反井施工技术在处理钻孔穿越坑道中的应用

2014-07-13李永超罗永贵

钻探工程 2014年6期

李永超，罗永贵

(河南省地矿局第三地质勘察院，河南洛阳 471023)

0 引言

近年来，为了给危机矿山寻找接替资源，在一些老矿山开展了深部探矿工作。由于钻孔深度的增大，在钻探施工中时常钻遇废弃或生产中的采掘坑道，给钻孔的正常钻探施工带来诸多困难。我院在河南省灵宝市小秦岭金矿田南矿带ZK5501孔施工中，于孔深420 m处钻遇采掘坑道，采用反井施工技术，快捷、经济地解决了钻孔穿越坑道技术难题，并在其他矿区推广使用。

1 施工概况

1.1 钻孔施工概况

小秦岭金矿田南矿带ZK5501孔地质设计孔深1750 m，终孔口径≮75 mm。

钻进方法:绳索取心金刚石钻进。

1.2 钻遇坑道概况

ZK5501孔在钻至孔深420 m时，突然发生“掉钻”现象，经钻具下探及实地勘查，发现钻孔钻遇该矿山生产采掘坑道，如图1所示。该坑道为正在使用的采掘坑道，坑道断面为宽2500 mm，高2000 mm，钻孔出露位置距坑道底约1900 mm，坑道底面敷设有约300 mm碎石，坑内积水约500 mm，坑道壁凹凸不平;钻孔钻穿坑道后，岩体内裂隙水与钻孔贯通下泄，流量约30 L/min。

图1 ZK5501孔钻遇坑道示意图

2 坑道处理技术难点

(1)钻孔深度大，且不容许变径;

(2)采掘生产坑道，工作面狭窄，不能影响矿方正常生产;

(3)坑道内钻孔不允许漏水，隔离措施必须保证坑道顶、底密封;

(4)考虑钻探施工的经济效益及矿方的生产，采用的技术处理措施必须快捷、可靠。

3 坑道处理方法确定

根据上述技术难点，对钻遇坑道的处理方法进行分析。

3.1 下埋头管隔离

下入埋头管(飞管)隔离坑道，是钻孔钻遇复杂层后局部隔离的有效治理措施。但这种方法的问题一是钻孔必须改变口径，地质设计不允许;二是埋头管顶端是裸露的，下钻时易与钻头发生碰撞，导致上管口变形;三是大的掉块及岩心脱落会在埋头管上口堆积，存在事故隐患。

3.2 扩孔全套管隔离

由地面扩孔至坑道底后全套管隔离，需扩孔钻进340 m，由于扩孔段岩石基本以花岗岩为主，岩石完整、坚硬，可钻性差，加之扩孔深度较大，将耗费大量的台时及费用。

3.3 坑道内人工造壁

在坑道内沿钻孔轴线筑混凝土柱于坑道顶、底之间，待混凝土达到龄期后，钻穿混凝土柱，延伸钻孔。其弊病是占用坑道空间大，影响矿车行驶;再者坑道顶部凹凸不平的岩壁，循环液密封存在难度。

3.4 顶漏钻进

在地层稳定、水源充足或距终孔深度不大时，可以不加处理，顶漏钻进。但该孔距终孔尚有1300 m左右，且循环液无排放通道，浆液四溢，必定影响坑道内采掘生产的正常进行。

3.5 反井施工

反井施工技术的原理是将原钻孔作为导孔，在坑道内安装二次扩孔钻头，钻杆通过钻机油缸的轴向上顶力对扩孔钻头施加工作压力，同时通过钻机带动钻杆回转对扩孔钻头传递扭矩，向上进行反拉扩孔钻进，钻扩出所需要的钻孔直径及长度。

通过对上述坑道处理方法进行分析比对，根据快速、可靠的处理原则，确定选择反井施工技术对钻遇坑道进行处理。利用反井施工技术在坑道内向上反拉扩孔钻进，向下对坑道底进行普通金刚石钻进，钻出适于安装套管的口径和长度后，安装套管隔离坑道。

4 坑道隔离准备工作

4.1 坑道壁扩帮

与矿方配合，对坑道另一侧坑道壁进行C形扩帮，拓宽坑道工作面积，矿车轨道沿扩帮方向移动，矿车在钻孔位置由直线行驶改为曲线行驶。

4.2 反拉扩孔钻具及套管

4.2.1 扩孔钻具设计(见图2)

图2 反拉扩孔钻具

4.2.2 隔离套管设计

(1)管靴:外径93 mm，内径80 mm，长150 mm(含丝扣)。穿管鞋的目的是减少与孔壁的环状间隙及加大套管底与岩石的接触面积，增加套管的稳定性，管靴与套管拧紧后用电焊焊牢，并将焊缝打磨光洁。

(2)套管:根据两端固定套管所需的钻扩长度及坑道高度确定总长度。ZK5501孔隔离套管总长度为:0.6 m(上扩)+1.9 m(坑道)+0.6 m(下钻)=3.1 m，设套管安装活动余量0.1 m，则所需套管总长度为3 m，分为3根制作，每根长度为1 m，套管连接采用DN80法兰盘连接;法兰盘与套管采用丝扣连接并焊接，目的是保证3根套管连接的同心度，这是套管程序的关键。

(3)管帽(见图3):外径93 mm，内径80 mm，长100 mm，管帽上口按20°锥度加工成“喇叭”状，其目的是保证77绳索钻头下钻时能够顺利导入，不发生碰撞。此结构是套管程序中的重要结构。

图3 套管管帽

5 坑道隔离施工步骤

5.1 反拉扩孔钻进

将准备好的反拉扩孔钻具在坑道内与钻孔用绳索取心钻杆进行连接，上提拉紧钻具，计算好机上余尺后，上卡盘落到底，上扩一个尺杆，中途不倒杆;按照设计的上扩长度，轻顶慢转实施扩孔，扩孔长度至600 mm后，立即停钻。

反拉扩孔钻进参数:上顶力5～8 kN，转速80 r/min，泵量 110 L/min。

5.2 坑道底钻进

5.3 套管密封与安装

坑道顶、底的套管安装孔形成后，安装套管的关键是要解决好套管两端(顶、底)的密封问题，要保证套管两端能够承受1750 m孔深时，泵压为3～5 MPa的冲洗液循环压力。

(1)套管两端采用海带与不干胶密封。将干海带均匀地缠绕在套管端部，用不干胶固定，并用不干胶缠绕一段直径达94 mm的胶带密封环，人工将套管按海带缠绕方向旋转插入钻好的安装孔内;坑道底用水泥砂浆浇注厚约500 mm的水泥墩，包裹套管底部，增加套管的稳定性。套管安装连接顺序为先两端后中间。

(2)灌注水泥浆。由于坑道内积水较深及大量碎石的影响，浇注的水泥墩与坑道底接触不密实，为防止坑道底与钻孔形成循环通道，保证上下两端密封的可靠性，套管安装结束后，还需从孔内对套管与孔壁间进行水泥压浆封闭通道。灌注水泥浆用水泥100 kg，水灰比0.5，加入三乙醇胺 50 g，食盐 1 kg，配制成水泥浆液，由孔口经绳索钻杆人工灌入。因孔内几乎是干孔，套管安装孔孔底距坑道底面仅600 mm，所以水泥浆灌注后不需替浆，靠水泥浆自重内外平衡，封堵套管周围漏失通道。水泥浆灌注结束，静止稳定水泥浆约2 min，经现场观察，有水泥浆从坑道底缝隙中溢出，证明已达到水泥浆封堵的目的，即可将钻杆提离水泥浆面后注入少量(不大于100 L)清水清洗钻杆。注意压水量不可过多，过多的压水会造成水泥浆被压出孔外。

(3)因为是为了解决套管两端环隙的密封问题，不需要过高的水泥强度，所以水泥浆候凝24 h后即可进行扫水泥作业。当扫孔至隔离套管顶部管帽处，应缓慢扫入套管内。

隔离坑道套管安装效果见图4。

图4 坑道内套管安装效果

6 技术与经济效果

(1)采用反井法安装套管隔离坑道，安装精度高。特别是向上反拉扩孔的94 mm段，与原77mm钻孔同心度好。施工中几次进入坑道内查看，钻进过程中无钻杆摩擦套管、敲击套管现象，且起下钻顺畅无阻。

(2)套管安装孔密封可靠。由于海带的膨胀系数较高，加之水泥浆液的充填固化，对漏失通道封闭彻底。ZK5501孔钻进至孔深1500 m，钻进泵压为3～3.5 MPa时，进入坑道内检查密封状况，无渗漏现象。

(3)处理速度快捷。ZK5501孔整个实施处理过程仅用32 h，加之辅助时间共2 d时间，即向上扩孔1 h，向下钻孔1 h，套管安装2 h，水泥浆封闭24 h，扫孔4 h(不考虑坑道扩帮时间)。

(4)处理材料费用低。反拉扩孔钻具费用1500元人民币，套管费用800元人民币。

(5)适用性、可靠性强，易推广应用。继ZK5501孔坑道处理之后，于2013年12月在河南省洛宁县刘秀沟金矿区，采用反井施工技术成功处理了ZK4004孔穿越坑道问题。该孔设计孔深800 m，为倾角80°的斜孔，钻孔施工至460 m时钻遇坑道，坑道断面为高3 m，宽2.6 m，经2 d时间的处理后，钻孔转入正常钻进。