大口径矸石投料钻孔施工技术

马少华，胡上峰，段立强

(陕西省一八六煤田地质有限公司，陕西西安 710075)

0 引言

煤矿在生产煤炭的同时，带来了大量的煤矸石。煤矸石的倾倒给煤矿产生了大量的费用，同时也给环境带来一定的危害。通过施工大口径煤矸石投料孔，贯通地面与煤矿巷道，然后将煤矸石回填至煤矿采空区，既为煤矿节省了费用，又起到了环境保护的作用。同时，对于煤矿采空区的塌陷治理也带来了一定的积极作用，实现了矿山和生态环境的和谐发展［1］。

1 施工区域地理地质条件

1．1 地理条件

亭南煤矿位于陕西省长武县境内，该矿井位于陇东黄土高原东南部，为塬、梁、峁、沟、壑地貌，塬面及沟谷走向北东，地形西南高，向东北逐渐降低。塬面标高一般1 100～1 200 m，沟谷标高一般840～950 m，相对高差一般160～300 m。区内塬面窄小且破碎，冲沟及黄土崖发育，地形复杂。312国道和西(安)平(凉)铁路从矿区经过，交通运输极为便利。

1．2 地质情况

彬长矿区亭南煤矿大孔径矸石投料孔揭露地层从上至下为:第四、第三系(Q+N)岩性为第四系更新统离石黄土、上更新统马兰黄土和第三系红土，接近底部有较厚的卵石层，松散，砾径较大。与下伏基岩呈不整合接触。

下白垩系(K1)洛河组(K1l):岩性为棕红色、紫红色中～粗粒石英砂岩，中夹多层中厚层状杂色粗砾岩层。孔隙式胶结，较坚硬，为河流相沉积。富水性中等。

宜君组(K1y):岩性为杂色厚层状粗砾岩，砾石成分主要为花岗岩、变质岩块，次为石英岩块;次圆状，分选差，基底式胶结，致密坚硬;与中侏罗系安定组假整合接触，富水性弱。

安定组(J2a):岩性为棕红色、紫红色砂质泥岩，夹薄层紫灰色细～粗粒砂岩，底部为泥质粉砂岩，具水平层理。本组地层以干旱气候平原洪积相沉积为主，与中侏罗系直罗组假整合接触，为稳定隔水层。

直罗组(J2z):岩性以紫杂色砂岩为主，与下伏延安组假整合接触。

延安组(J2y):为含煤地层，岩性以河沼相砂泥岩为主，上部为中粗粒砂岩，成分以石英、长石为主，均匀层理;中部为灰色泥岩、细砂岩;底部为炭质泥岩、灰黑色泥岩［2-3］。

2 投料孔主要技术要求

2．1 投料管

投料孔用于矸石充填物料投料输送，主要由安装在钻孔内的投料管组成，投料管用混凝土浇筑固定在投料钻孔内。根据矸石充填物料特性、投料流量、投料粒径及车场水平，并考虑一定的安全系数，确定投料管选用主材质为Q460B的Ф680×(20+16)mm无缝钢管，壁厚为20 mm，内层堆焊16 mm厚的合金耐磨层。

2．2 钻孔

本钻孔为垂直钻孔，每钻进20～30 m，其倾角和方位角应测定一次，钻孔偏斜率小于5‰。终孔后再进行最后一次系统测斜，给出完整的测斜资料和准确的孔底坐标(X、Y、Z)，保证井下矸石上仓道能顺利找到钻孔。

2．3 井管施工

所有井管及套管在下入过程中要牢固焊接在一起，完整地一次下至孔底，中间不能有断开或错茬。井管下好后，要进行反射注浆固结井管，保证孔底揭露后管体不下落，管内及管壁不漏水。

3 施工技术

3．1 井口导管

人工开挖井口，Ф1 500 mm×2 000 mm，下入Ф1 320 mm×10 mm×2 000 mm井口导管，导管外采用混凝土浇筑。

3．2 钻机的安装

由于钻孔孔斜要求精度高，首先是钻机严格按标准进行安装、调试、运转，特别是天车、转盘、井口一线偏差小于30 mm，达到要求后方可进行施工。开孔要平衡水龙带的偏重，加强对方钻杆的校正，确保井眼开直［4］。

3．3 先导孔

考虑到钻孔孔斜要求比较高，先导孔采用满眼钻具组合:Ф245 mm三牙轮钻头+Ф178 mm直螺杆+Ф159 mm无磁钻铤+Ф242 mm扶正器+Ф159 mm钻铤+Ф127 mm钻杆+133 mm主动钻杆进行钻进施工至终孔深度374 m。

在施工过程中，利用单点测斜仪每钻进20 m进行一次测斜，并通过软件计算，随时掌握钻孔施工轨迹，发现有偏差时(一般情况下偏差较小，无法通过螺杆加弯接头的方式进行纠偏)，即采用轻压吊打的方式进行纠偏。最终实现钻孔最大偏斜率为4.14‰，最大位移为 784 mm，套管底部位移为522 mm。

3．4 黄土层的扩孔及下套管施工

表层套管:考虑到黄土层孔径较大，容易发生坍塌，造成埋钻、塌孔现象，随决定在黄土层下入Ф1 020 mm×12 mm表层套管，进入基岩8 m，并用水泥进行固井。

表层扩孔:采用Ф650 mm、Ф900 mm、Ф1 200 mm扩孔钻头分级扩孔至井深40 m(进入稳定基岩8 m)，为保证后期扩孔时上下井眼的同心，每级扩孔时小一级扩孔井深应比较大一级扩孔井深多10 m，每级的扩孔钻头应带相匹配的导向。

下表层套管、固井:表层扩孔完成后，下入Q235B-Ф1 020 mm×12 mm表层套管，管外采用R42．5水泥浆封固，水泥浆配制水灰比为水∶灰=0．5∶1，水泥浆返至井口，候凝时井口水泥收缩下沉，随后从井口回灌，保证固井质量。

3．5 基岩扩孔

采用Ф650 mm、Ф900 mm扩孔钻头分级扩孔至设计孔深，即338．2 m，每级的扩孔钻头应带相匹配的导向和扶正器，保证孔径圆滑规矩。在Ф650 mm扩孔至338．2 m以后，换Ф450 mm扩孔钻头进行裸眼段扩孔至设计孔深，即374 m，完成后再进行后续作业。

3．6 扩孔时钻具组合

3．7 扩孔钻头的确定

对于扩孔钻头的选择，由于扩孔钻头为组合钻头［5-7］，市场上无行业标准及规范，因此，在选择钻头时采用自行加工。

Ф650 mm组合钻头导向为Ф245 mm硬质合金导向，采用6个Ф245 mm牙轮钻头牙掌均匀焊接在一个圆盘上，Ф900 mm组合钻头导向为Ф650 mm硬质合金导向，采用8个Ф311 mm牙轮钻头牙掌。加工时应注意牙掌底部应在同一个平面上均匀分布排列。

3．8 投料管下套管

此次投料管规格为Ф680 mm×(20+16)mm，外层为厚度20 mm的20#钢，内层再离心浇注16 mm厚的合金耐磨层。通常采用钢管开孔、提杠提升为下入大径钢管的常规手段。但此次钢管由于加入16 mm合金耐磨层，现场无法进行切割作业，钢管的切割、打眼需要用等离子切割设备来进行，因此无法用提杠来进行提升下管作业。遂决定用大型吊卡来进行提升下管作业，又通过联系套管厂家，要求为套管加工管箍，作为套管提升与下入时吊卡的阻挡箍，除需要承担套管的全部重量外，还要留有一定的安全余量，故此，要求管箍承重不小于100 t。通过计算设计为Ф730 mm×25 mm×300 mm，保证下管安全。

投料钢管重量达到203 t，严重超过井架负荷，决定利用浮力塞进行下管作业。套管的连接采用坡口满焊。通过选择合适的焊丝，采用CO2气体保护焊管口的焊接。由于投料钢管的焊接只能焊接外层钢管(内层钢管为堆焊的合金耐磨层，无法焊接)，满焊堆焊完成后，再采用巴掌加强。巴掌规格设计为300 mm×120 mm，设计数量为140个，购买套管时同时加工，保证巴掌与外层套管的材质统一，提高套管的焊接强度。每根套管的连接处焊接4～6个巴掌，加固套管的连接强度，保障下管的顺利进行。通过浮力与套管重量的计算，发现最大浮力为133 t，钻机最大需提升70 t，钻机完全满足负荷要求。且在下管过程中，不能进行泥浆回灌。下管过程中，由于套管较大，焊接一个接口的时间约为2．5 h。总累计下管时间为68 h。

3．9 固井

下管完成后，下入钻杆带插入式注浆工具与浮力塞连接，开泵建立循环后。在套管内灌满清水，在套管口用钢板密封焊接，防止注水泥时水泥浆漏入管内，随后进行固井作业。采用高标号油井专用固井水泥，采用固井车泵注水泥浆封固投料管，水泥浆返至井口，候凝时井口水泥收缩下沉，须及时从井口回灌，保证固井质量。

4 结论

(1)先导孔的施工必须有效的控制孔斜，钻机在安装时就要求安装周正，应配备满眼钻具或钟摆钻具组合，钻进时应轻压吊打。

(2)矸石投料钻孔的施工工艺重点及难点在于下套管。矸石投料孔由于合金耐磨层的加入，致使其重量为常规套管的两倍左右，其耐磨层的切割、打眼、焊接都不能在施工现场来进行施工。因此，应提前与厂家沟通协调，计算好套管总长，确保出露地面高度合适。并且应提前计算好套管重力和钻孔泥浆浮力的数据，为灌浆与否带来数据支撑。

(3)大口径钻孔施工时，由于孔径比较大，岩屑的携带对于钻进效率有很大的影响，这就要求在泥浆性能上增大粘度和动切力，降低其失水性。同时，加强固控设备的配备，减少孔底岩屑的重复破碎能明显的提高钻进效率。