矿山大口径排水钻孔的施工工艺探讨

贺宏伟

（北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013）

1 总体设计方案

（1）钻孔设计。本排水孔工程孔深550m，下放Φ426mm×12mm无缝金属管，最终裸孔孔径要大于钢管直径，设计为Φ550mm，因裸孔孔径过大不能一次施工完成，要经过导孔+两级扩孔后最终成孔。

（2）钻进过程中导孔+两级扩孔的钻具优化组合。①导向孔：φ190mm镶齿合金钻头，φ159mm加重钻杆4单根，89mm钻杆+方钻杆。②一级钻孔：φ350mm镶齿组合钻头，φ178mm加重钻杆4单根，φ159mm加重钻杆2单根，φ89mm钻杆和方钻杆。③两级钻孔：φ550mm镶齿组合钻头，φ178mm加重钻杆4单根，φ89mm钻杆和方钻杆。

2 施工关键环节及要素

（1）钻孔冲洗液。本工程钻进采用泥浆作为钻孔冲洗液。泥浆为低固相聚合物泥浆，要求泥浆具有较高的携带和悬浮岩屑的能力。①钻孔泥浆配制。采用泥浆土粉、碳酸钠、纤维素、烧碱（NaOH）和清水进行配浆。②钻孔泥浆性能。泥浆性能要求：钻孔泥浆粘度控制为25S～35S，泥浆失水量＜18mL/30min,泥浆比重＜1.12g/cm3，pH值9～11，含砂量控制＜2%。

（2）钻孔防斜。①把好开孔关，开孔采用轻压中等转速。②钻头和钻具的组合要配置合理，根据钻头承受压力以及孔内产生的扭矩合理的配置加重钻杆的数量。③钻进过程中要使用陀螺测斜仪检测孔的斜度变化，每30m测一次。根据孔斜变化合理调整钻进参数，孔斜超限时，下入φ146mm螺杆钻具配合陀螺测斜仪进行定向纠偏，使钻孔轨迹回到原有设定的靶域内。

3 钻孔穿采空区施工

施工中发现从地面开始66m～220m处有多层煤。因20世纪90年代非法开采小矿泛滥存在盗采行为，本排水孔施工过程中遇到多次掉钻现象，遇到了多层采空区，最大的一层落差0.5m，采空区的出现使钻孔的施工难度增加。

（1）钻孔过采空区的主要难点。①采空区内地质条件复杂难以成孔，钻孔钻进过程中孔壁不稳定，如果处理不当容易出现孔内事故。②钻孔过采空区时，需要先对采空区进行治理，确保对钻孔安全没有影响时才能通过，会耽误大量的时间来处理，造成整个施工工期的滞后。

（2）针对本次施工遇到采空区的治理。①采空落差小、轻微漏失。根据泥浆泵排量算出每小时的漏失量，适量加入泥浆堵漏性能调节剂，增加泥浆的粘性，用泥浆泵打入孔内进行循环；直至漏失量小到不影响钻进方可正常钻进。②采空落差中等、中度漏失。选用当地一种胶泥土，制作大量的黏土球外面包裹后投入孔内，下钻捣实，捣实面要高于漏失段10m，配合配制好的堵漏泥浆安全过采空区。③采空落差大、严重漏失。采空区落差大有空腔时，黏土球堵漏无效，向孔内投石子和砂子混合干料5立方，然后下入光头钻杆充分夯实，再采用水灰比0.6:1的高强度水泥浆进行封堵，侯凝36小时，下钻扫孔，如继续漏失则继续重复上述方法，反复数次直至孔内返出浆液后方可钻进穿过采空区。

4 排水钻孔管路下放前准备工作

本排水钻孔管路规格Φ550mmx12mm，全孔整体重量60t左右，下放难度很高，关键环节稍有差错可能造成下管失败，下套管前准备工作要用心细致。

（1）下管前孔内泥浆的调整。扩孔完毕后调整要充分循环，直至孔底岩粉冲洗干净，并保证钻孔下套管时孔底干净且孔内不出现异常。泥浆在原有调整的基础上再充分合理的加入改善泥浆性能的各种添加剂，维护孔壁防止缩孔径造成下管困难。

（2）通孔、管路试下。为保证钻孔壁规则下管顺利，下管前使用钻杆下放长约20m的Φ426 mm×12 mm套管到孔底进行试下，确保孔内安全上下无阻。

（3）套管底部浮力塞设计。浮力塞主要针对下放排水管安装使用，在第一根入井的Φ426mm×12mm管路底端内部加工如图所示的浮力塞，其作用是增加孔内泥浆对套管的浮力，减小套管悬重，以适应钻塔的吊拉能力。固管注浆时，泵压推动浆液压在浮力塞底板，逆止阀弹簧拉伸，浮力塞呈敞开状，浆液经钻杆和浮力塞上正反接头、逆止阀和提前割好的浆液返流口，进入管路与孔壁的环形空间返出地面。浮力塞上部的正反接头用于连接钻具，在浮力塞下面加工若干孔眼，留作固管用的出浆口在套管底口塞入木塞做导向。

5 套管下放工艺及连接方法

（1）割洞穿杠和升降机提吊工艺。大口径套管自身重量很大，无法采用吊卡提升、管间丝扣连接等常规方法下放，须采用焊接割洞穿杠法。首先将套管上端3m处部位割两个对称的Φ108mm圆孔，割洞处打坡口增加后续焊接面积。用不小于Φ89mm实芯金属绳穿过圆孔，将套管放于孔内，钢杠卡在钻机转盘面上，解开绳后拉起另一根套管，底部对准入井套管的顶部，两根套管对中后进行焊接，焊接好后再提起套管，抽掉钻机转盘面上的钢杠，焊接封死两个穿杠圆孔，下入孔内一根套管，以此类推，直至套管全部下放完。

（2）套管焊接工艺。①下管时所有套管两端打6mmX6mm的坡口，以便增加焊接面积。使用铅锤、水平仪，确保套管之间的同轴度和直线度。②焊条选用高标号、高强度焊条保证管路焊接安全。③套管焊接的接缝两侧在焊接前用钢丝刷仔细刷几遍，保证接口的干净，提高焊接的强度。④在角焊时要注意保持正确的焊条角度，运条速度及手势要根据焊脚尺寸而定。

（3）管路下放速度及平衡浆液的补充。下放套管过程中，会在到达一定深度后会出现浮力大于套管自重，下放套管前就应根据浮力公式和泥浆比重精确计算套管内回灌泥浆的重量。保持下管重量始终大于浮力，使管路顺畅下放。

6 套管封固方法

①套管下放到孔内设定位置后管路内下入89mm钻杆，钻杆头公扣与套管底部前期安装的浮力塞上部反丝相连，将泥浆泵与输浆管路连接好。②按比例配制浆液配合，搅拌均匀后打开阀门，水泥浆液流入储浆池。浆液通过泥浆泵、输浆管路、浮力塞，再经管路与孔壁的环形间隙流返出地面后可视为固管质量合格，等候凝固72小时候可转入下一步工序。

7 结语

施工矿山大口径排水钻孔施工时无法做到一次成孔，应先进行小口径导向钻孔施工，导向钻孔是施工中的重中之重的部分，务必通过仪器控制孔的垂直，偏斜度控制在最小范围。然后根据实际地层情况分级扩孔，分级扩孔时要合理调配钻孔泥浆，防止钻孔出现掉块、卡钻、孔壁因失水缩径；如遇下套管深度较深时，下管前应对套管进行侧向抗水压强度等稳定性进行分析，在施工过程中严格执行设计要求，精心把控具体施工环节，才能安全顺利地下放大口径套管，也为后续类似工程的施工积累经验。