空气潜孔锤钻进技术在七角井矿井充填孔施工中的应用

李兴兵

（甘肃省地质矿产勘查开发局第四地质矿产勘查院，甘肃 酒泉 735000）

1 概述

1.1 项目概况

七角井矿位于甘肃省肃北县，隶属于西宁特钢旗下肃北博伦矿业公司。目前，矿山已由露采转入地下开采，已具备原矿产量250万t/a的生产能力。随着开采深度的增加，采空区的体积逐渐积累，为确保深部矿石的安全开采，采用经济、高效、安全的方法处理上部采空区，成为矿山面临的主要技术难题之一。博伦矿业公司邀请多所科研院所、矿业高校探讨了七角井矿不同地压处理及采空区充填方案的可行性。2016年7月至2017年3月，西宁特钢及博伦矿业公司内部专家组在反复论证的基础上，采用空场嗣后膏体充填法回采。2017年，在确定上述开采方案的情况下，委托相关方设计了七角井矿充填系统。在施工过程中为了保证充填孔的质量，在项目实施中采用空气潜孔锤钻进技术，取得了良好的经济效果。

1.2 地质构造条件

1.2.1 地层

区内地层、构造、侵入岩呈北西～南东向展布，与区域性构造线方向一致。矿区地层比较简单，出露地层由老至新依次为青白口系大豁落山组第四段、寒武系西双鹰山组、奥陶系罗雅楚山组下岩段和第四系全新统疏松的砂、砾石。矿区内岩浆岩较发育，岩浆岩主要为加里东晚期花岗闪长岩、花岗岩和闪长岩及华力西中期花岗闪长岩。次为不同期次的脉岩，分布于矿区南西部、北东部及中东部。

1.2.2 构造

矿区构造以褶皱为主，断裂次之。褶皱发育有七角井复式背斜及七角井南向斜，褶皱对钒矿体影响较大，对铁矿体影响相对较小。断层共发育14条，对钒矿体、铁矿体影响较小。

1.2.3 侵入岩

矿区内青白口系大豁落山组（Qnd4）原岩主要为一套碳酸盐岩和部分碎屑岩，在区域变质作用下形成一套大理岩建造及变石英砂岩、石英岩、透闪石岩等。寒武系西双鹰山组（∈x）原岩主要为一套正常沉积的碳酸盐岩、碎屑岩，经轻微的区域变质作用，岩石组合为灰岩、碳质板岩、硅质板岩、粉砂质板岩夹硅质板岩。

1.3 技术要求

①矿区内岩浆岩较发育，稳定性好，f=10～16，预计成孔较好，故不采用双层套管结构。②钻孔偏斜率要求不超过1%。③孔口管为无缝钢管，随钻进入，充填管为双金属复合管。④孔口管与钻孔间的环形空间用42.5水泥浆固井，用量约0.5m³，水灰比1.8：1～2：1。⑤钻孔与充填管间隙采用PHP优质低固相泥浆灌满，环隙上下口要封闭，泥浆需要量6m³左右。⑥固井水泥凝结硬化后及时对钻孔进行扫孔。

2 充填孔施工难点分析

①充填钻孔垂直度高，钻孔偏斜率＜1%；②钻孔直径大，并且钻孔深度也较深；③可能钻越复杂岩层，大直径复杂地层钻进难度更大；④为了保证今后方便更换充填管，钻孔与充填管间的封孔要求严格；⑤充填管安装负荷大，连接强度高。

3 设备机具配置

充填孔的施工装备性能选择应按照以下几方面的原则要求进行配置：①满足大扭矩、大负荷要求（安装充填管）；②满足钻进工艺方法要求；③满足安全技术要求；④尽可能操作简便[1]。

本工程根据以上的设备配置原则，并按照本工程充填孔的技术要求和地层情况，选择设备配置如表1所示。

表1 设备机具配置表

4 施工工艺及参数

4.1 钻孔施工流程

场地平整→孔位测量→设备安装→孔口坐标复测→开孔钻进→下入孔口管→管外水泥固井→透孔→空气潜孔锤钻进→钻孔测斜与轨迹控制→下入充填管→将钻孔与充填管环隙密封固定→封闭孔口→验收。

4.2 钻孔结构

施工四个充填钻孔，上部覆盖层采用Ф305mm潜孔锤钻头钻进至基岩，下部基岩用Ф254mm潜孔锤钻头钻进至终孔。钻孔结构为见图2所示：

①一开采用Ф305mm钻头钻进至基岩2m～3m，下入Ф273mm×7mm的孔口管，孔口管与钻孔间的环形空间用42.5水泥浆固井，用量约0.5m³，水灰比1.8：1～2：1，固井水泥凝结硬化后及时对钻孔进行扫孔。②二开采用Ф254mm钻头钻进至设计孔深，全孔下入Ф194mm×20mm双金属复合充填管，钻孔与充填管间隙采用PHP优质低固相泥浆灌满，环隙上下口封闭，泥浆需要量约5.5m³。

图1 钻孔结构图

4.3 钻进用钻具组合

（1）一开钻具组合：Ф305mm风动潜孔锤钻头→Ф215mm风动冲击器→Ф300mm扶正管→Ф146mm钻铤→Ф89mm钻杆→主动钻杆。

（2）二开钻具组合：Ф254mm风动潜孔锤钻头→Ф215mm风动冲击器→Ф245mm导正器→Ф146mm钻铤→Ф245mm导正器→Ф89mm钻杆→主动钻杆。

（3）特种纠偏钻具（备用）：纠偏钻具组合：纠偏钻头→螺杆马达→定向纠偏接头→钻杆→主动钻杆[2]。

4.4 空气潜孔锤参数选择

4.4.1 钻压

从潜孔锤破碎岩石原理看，空气钻进效率主要取决于冲击功和冲击频率的大小，从以往的施工经验来看，潜孔锤钻压一般按锤头直径（cm）乘以0.9kN，若遇到软弱层应相应减小。

4.4.2 转速

钻具的回转只是为了改变硬质合金刀刃破岩位置，其转速应保证以最优冲击间隔破碎岩石，一般控制在15r/min～25r/min范围内为宜。

4.4.3 风量

供风量的确定，一方面要根据潜孔锤做功所需耗风量的大小，另一方面要保证孔内岩屑从钻杆环状间隙返出孔外。风量可由下列公式计算。

Q≥60K1K2π(D2+d2)v/4；

Q—压风机的风量，m/min；

v—风的上返速度，一般取15m/s～25m/s；

D—钻孔实际直径，m；

d—钻杆外径，m；

K1—孔深正系数（由于孔深环状间隙压力损失增大，导致流量减小），一般孔深在100m～200m时，K1=1.05～1.1，本工程钻孔深度176m，取K1=1.05。

K2—孔内有涌水时的风量增加系数，与涌水量有关，该钻孔钻越地层无含水层，取K2=1.0。

4.4.4 风压

在钻进过程中，风压是个被动参数。但钻进速度与设备所能提供的风压密切相关。因此，在潜孔锤钻进中应密切观察风压表的变化，以便掌握潜孔锤的工作状态和孔内钻进情况[3]。充填孔深度为176m，孔径分别为表层Ф305mm和基岩段Ф254mm。为获得高的钻进效率，通过对潜孔锤参数进行比较选择，空气潜孔锤冲击器选择SPM360和JWD200-0两种型号，空气潜孔锤在各孔段的钻进参数选择见表3：

表2 空气潜孔锤钻进参数表

4.5 管外封固

为了保证充填孔有较长的使用寿命，孔口管采用42.5水泥浆固孔。基岩段孔壁与充填管间隙采用PHP优质低固相泥浆灌满，上下口密封可靠，不得有杂物进入间隙中，便于以后更换充填管。

5 充填孔施工技术措施

5.1 钻孔垂直度的控制措施

（1）钻机安装做到三点一线（孔口、立轴、天车三点为一直线）；开孔采用小规程钻进。

（2）钻进钻具必须有刚、满、直，防斜保直特性；采用钻铤孔底加压；钻进时，钻具必须上、下带导正器。

（3）要根据地层条件选择不同型号的潜孔锤。而且钻进过程中，若遇软硬互层时，采用小规程钻进参数，以保证钻孔垂直度。

（4）每20m～30m测斜一次，施工中做到三及时，即及时测斜；孔斜超差及时调整工艺；超差大于允许值时及时纠偏。

表3 充填孔施工实际钻孔坐标计算结果

5.2 安全技术措施

（1）开钻前应检查送风管路连接可靠性，接头螺纹必须上紧，不得出现漏风现象。

（2）下钻时不能将钻具直接下到孔底，应在距孔底1m～1.5m处开始送风，当风返回孔口吹约5min后，边回转边下放钻具。提钻前，应先停止回转并继续送风排渣，直至孔底干净后再提钻[4]。

（3）钻深50米以上后，每钻进6.5m（钻杆长度为6.5m）清渣一次，实时观察孔口岩屑数量，直至送风将岩粉彻底返出再继续钻进，在加杆后切忌不可急于进尺、上下窜动和开车回转，以免造成卡钻、埋钻事故。

（4）空气潜孔锤若出现送风不通现象，必须打开空压机放气阀门，待风压稳定后，应迅速提升钻具，观察风压是否下降，若处理无效时，必须提钻消除堵塞物[5]。

6 空气潜孔锤钻进技术优缺点

6.1 空气潜孔锤钻进技术的优点

应用实践表明，空气潜孔锤钻进技术和传统回转钻进技术相比，有以下几方面的优点：

（1）空气潜孔锤钻进技术能够在比较坚硬的基岩地层施工，该技术工艺相对简单，施工效率高，施工工期短，能有效降低施工成本。

（2）空气潜孔锤钻进技术施工的钻孔垂直度高，适合对孔斜要求高的钻孔施工。

（3）对严重缺水地区或供水困难的钻探施工，空气潜孔锤施工工艺是最适宜的施工方法之一。

6.2 空气潜孔锤钻进技术的缺点

（1）由于空气潜孔锤钻进技术使用高压空气作钻进介质，所以在没有含水的地层段钻进时孔口吹出来的灰尘较多，对现场工作人员的健康造成很大的影响，同时对施工设备也造成污染并加重磨损。

（2）对于地层不完整的钻孔，空气潜孔锤钻进技术采用高压空气作为施工介质，对钻孔的护壁十分不利，护壁套管不到位会直接影响钻进效率。

（3）由于空气潜孔锤钻进技术的破岩机理是动载冲击，直接采用该工艺是无法实现取心钻进的[6]。

因此在采用空气潜孔锤钻进工艺的施工现场，不仅要对现场施工人员采取必要的防尘措施，而且还要对钻进产生的灰尘采取减尘、降尘措施。对于取心钻孔来讲，是无法直接采用空气潜孔锤钻进技术进行施工的。

7 施工效果分析

为提高钻进效率和钻孔质量，在本项目采用潜孔锤钻进方法。空气潜孔锤钻进改变了传统碎岩方式，其工作状态为冲击加切削，有效提升钻进效率，同时预防了孔斜的发生。

7.1 钻进效率高

本项目4个176m的充填孔总施工期为3个月，实际施工只用了50天，钻进效率达到了3m/h～5m/h。而以前在该矿区施工同口径的水井时，采用传统回转钻进工艺，钻进效率仅为0.5m/h～0.8m/h，钻进效率是普通钻进工艺的6倍～7倍，大大提高了钻进效率。

7.2 钻孔垂直度高

由于气动潜孔锤钻进工艺的“小压力，慢转速”特点，孔斜度能够控制在1°/100m范围内，在完全满足钻孔孔斜度要求的同时，能确保下管工序的顺利进行。矿方根据测斜数据计算的孔底坐标，在井下巷道内开挖，准确地找到了实际充填孔底位置，完全满足矿山充填系统设计质量要求。充填孔各孔终孔实际坐标参数计算见表3。

7.3 经济效益明显

采用气动潜孔锤钻进工艺施工，不仅缩短了施工周期，还大大降低了各种材料成本，经济收益明显。另外，成孔质量高，一些重复作业大幅度减少，特别是可以实现大直径一次性成孔。采用气动潜孔锤钻进工艺施工，虽然首次投资较大，但因其诸多优点，其经济效益有明显提高[7]。综合计算分析4个176m钻孔的施工费用，综合成本为387元/m，钻进效益是传统钻进方法的3倍～4倍。其经济效益明显比传统施工方法高很多。

8 结语

通过空气潜孔锤钻进技术在七角井充填孔施工中的应用，不仅保质保量的完成了工作任务，而且取得了良好的经济效益。实践表明，空气潜孔锤钻进工艺是目前钻探施工中较为先进的工艺，由于其施工工艺简单，施工速度快，施工周期短，钻孔质量高等特点，特别是在坚硬基岩大口径钻孔施工中前景广泛，值得推广应用。