贊比亞謙比希銅礦充填鉆孔施工技術

唐孟龍，龍雪蓮，朱海賓

（1.湖南省地質災害調查監測所湘南所，湖南衡陽421001；2.中礦資源地質工程有限公司，北京100083)

為滿足礦山充填采礦法工藝要求，確保井下巷道掘進順利找到充填鉆孔井底孔眼的目的，贊比亞謙比希銅礦充填鉆孔施工項目利用礦山現有的一臺水源鉆機配合常規的防斜保直鉆具組合進行鉆井施工，獲得了一定的礦區鉆孔防斜保直經驗。依據電子多點測斜數據計算得出的井底坐標，4個充填孔井底孔眼通過井下巷道掘進均一次性成功找到。護壁管、技術管和雙金屬復合耐磨充填管下管固井均滿足質量要求，充填孔含水層封固良好，實現了礦山充填采礦法對充填鉆孔的各項質量要求，達到了工程目的，節省了工程費用。

1 礦區地質概況

1.1 地理位置

謙比希銅礦位于贊比亞銅帶省中部,礦區距贊比亞第二大城市基特韋（銅帶省省會）28km,距盧薩卡（贊比亞首部）360km。充填鉆孔孔位西側公路向南通向基特韋市，向北至欣戈拉市，交通便利。

1.2 礦區地層

礦區地層主要由基底和加丹加系(Katanga)構成。基底為盧福布系(Lufubu)片巖、石英巖、片麻巖、片麻狀花崗巖和穆瓦系(Muva)石英云母片巖。礦區內出露地層主要為加丹加(K atanga)系。該地層主要為一套沉積變質陸源碎屑巖。該組地層內各地層之間局部表現為不整合接觸。地層走向近東西,傾向南偏西,傾角20°～70°。鉆探資料顯示,在地表以下300m水平范圍內,地層傾角一般小于40°，600m水平以下傾角大于50°。由于構造運動,近地表的地層表現為發生了較強烈的褶皺,深部地層發生了不同程度的變形褶曲。

1.3 水文地質

根據水文地質鉆孔揭露含水巖組情況，可將鉆孔劃分為三個含水層：第一含水層主要為第四系風化帶裂隙潛水；第二含水層主要為穆瓦夏組薄層白云巖溶蝕孔洞、溶蝕裂隙承壓水；第三含水層主要為上羅恩組具構造角礫泥質白云巖溶隙裂隙承壓水。

2 充填孔設計要求

2.1 充填規模

充填站設計充填能力平均為3150m3/d，104×104m3/a。充填站工作制為330d/a，平均12～14h/d，充填管道輸送能力140～160m3/h。

2.2 充填工藝

充填工藝采用全尾礦膏體充填，膏體采用泵壓輸送或者自流輸送工藝。料漿通過充填鉆孔輸送至井下，再由充填管道輸送到充填采場。膏體由全尾砂、水泥和水組成，灰砂比為（1∶8）～（1∶24）之間，充填重量濃度75%～76%，膏體密度1.96t/m3。膏體屈服應力123Pa，塑性粘度4.34Pa·s。

2.3 充填孔工程要求

（1）設計施工充填鉆孔4個，與井下664m深處巷道掘進貫通。4個充填鉆孔呈正方形布置，相鄰二孔之間的井距為10m，施工順序為4#、3#、2#和1#。

（2）充填鉆孔井底位移偏差控制在1%以內。

（3）鉆孔含水層的地下水，必須保證不能流入井下坑道內。

（4）鉆孔竣工后，在其內安裝雙金屬復合耐磨管道，其規格上部為?219mm×（外12＋內10）；下部為?219mm×（外10+內12）。充填管通過?245mm 管箍焊接連接，充填管與孔壁間隙之間采用425#水泥漿灌注并充填密實。

3 充填孔井身結構

3.1 井身結構數據

井身結構數據如表1所示。

表1 井身結構數據

3.2 井身結構示意圖（見圖1）

4 充填孔施工工藝流程

（1）一開：井深0～40m左右，鉆頭?444.5mm,鉆穿上部松散易垮地層進入完整巖石，下入?406.4mm 表層護壁套管正循環固井。候凝時間48h。

（2）二開：井深40～400m 左右，采用?374.6mm三牙輪鉆頭全面鉆進。鉆穿具構造角礫巖后下入?339.7mm技術套管正循環固井。候凝時間72h。

（3）三開：井深400～665m 左右，采用?311.1mm三牙輪鉆頭全面鉆進。完鉆后下入?219mm雙金屬復合耐磨充填管懸停，待井下巷道掘進找孔。

（4）井下巷道掘進找到鉆孔后，用適當材料對巷道頂部充填管與井壁之間的間隙進行封堵處理。然后從井口外環直接注水泥漿進行充填管固井完井。

5 充填鉆孔防斜保直

5.1 礦區地層自然造斜作用分析

該礦區充填孔施工工程所鉆遇地層特點是地層傾角大（20°～70°）、節理片理發育、軟硬不均、換層頻繁，地層具有明顯各向異性和強的地層自然造斜能力，為典型的強造斜地層。根據鉆孔一般偏斜規律，若遇層角小于30°，鉆孔彎曲表現為“頂層進”，則本礦區鉆孔軌跡應當朝北偏東方向偏斜。若遇層角大于60°，則表現為“順層跑”，則本礦區鉆孔軌跡應當朝南偏西方向偏斜。若遇層角在30°～60°之間，則鉆孔自然彎曲最為厲害，且偏斜方向沒有規律。

5.2 防斜保直鉆具組合選擇

（1）一開第四系粘土層采用塔式鉆具組合輕壓吊打將孔開直。

（2）二開、三開主要采用滿眼鉆具組合防斜，滿眼鉆具組合就是在鉆挺合適位置加裝3～4個與鉆頭直徑相近的扶正器，扶正器使孔內鉆具居中，在地層造斜力的作用下，扶正器能支承在孔壁上，限制鉆頭的橫向移動。扶正器安裝位置對其防斜效果影響很大，三個扶正器中下扶正器一般安裝在鉆頭以上1m 左右，上、中扶正器必須通過一定的計算來確定。

（3）二開、三開井段井斜角超標時可采用鐘擺鉆具組合降斜，鐘擺鉆具組合就是利用傾斜井眼中的鉆頭與穩定器或“切點”之間的鉆鋌重力之橫向分力，迫使鉆頭趨向井眼低邊降斜鉆進。鐘擺鉆具組合在小傾角地層中的防斜保值效果較為明顯，經驗表明井斜5°以上鉆孔鐘擺鉆具組合降斜能力較好，如井斜小于2°，其鐘擺橫向分力就很小了，降斜能力也就變得非常有限。

5.3 防斜保直效果

（1）4#充填孔防斜保直效果見表2。

表2 4#充填孔防斜保直效果數據

（2）3#充填孔防斜保直效果見表3。

表3 3#充填孔防斜保直效果數據

（3）2#充填孔防斜保直效果見表4。

表4 2#充填孔防斜保直效果數據

（4）1#充填孔防斜保直效果見表5。

表5 1#充填孔防斜保直效果數據

6 充填孔軌跡參數測井以及坐標計算

充填孔完鉆后，需提供精確的井底坐標引導井下巷道掘進找孔。

6.1 測井技術

（1）測井儀器：電子多點。

（2）儀器精度：井斜±0.2°；方位±1.5°。

（3）測井間距：10m一點。

（4）測井儀器需定期校驗，確保儀器測量精度。

6.2 充填孔軌跡空間坐標計算公式

式中：ΔL——井段長，m；

θi、θi+1——上、下測點井斜角；

αi、αi+1——上、下測點真方位角；

ΔX——南北位移，m；

ΔY——東西位移，m；

ΔZ——垂深，m。

說明：測井儀器測得的方位為磁方位角，計算時應根據當地的磁偏角將磁方位角轉換為真方位角，贊比亞謙比希銅礦磁偏角為-3.5°。

6.3 充填孔孔底位移計算成果

充填孔孔底位移計算數據如表6所示。

表6 充填孔孔底位移計算數據

7 注水泥漿工藝

（1）護壁管固井：采用正循環固井注漿工藝，管內保留5m水泥柱，候凝時間48h。

（2）技術管固井：采用正循環固井注漿工藝，管內保留20m水泥柱，候凝時間72h。

（3）充填管固井：因充填管為雙金屬復合耐磨管道，其內襯管具有硬度高、脆性大的特性。為防止井下巷道爆破掘進找孔以及鉆具通掃水泥時損壞充填管內襯，其固井注漿方案為：完鉆后將充填管下至巷道頂板659m 左右懸停，待巷道硐室掘進與充填孔貫通后，下放充填管至664m孔底位置，再封閉巷道硐室頂板處充填孔與充填管環空間隙，采用孔口注漿法分次注漿至孔口完成固井。

8 幾點認識

（1）該礦區充填鉆孔彎曲規律基本符合地層自然偏斜規律，鉆孔上部表現為“頂層進”，鉆孔下部表現為“順層跑”。

（2）三扶滿眼鉆具組合可以將礦區充填孔孔底水平位移偏移率控制在2%以內。

（3）1#充填孔施工時充分利用地層自然偏斜規律，通過在不同井段分別采用四扶滿眼鉆具組合和四扶非滿眼鉆具組合進行鉆進，成功地將該充填孔孔底水平位移偏移率控制在了1%以內。

（4）本次充填孔設計二開井徑與套管之間的環狀間隙偏小，二開下套管前必須采用適當的鉆具組合進行反復修孔劃眼，才能確保二開套管的順利入井。

（5）本次充填管固井采用孔口外環注漿法，固井后免除了下鉆掃水泥塞工序，這對充填管的耐磨內襯起到了有效的保護作用。

（6）經過校正后的電子多點儀器可以滿足充填孔施工測斜精度要求，根據其測斜數據計算提供的井底坐標，四個充填孔井下巷道掘進找孔順利，誤差均在0.5m左右。