鉆具。穩斜鉆具主要包括柔性鉆桿。柔性鉆桿是由球頭、球座、鎖母等構成，分別見圖3、圖4。

圖3 穩斜柔性鉆桿結構

圖4 穩斜柔性鉆桿

1.2 鉆進工藝

小曲率側鉆工藝包括造斜鉆進及穩斜鉆進，其工作原理為：造斜時，造斜鉆具在主孔內時，導向套之間的“V”形接觸在重力作用下呈張開狀態，形成“V”形開口。當造斜鉆具下至設計造斜點時，在鉆壓的作用下，“V”形開口閉合，此時造斜鉆具即可形成固定方向的彎曲狀態。由于相鄰導向套均呈“V”形接觸，使得造斜鉆具彎曲狀態得到延續，因此造斜鉆具能夠實現連續彎曲造斜鉆進（見圖4）。在造斜過程中導向套工具面角固定，自身不發生轉動，由導向套內的柔性鉆桿將動力傳導至鉆頭。由于各相鄰導向套之間的“V”形接觸呈固定夾角（最大值1.5°），因此即可通過導向套節數累加得出造斜鉆具的造斜能力，也即造斜鉆進時根據造斜鉆具進入分支孔造斜段的長度就可確定分支孔的造斜頂角度數。利用導向套進行小曲率偏斜時，導向套累加數為30節（最大造斜頂角為45°）時，分支孔造斜段軌跡頂角基本能夠達到設計值30°。

造斜結束后，提升造斜鉆具，下入穩斜鉆具，穩斜鉆具中的柔性鉆桿各單節之間可在一定角度下朝任意方向（萬向）彎曲（見圖5），利用柔性鉆桿的這種特性穩斜鉆具可順利通過造斜段，同時依靠花鍵裝置實現扭矩的傳遞，并在鉆壓、泵量、泵壓等工藝參數綜合作用下，使穩斜鉆具保持造斜孔末端的頂角和方位角繼續鉆進，最終形成各項指標滿足設計要求的鉆孔。

2 工程實施情況及效果

小曲率側鉆工藝于2016年首次運用于該礦區南部帷幕試驗工程中，采用單排等距的方式布置在巷道內，共布置垂直注漿孔3個，間距為30 m；采用小曲率工藝施工分支孔頂角為30°，長度為40 m（見圖5）；檢查孔2個，主要檢查在小曲率側鉆工藝實施條件下的注漿效果。

圖5 小曲率側鉆分支孔垂向

通過近一年的應用研究，利用小曲率側鉆工藝成孔48個，合格率達到了100%，具體軌跡見圖6。通過該工藝的實施，揭露了更多高角度裂隙，較傳統工藝，注漿量大幅度提升（見表1），在后期檢查孔實施過程中，發現了大量的漿液結石體，表明漿液擴散效果良好，帷幕質量可靠。

通過注漿效果對比，小曲率側鉆工藝實施分支孔無論從單位注漿量還是單位固體注入量都比傳統直孔要大，可見小曲率側鉆工藝在該礦區揭露裂隙率是可觀的。

表1 注漿效果對比

3 結 論

（1）通過該工藝實施，加大了垂向鉆孔間距，由傳統意義的8～12 m增加到了30 m，有效減少了鉆探工作量，達到了降低成本，提高施工質量的 目的；

（2）井巷帷幕施工中大幅降低了井巷內的鉆窩工程量，保證了巷道自身穩定性，為井巷內施工大型帷幕創造了便利條件；

（3）該工藝鉆孔偏斜約30°，能夠切穿地層中各種角度的導水裂隙，有效保證漿液的擴散，從而保證帷幕的注漿效果。

[1] 韓貴雷.“魚刺型”鉆孔改性黏土帷幕注漿工藝試驗研究[J].金屬礦山,2018(9):69-73.

[2] 薛曉峰,許進鵬.湖泥混合漿液的性能對其初凝時間的影響[J].礦業研究與開發,2018,38(4):79-81.

[3] 宋 峰,劉新社.中關鐵礦帷幕注漿工程科技成果匯編[M].武漢：中國地質大學出版社,2012.

[4] 黃德發.地層注漿堵水與加固施工技術[M].徐州:中國礦業大學出版社,2003.

[5] 張 霄.地下工程動水注漿過程中漿液擴散與封堵機理研究及應用[D].濟南:山東大學,2011.

[6] 劉新社,韓貴雷,于同超,等.礦山帷幕注漿規范[M].北京:中國地質出版社,2015.

[7] 韓貴雷,于同超.礦山帷幕注漿方案研究及堵水效果綜合分析[J].礦業研究與開發,2010,30(3):95-98.

[8] Philippe Laurent. Paleo-deviatoric stress magnitudes from calcite twins and related structural permeability evolution in minor faults: Example from the toarcian shale of the French Causses Basin, Aveyron, France[J]. Tectonophysics,2007:79-97.

(2019-04-12)

賈偉杰（1980—），男，河北石家莊人，高級工程師，主要從事礦山防治水技術研究，Email:34870412@qq. com。