反井施工技術(shù)在處理鉆孔穿越坑道中的應(yīng)用

2014-07-13 11:14:56李永超羅永貴

鉆探工程 2014年6期

李永超，羅永貴

(河南省地礦局第三地質(zhì)勘察院，河南洛陽 471023)

0 引言

近年來，為了給危機(jī)礦山尋找接替資源，在一些老礦山開展了深部探礦工作。由于鉆孔深度的增大，在鉆探施工中時(shí)常鉆遇廢棄或生產(chǎn)中的采掘坑道，給鉆孔的正常鉆探施工帶來諸多困難。我院在河南省靈寶市小秦嶺金礦田南礦帶ZK5501孔施工中，于孔深420 m處鉆遇采掘坑道，采用反井施工技術(shù)，快捷、經(jīng)濟(jì)地解決了鉆孔穿越坑道技術(shù)難題，并在其他礦區(qū)推廣使用。

1 施工概況

1.1 鉆孔施工概況

小秦嶺金礦田南礦帶ZK5501孔地質(zhì)設(shè)計(jì)孔深1750 m，終孔口徑≮75 mm。

鉆進(jìn)方法:繩索取心金剛石鉆進(jìn)。

1.2 鉆遇坑道概況

ZK5501孔在鉆至孔深420 m時(shí)，突然發(fā)生“掉鉆”現(xiàn)象，經(jīng)鉆具下探及實(shí)地勘查，發(fā)現(xiàn)鉆孔鉆遇該礦山生產(chǎn)采掘坑道，如圖1所示。該坑道為正在使用的采掘坑道，坑道斷面為寬2500 mm，高2000 mm，鉆孔出露位置距坑道底約1900 mm，坑道底面敷設(shè)有約300 mm碎石，坑內(nèi)積水約500 mm，坑道壁凹凸不平;鉆孔鉆穿坑道后，巖體內(nèi)裂隙水與鉆孔貫通下泄，流量約30 L/min。

圖1 ZK5501孔鉆遇坑道示意圖

2 坑道處理技術(shù)難點(diǎn)

(1)鉆孔深度大，且不容許變徑;

(2)采掘生產(chǎn)坑道，工作面狹窄，不能影響礦方正常生產(chǎn);

(3)坑道內(nèi)鉆孔不允許漏水，隔離措施必須保證坑道頂、底密封;

(4)考慮鉆探施工的經(jīng)濟(jì)效益及礦方的生產(chǎn)，采用的技術(shù)處理措施必須快捷、可靠。

3 坑道處理方法確定

根據(jù)上述技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)鉆遇坑道的處理方法進(jìn)行分析。

3.1 下埋頭管隔離

下入埋頭管(飛管)隔離坑道，是鉆孔鉆遇復(fù)雜層后局部隔離的有效治理措施。但這種方法的問題一是鉆孔必須改變口徑，地質(zhì)設(shè)計(jì)不允許;二是埋頭管頂端是裸露的，下鉆時(shí)易與鉆頭發(fā)生碰撞，導(dǎo)致上管口變形;三是大的掉塊及巖心脫落會(huì)在埋頭管上口堆積，存在事故隱患。

3.2 擴(kuò)孔全套管隔離

由地面擴(kuò)孔至坑道底后全套管隔離，需擴(kuò)孔鉆進(jìn)340 m，由于擴(kuò)孔段巖石基本以花崗巖為主，巖石完整、堅(jiān)硬，可鉆性差，加之?dāng)U孔深度較大，將耗費(fèi)大量的臺(tái)時(shí)及費(fèi)用。

3.3 坑道內(nèi)人工造壁

在坑道內(nèi)沿鉆孔軸線筑混凝土柱于坑道頂、底之間，待混凝土達(dá)到齡期后，鉆穿混凝土柱，延伸鉆孔。其弊病是占用坑道空間大，影響礦車行駛;再者坑道頂部凹凸不平的巖壁，循環(huán)液密封存在難度。

3.4 頂漏鉆進(jìn)

在地層穩(wěn)定、水源充足或距終孔深度不大時(shí)，可以不加處理，頂漏鉆進(jìn)。但該孔距終孔尚有1300 m左右，且循環(huán)液無排放通道，漿液四溢，必定影響坑道內(nèi)采掘生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

3.5 反井施工

反井施工技術(shù)的原理是將原鉆孔作為導(dǎo)孔，在坑道內(nèi)安裝二次擴(kuò)孔鉆頭，鉆桿通過鉆機(jī)油缸的軸向上頂力對(duì)擴(kuò)孔鉆頭施加工作壓力，同時(shí)通過鉆機(jī)帶動(dòng)鉆桿回轉(zhuǎn)對(duì)擴(kuò)孔鉆頭傳遞扭矩，向上進(jìn)行反拉擴(kuò)孔鉆進(jìn)，鉆擴(kuò)出所需要的鉆孔直徑及長度。

通過對(duì)上述坑道處理方法進(jìn)行分析比對(duì)，根據(jù)快速、可靠的處理原則，確定選擇反井施工技術(shù)對(duì)鉆遇坑道進(jìn)行處理。利用反井施工技術(shù)在坑道內(nèi)向上反拉擴(kuò)孔鉆進(jìn)，向下對(duì)坑道底進(jìn)行普通金剛石鉆進(jìn)，鉆出適于安裝套管的口徑和長度后，安裝套管隔離坑道。

4 坑道隔離準(zhǔn)備工作

4.1 坑道壁擴(kuò)幫

與礦方配合，對(duì)坑道另一側(cè)坑道壁進(jìn)行C形擴(kuò)幫，拓寬坑道工作面積，礦車軌道沿?cái)U(kuò)幫方向移動(dòng)，礦車在鉆孔位置由直線行駛改為曲線行駛。

4.2 反拉擴(kuò)孔鉆具及套管

4.2.1 擴(kuò)孔鉆具設(shè)計(jì)(見圖2)

圖2 反拉擴(kuò)孔鉆具

4.2.2 隔離套管設(shè)計(jì)

(1)管靴:外徑93 mm，內(nèi)徑80 mm，長150 mm(含絲扣)。穿管鞋的目的是減少與孔壁的環(huán)狀間隙及加大套管底與巖石的接觸面積，增加套管的穩(wěn)定性，管靴與套管擰緊后用電焊焊牢，并將焊縫打磨光潔。

(2)套管:根據(jù)兩端固定套管所需的鉆擴(kuò)長度及坑道高度確定總長度。ZK5501孔隔離套管總長度為:0.6 m(上擴(kuò))+1.9 m(坑道)+0.6 m(下鉆)=3.1 m，設(shè)套管安裝活動(dòng)余量0.1 m，則所需套管總長度為3 m，分為3根制作，每根長度為1 m，套管連接采用DN80法蘭盤連接;法蘭盤與套管采用絲扣連接并焊接，目的是保證3根套管連接的同心度，這是套管程序的關(guān)鍵。

(3)管帽(見圖3):外徑93 mm，內(nèi)徑80 mm，長100 mm，管帽上口按20°錐度加工成“喇叭”狀，其目的是保證77繩索鉆頭下鉆時(shí)能夠順利導(dǎo)入，不發(fā)生碰撞。此結(jié)構(gòu)是套管程序中的重要結(jié)構(gòu)。

圖3 套管管帽

5 坑道隔離施工步驟

5.1 反拉擴(kuò)孔鉆進(jìn)

將準(zhǔn)備好的反拉擴(kuò)孔鉆具在坑道內(nèi)與鉆孔用繩索取心鉆桿進(jìn)行連接，上提拉緊鉆具，計(jì)算好機(jī)上余尺后，上卡盤落到底，上擴(kuò)一個(gè)尺桿，中途不倒桿;按照設(shè)計(jì)的上擴(kuò)長度，輕頂慢轉(zhuǎn)實(shí)施擴(kuò)孔，擴(kuò)孔長度至600 mm后，立即停鉆。

反拉擴(kuò)孔鉆進(jìn)參數(shù):上頂力5～8 kN，轉(zhuǎn)速80 r/min，泵量 110 L/min。

5.2 坑道底鉆進(jìn)

5.3 套管密封與安裝

坑道頂、底的套管安裝孔形成后，安裝套管的關(guān)鍵是要解決好套管兩端(頂、底)的密封問題，要保證套管兩端能夠承受1750 m孔深時(shí)，泵壓為3～5 MPa的沖洗液循環(huán)壓力。

(1)套管兩端采用海帶與不干膠密封。將干海帶均勻地纏繞在套管端部，用不干膠固定，并用不干膠纏繞一段直徑達(dá)94 mm的膠帶密封環(huán)，人工將套管按海帶纏繞方向旋轉(zhuǎn)插入鉆好的安裝孔內(nèi);坑道底用水泥砂漿澆注厚約500 mm的水泥墩，包裹套管底部，增加套管的穩(wěn)定性。套管安裝連接順序?yàn)橄葍啥撕笾虚g。

(2)灌注水泥漿。由于坑道內(nèi)積水較深及大量碎石的影響，澆注的水泥墩與坑道底接觸不密實(shí)，為防止坑道底與鉆孔形成循環(huán)通道，保證上下兩端密封的可靠性，套管安裝結(jié)束后，還需從孔內(nèi)對(duì)套管與孔壁間進(jìn)行水泥壓漿封閉通道。灌注水泥漿用水泥100 kg，水灰比0.5，加入三乙醇胺 50 g，食鹽 1 kg，配制成水泥漿液，由孔口經(jīng)繩索鉆桿人工灌入。因孔內(nèi)幾乎是干孔，套管安裝孔孔底距坑道底面僅600 mm，所以水泥漿灌注后不需替漿，靠水泥漿自重內(nèi)外平衡，封堵套管周圍漏失通道。水泥漿灌注結(jié)束，靜止穩(wěn)定水泥漿約2 min，經(jīng)現(xiàn)場觀察，有水泥漿從坑道底縫隙中溢出，證明已達(dá)到水泥漿封堵的目的，即可將鉆桿提離水泥漿面后注入少量(不大于100 L)清水清洗鉆桿。注意壓水量不可過多，過多的壓水會(huì)造成水泥漿被壓出孔外。

(3)因?yàn)槭菫榱私鉀Q套管兩端環(huán)隙的密封問題，不需要過高的水泥強(qiáng)度，所以水泥漿候凝24 h后即可進(jìn)行掃水泥作業(yè)。當(dāng)掃孔至隔離套管頂部管帽處，應(yīng)緩慢掃入套管內(nèi)。

隔離坑道套管安裝效果見圖4。

圖4 坑道內(nèi)套管安裝效果

6 技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效果

(1)采用反井法安裝套管隔離坑道，安裝精度高。特別是向上反拉擴(kuò)孔的94 mm段，與原77mm鉆孔同心度好。施工中幾次進(jìn)入坑道內(nèi)查看，鉆進(jìn)過程中無鉆桿摩擦套管、敲擊套管現(xiàn)象，且起下鉆順暢無阻。

(2)套管安裝孔密封可靠。由于海帶的膨脹系數(shù)較高，加之水泥漿液的充填固化，對(duì)漏失通道封閉徹底。ZK5501孔鉆進(jìn)至孔深1500 m，鉆進(jìn)泵壓為3～3.5 MPa時(shí)，進(jìn)入坑道內(nèi)檢查密封狀況，無滲漏現(xiàn)象。

(3)處理速度快捷。ZK5501孔整個(gè)實(shí)施處理過程僅用32 h，加之輔助時(shí)間共2 d時(shí)間，即向上擴(kuò)孔1 h，向下鉆孔1 h，套管安裝2 h，水泥漿封閉24 h，掃孔4 h(不考慮坑道擴(kuò)幫時(shí)間)。

(4)處理材料費(fèi)用低。反拉擴(kuò)孔鉆具費(fèi)用1500元人民幣，套管費(fèi)用800元人民幣。

(5)適用性、可靠性強(qiáng)，易推廣應(yīng)用。繼ZK5501孔坑道處理之后，于2013年12月在河南省洛寧縣劉秀溝金礦區(qū)，采用反井施工技術(shù)成功處理了ZK4004孔穿越坑道問題。該孔設(shè)計(jì)孔深800 m，為傾角80°的斜孔，鉆孔施工至460 m時(shí)鉆遇坑道，坑道斷面為高3 m，寬2.6 m，經(jīng)2 d時(shí)間的處理后，鉆孔轉(zhuǎn)入正常鉆進(jìn)。

7 注意事項(xiàng)

(1)反拉擴(kuò)孔鉆具及隔離套管的加工要確保連接可靠，套管上下連接要保證較高的同心度;向下鉆進(jìn)套管安裝孔難度較大，關(guān)鍵是鉆頭與原鉆孔是否在同一軸線上，這關(guān)系到鉆孔能否繼續(xù)正常施工的問題;隔離套管兩端的密封問題要認(rèn)真處理，隔離套管的底部密封較上端密封復(fù)雜。

(2)由于坑道口距鉆孔位置較遠(yuǎn)，高程相差大，所以在處理過程中要注意坑道內(nèi)與地表的聯(lián)系，各工序的操作要協(xié)調(diào)一致，避免溝通上的失誤造成處理失敗。