大水铁矿山井下探水注浆孔钻探施工实践

刘明海，亓维明

（莱钢集团莱芜矿业有限公司，山东莱芜271100）

大水铁矿山井下探水注浆孔钻探施工实践

刘明海*，亓维明

（莱钢集团莱芜矿业有限公司，山东莱芜271100）

地下大水矿山需通过施工大量钻孔以实现探水治水的目的，通过对该钻探施工实践的总结，介绍了地下大水矿山钻探施工的工艺特点及如何保证该种条件下的安全操作施工。

地下大水矿山；钻探施工；施工工艺；安全操作

1 概述

安徽省徐楼铁矿、江苏省利国铁矿、山东省张马屯铁矿和业庄铁矿是国内出名的大水矿山，在矿床的地表范围内均有多条河流从矿体上部及邻近流过，矿体上盘奥陶系灰岩为溶洞较发育的富含水层，第三系隔水层局部缺失形成“天窗”使地表河流与奥陶系灰岩水导通，矿山水文地质条件均为复杂类型。要实现铁矿的顺利开采，必须首先对矿体上盘含水层进行治理。现采用的治水方案是通过井下布置施工钻孔，勘探含水构造和揭露含水溶洞及裂隙，对含水层进行注浆形成隔水局部帷幕以实现隔离含水层水下采矿的目的。

2 工程地质条件和布孔特点

钻探范围内主要为闪长岩、磁铁矿、矽卡岩、大理岩。闪长岩灰绿色，致密块状结构，硬度9级，研磨性高。磁铁矿黑色、褐色，原生矿坚硬致密，局部氧化，硬度稍低。矽卡岩呈灰—灰绿色，岩性较软，遇水易风化掉块。大理岩白色，深灰—浅灰，结构完整，含水处溶洞裂隙发育。

矿体上盘含水层为承压水，静水位距地表埋深30m左右并随季节变化波动。由于矿体埋藏深浅不一，井下钻孔施工揭露地下动水的静水压力有大有小，一般在1～3MPa之间。

钻孔按一定网度布置在井下巷道内，布孔有2种方式：（1）以小仰角近水平孔为主，以少量仰角10°以上的仰角孔为辅，钻孔方向以垂直矿体走向为主；（2）通过先探后掘，进入上盘灰岩硐室，以平行和近平行于矿体走向与倾向扇形布孔。同时，根据含水岩层构造、裂隙发育程度，含水裂隙相互间的关联关系，调整钻孔布置密度。

3 钻孔施工工艺

3.1 埋设孔口管

孔口管的作用是孔内地层出水后可以安装阀门以封闭孔内出水，并可以通过它对孔内注浆。孔口管要求埋设牢固，管外密封良好。根据实践经验，孔口管长度4～5m，孔口管外环状间隙为20mm，管内水泥经挤压穿过花眼进入环状间隙，72h凝固后，孔口管承压能达到6MPa，完全能满足注浆需用压力。

3.2 钻机固定

由于地层水静压大，钻孔揭露出水满孔时，对钻具形成的冲击力是很大的，所以，对于大水矿山井下施工，钻机固定除施工质量要求外，从安全角度要求有着特殊的意义。钻机的固定主要用2个长度可伸缩调整的阀柱，竖立与硐室顶板牢牢挤压压住钻机底座，根据水压情况，用钢丝绳拉住钻机与孔口管连接在一起，使钻机有足够支撑力承担水压。

3.3 钻机的使用

要求钻机有以下特点：(1)井下巷道运输道路不平，且经常有上坡，重量不宜过重,为增加孔内出水时钻机稳定性，重量也不宜过轻,自重1000kg左右;(2)为便于运输，可拆性强;(3)施工角度在0°～360°,角度可调;(4)一般为电机带动,考虑到井下施工的通风条件一般不建议用柴油机;(5)转速能适用金刚石钻进和硬合金钻进。

3.4 钻杆的使用

为适应巷道施工，长度一般在3～3.5m,要求强度高,耐磨,重量较轻。在施工初期,施工地点在较浅的水平以上，地层水压力相对较小，孔深一般在60m以内，使用了Ø43mm内丝外平钻杆，该种钻杆重量轻，拧卸方便，提钻时钻杆均可通过立轴，基本能满足水压和钻进扭压力。后期随着对矿山水危害严重程度的进一步认识，探水的起始点大大提前，探水孔深度根据需要经常加深至80～90m，初期使用的钻杆孔内断钻频率明显加大，断钻位置一般都在螺纹处，显示强度偏低满足不了施工要求。将钻杆更换为外尖丝钻杆，连接57扣接手后经使用验证强度明显改善。总结施工过程，井下水平孔钻进钻具与孔壁的摩擦力比竖孔要大的多，钻具磨损大大增加，钻具的防磨损显得更有意义，主要措施有：（1）加粗钻杆接手使外径大于钻杆，以接手保护钻杆；缩短钻杆长度。（2）岩芯管接手比岩芯管外径增大2mm，岩芯管接手外周镶焊保径合金，保持其耐磨性。（3）保证钻杆平直度，去除弯曲钻杆。

钻杆材质对钻杆强度与刚度影响很大，为保障其性能，选用性能较优良的地质管材45MNMOB，端部按设计要求进行镦粗；根据钻杆断裂大多数发生在钻杆接头附近的一般规律，使用钻杆时注意保护钻杆接头处，卡夹钻杆尽量避免伤害该处钻杆表面，并经常检查，发现微裂纹即停止使用。为增加钻杆接头密封性，对螺纹齿高、螺纹公差等参数进行了细化调整，并严格加工尺寸精度，这些措施对钻杆工作可靠性起了积极作用。

3.5 钻进方法及参数

闪长岩和磁铁矿一般用金刚石钻进，采用孕镶金刚石钻头，胎体硬度分别为HRC35～40和HRC30左右，粒度80～100目；风化较重的磁铁矿和矽卡岩用硬质合金钻进，因为粉矿和松散颗粒对金刚石钻头磨损消耗很快，严重影响钻头寿命，且金刚石颗粒出刃小，钻进效率不高；大理岩因硅质成分含量不同可钻性差别很大，硅质成分含量高的用金刚石钻进效率较高，硅质成分含量低的用硬质合金钻进效率比较高，此外，如果地质资料已较明确地段，对岩芯采取率要求不高时，采用复合片钻头钻进可很好地提高钻进效率；磁铁矿中某些地段含铁燧石结核，为坚硬致密打滑地层，常规钻进极为缓慢，可采用液动潜孔锤钻进提高钻进效率。

井下钻进水平孔，可用清水作冲洗液进行冷却和携带岩屑，但在孔内地层出水的情况下须对出水加强观察，因为冲洗液的突然中断或中途短路不易被发现，从而出现烧钻事故，所以此时必须加强孔口出水水量和颜色的变化情况，以确保冲洗液正常循环。

3.6 提下钻

在孔内未出水的情况下,一般可人工提下钻,当深度大于70m,可辅以卷扬或立轴提下钻。如果钻进过程中孔内出大水,水量大于100m3/h，静压大于1MPa时，会水雾飞溅，人员会感到操作有些困难，此时卡盘不能随便打开,必须以卡盘夹紧固定孔内钻杆以防冲出，然后用2副夹板和2个5t倒链交替放出孔内钻杆，放钻杆过程中必须始终使钻杆处在可控状态，绝对避免钻杆被高压动水自由冲出。实践表明，一旦钻杆被高压水流加速作用加速自由冲出后所形成的冲击力是相当大的，撞击在岩石上足以使钻杆弯曲变形绕成环形。我们在夹板使用过程中，为增加夹紧稳定性，将夹板内表面加工成齿形，增大摩擦力以防钻杆打滑冲出，夹板两侧加工有固定钢丝绳的凹沟以防钢丝绳滑脱。

4 操作安全要求

（1）人员要躲开钻杆正后方位置，防止孔内出水冲出钻杆射击伤人；

（2）管钳拧卸孔内钻杆时，人员要站在管钳的孔口管一侧，防止孔内出水冲出钻杆间接带动钻杆伤人；

（3）现场备用2个5t倒链、2副夹板、钢丝绳套、雨衣，用作出大水后提钻使用。

（4）疏通施工地点地面排水通道，保持排水畅通；

（5）施工前孔口管安装同口径高压阀门，做到出大水提钻后能及时关闭；

（6）规定以施工硐室照明灯闪烁为井下出现异常情况报警信号，使人员熟知及时撤退；

（7）每个硐室地点施工前，要求施工人员首先了解地点最近的联系电话和安全通道；

（8）施工过程中经常检查阀柱紧固情况，出现松脱要及时紧固。

5 结语

大水矿山要实现顺利安全采矿治水是前提，同时也是工作中的一个难点，它离不开以钻探为手段的探水和注浆孔施工，顶水钻进和孔内出大水后如何保证安全操作是钻探工作不得不面临的重要问题，通过几年的实践我们总结了一定的经验，但在如何更好地实现钻机固定及搬运、如何提高钻杆强度、刚度但不至于过多增加重量等问题上需进一步研究摸索。

[1]罗超，等.金刚石优化钻进的新途径[J].探矿工程，1994（10）.

[2]赵国珍，等.钻井力学基础[M].1988.

[3]武汉地质学院.钻探工艺学[M].1980.

TD743

B

1004-5716(2015)10-0057-02

2014-10-29

刘明海（1969-），男（汉族），山东曹县人，工程师，现从事钻探生产及矿山防治水工作。