探究矿山竖井工程勘察孔施工技术及工艺

陈希林

在竖井勘察孔项目招投标或洽谈合同之前，施工单位的项目经理或技术负责人须到新建竖井拟建场地进行实地踏勘，充分搜集了解矿山已揭露的岩土层资料，详细察看场地地形地貌及交通运输条件，考虑机坪如何修筑，水电来源，场地机械设备材料怎样布置，包括施工人员住所都要进行终合考虑，所有这些都要做到心中有数，做出详细明确的竖井勘察孔施工方案，为下步钻孔具体实施提供可靠的依据和指导。

1 竖井勘察孔目的、依据、要求及钻进方法

1.1 竖井勘察孔目的和任务

根据有关规范和委托任务书的要求，实施竖井工程勘察孔主要采用钻探方法查明竖井拟建场地的岩土层结构，各岩土层物理力学性质，以及工程地质、水文地质条件，并对竖井掘进所遇含水层的涌水量进行预测等，对这些条件进行终合评价并提交详细的勘察报告。

1.2 竖井勘察孔的主要技术要求

（1）依据竖井工程勘察任务书，一般要求终孔直径≮￠91mm（也有的要求可≮￠75mm），过滤松散岩层，抽水滤器直径≮￠127mm，终孔深度大于竖井深度3m～5m。

（2）岩心采样率要求：全孔取心，土层及基岩岩芯采样率要＞80%，重点标记的岩层要保证岩心采样率＞85%，砂层，破碎带、软弱夹层及溶洞中，岩心采样率＞65%，采用物探测井法测定层位。

（3）每钻进20m测斜一次，测出钻孔的倾角、方位角、钻孔斜率，钻孔偏斜率＜1.5%。

（4）每班记录好钻探原始记录、每班测量动水位、终孔测量静止水位、测量水温度、按要求分层做抽水试验、包括执行岩心钻探的六大技术指标要求等。

（5）对主要含水层进行分层抽水试验，不得使用泥浆，抽水试验前须需进行洗井等。

（6）在钻孔中应同时配合进行工程物探和原位测试，并应符合下列要求： 竖井勘察孔内应全孔进行声波测试，孔内竖向测点间距不宜大于5m，在岩溶地区的工程，宜采用钻孔电磁波法探查岩溶分布和规模，在高地应力地区应进行地应力测试，对全孔应进行孔内温度测量。

（7）采用M10水泥浆封孔，设永久性标志。

2 竖井工程勘察孔钻进方法

（1）按机械碎岩方式分有回转钻探、冲击钻探、冲击回转钻探等；按碎岩工具或磨料分有钢粒钻探、硬质合金钻探、金刚石钻探、复合片钻探、牙轮钻头钻探等；按获取岩心的方式分有提钻取心、绳索取心、反循环连续取心取样等。

（2）地质岩心钻探采用的主要钻探方法有硬质合金钻探、金刚石钻探（含绳索取心钻探）、复合片钻探、冲击回转钻探、定向钻探、反循环取心取样钻探等。

（3）确定钻探方法的基本原则：应满足地质要求和任务书（合同）确定的施工目的；在适应钻进地层特点的基础上，优先采用先进的钻探方法；以高效、低耗、安全、环保为目标，保证钻探质量、降低劳动强度，争取好的经济和社会效益，适应施工区域的自然地理条件。

（4）钻探方法的选择：主要依据岩层特点，岩石硬度、研磨性及完整程度，结合口径、钻孔深度等，选定钻探方法。竖井勘察孔适宜采用多级口径金刚石或PDC复合片钻进，绳索取心技术工艺。

3 竖井工程勘察孔施工技术及工艺

3.1 勘察孔主要工序

包括钻定孔位→平整场地与修筑机坪→安装钻探设备及附属设备→临时设施建造→安装验收→开孔前的准备工作→开孔及下孔口管→换径→钻进→岩矿心整理和保管→其他工作（下套管、校正孔深、简易水文观测、钻孔弯曲测量）→终孔起拔套管→封孔→废浆处理和场地环境恢复→钻孔验收→拆迁。

3.2 钻孔结构的选择

施工钻孔时，要充分考虑场地岩土层条件、钻孔深度、终孔直径、钻进方法、护孔措施和设备情况，合理选择开孔直径、换径次数与深度、套管程序等。

一般竖井勘察孔设计孔深大多为300m～1000m左右的深孔，依据地层的复杂程度，开孔口径可选取Φ200mm、Φ170mm、Φ150mm单管金刚石或PDC复合片钻头开孔，隔离上部易坍塌层后，换径钻进到微风化岩石，再换径为Φ130mm金刚石钻头或PDC复合片钻头钻进至120m左右；下Φ127mm套管或滤水管，做抽水试验，以下换径S114mm金刚石绳索取心钻进，钻进到200m以上，地层越复杂越需钻进至更深，然后再换径S95mm金刚石绳索取心钻进，如勘察任务书要求Φ91口径终孔则钻进至终孔，如允许Φ75mm口径终孔，则下步可换径S76mm金刚石绳索取心钻进直至终孔。

3.3 钻探设备的选择

应根据钻孔设计深度、岩土层条件、钻进方法以及钻孔设计结构等，合理地选择钻探设备，应尽量选择电动机动力机。推荐使用地勘单位拥有并广泛使用的性能可靠稳定的立轴钻机如XY-4、XY-42、XY-44、XY-5、XY-6系列钻机；有条件的单位也可使用进口或国产的合适的全液压动力头钻机，这种机型更轻便钻进效率更高，但对于复杂地层施工也不是很适用，比较适用于完整地层钻进。泥浆泵的选择浅孔可选BW-150泵，深孔宜选BW-250、BW-320泵；钻塔宜采用HCX13.5米、HCX18米四角塔；打捞绳索绞车宜选JS1000型以上；测斜仪最好选择可随钻测斜的陀螺仪，这种仪器精度高且不受磁场影响，但是价格昂贵成本较高，其次也可选用电子读数罗盘测斜仪或普通罗盘测斜仪，也可满足钻孔测斜要求；抽水试验可选用不锈钢深井潜水泵，根据流量的大小选2台～3台大约流量为3t/h～15t/h深井泵备用，当然也可采用空压机进行抽水试验；测量水位水温的仪器最好使用测绳带刻度电子报警测水位仪器。

3.4 冲洗液与护壁

（1）开挖泥浆池长宽均为2.5m，深2.0m，要求开挖方正，并设立标尺，挖长宽深均1.5m的沉淀池，设立总长15m以上循环槽。

（2）开孔钻进使用普通钠基泥浆钻孔，换径后使用乳化液冲洗液，岩层轻微破碎，漏失较轻地层使用PHP做冲洗液及护壁，只漏不坍地层，为节约皂化液及PHP，可在钻杆上涂抹二硫化钼润滑脂润滑钻具，不同岩性的地层，对冲洗液性能配置要求：岩石较完整，钻孔不漏失，用乳状皂化液洗孔；对轻微漏失、坍掉和缩径的钻孔，采用无固相作冲洗液，即PHP+皂化液洗孔润滑；严重漏失，但不坍塌岩层，采用清水加润滑剂如葵脂酸钠溶解作冲洗液，钻杆涂抹二硫化钼润滑脂减阻钻进；遇到坍塌缩径垮孔的水敏地层时，可选用PHP+水玻璃无固相冲洗液或低固相泥浆+植物胶SD-2+纤维素（CMC）+腐植酸钾（KHm）等钾基类防塌性能好得泥浆，具体配方需采取岩样进行浸泡试验确定；在使用PHP做冲洗液时，PHP必须实施水解，以保证冲洗液质量，且达到护壁、润滑又能起到冷却钻头的作用。

3.5 钻进工艺需要注意的要点

（1）大口径普通金刚石钻具级配要合理，绳索取心钻杆材质必须是45MnMoB或XJY850，钻杆钻具需调质热处理表面硬化,更换接头时丝扣要涂抹环氧树脂胶拧紧。

（2）金刚石钻头的选择，要根据岩石的硬度及研磨性，选择相适应金刚石颗粒大小及胎体硬度，绳索钻头外径宜加大1～2mm，如￠75钻头加大至￠76mm，扩孔器￠76.5mm，可以适当加大钻杆柱与井壁的环状间隙，有利于冲洗液循环与岩粉排除。岩石坚硬“打滑”地层钻进，可采用“投砂”方法研磨钻头使金刚石胎体出刃，以提高钻进效率，但应注意控制“投砂”量，并选择胎体硬度适应性较强的钻头；尽量选择高品级或进口金刚石高胎体长寿命金刚石钻头，减少提大钻的次数，提高小时效率，缩短过期，提高经济效益。

（3）每班都要检查钻具性能是否良好，水路是否畅通，发现问题及时解决方，防止发生事故。

（4）拧卸钻杆时要涂抹丝扣油以保护接头丝扣，深孔提大钻后下钻杆时应先缠生胶带，然后再拧紧钻杆防止接头部位冲洗液泄露，以杜绝烧钻事故发生。

（5）各种设备的仪表要齐全，灵敏度要高，发现失灵的仪表一定要及时更换。

（6）钻进时发生岩心堵塞，必须立即打捞,防止由于岩心堵塞、给进压力增大，钻头异常磨损并发生烧钻事故。

（7）发生烧钻时，应立即将钻具用立轴提离孔底300mm～500mm再停止立轴回转，不得先关离合器再提钻，避免造成严重的烧钻事故。

（8）岩心采取率：钻探过程中全孔取心，要求在破碎带及溶洞中不应小于65%，在基岩和粘性土中应不低于80%,多年来的经验证明采用绳索取心钻进工艺，一般全孔岩心采取率可达95%以上，完全可以满足并超过技术要求的指标；岩心必须洗净后按上下顺序排列在岩心箱内，不得颠倒、混淆，并对岩心进行编号。

（9）每钻进20m测斜一次，测定倾角、方位角，计算出钻孔偏斜率，全孔偏斜率控制在1.5%以内，若发生偏斜率超标，应进行及时纠偏。

（10）封孔：钻进结束后，要冲洗清除井壁及孔底岩粉，做完抽水试验，物探电测井、声波测井等全部工作后，拔出全部套管，采用不低于M10的水泥浆严密封孔，并在孔口埋石设永久性标志，写明孔深、开孔、终孔日期。

（11）岩心保管：岩心要保管好，不得丢失，拍摄全部岩心照片，待检查验收后放入指定岩心库移交给甲方。

4 抽水试验

根据现场踏勘和已有的地质资料，场地的含水层一般主要有岩溶裂隙含水层和深部断层承压水。根据场地水文地质条件和委托任务书要求，一般需进行2次～3次分层抽水试验，具体依据竖井地质勘察任务书及有关规范执行。

5 竖井工程勘察孔产生偏斜的原因及防斜纠斜措施

竖井勘察孔设计是90°垂直孔，偏斜率指标＜1.5%，相当于0.86°/100m，比《岩心钻探规程》要求的直孔2°/100m更为严格，是竖井勘察钻孔成功与否的关键性指标，一旦超差轻则导致验收不合格，重则可能导致钻孔报废，将造成极为严重的经济损失，所以钻孔的防斜与纠斜就显得极为重要，也是本文探究的主要技术之一。

5.1 钻孔发生偏斜的三个主要因素

（1）地层原因：岩石的不同种类，如沉积岩、变质岩、岩浆岩表现出不同的各向异性，在岩石的各个方向上表现出不同的强度、硬度，同一类岩石因产状、倾角、硬度、软硬互层以及与钻头接触的夹角不同也会产生不同的偏斜力，这些都会对钻孔的偏斜产生一定的影响，同一类岩石在不同的地点对钻孔也可能有不同的偏斜效果，这需要熟悉地层并摸索掌握其中的规律。

（2）钻压过大原因：钻进过程中给钻具施加的钻压过大，很容易引起钻孔偏斜，钻杆柱在重力的作用下，可以分解为两个分力，一个分力可以促使钻杆不断向下，另一个分力可以促使钻具紧靠孔壁一侧偏离钻孔中心。

（3）钻机安装和钻具组合的特性原因：钻机安装和开孔：如果钻机安装底座不水平，机杆不垂直，天车、立轴、孔口三点不在一条线，开孔就可能出现偏斜；钻杆柱直径与钻孔口径级差过大级配不合理，钻进过程中也很容易导致孔斜。

5.2 钻孔防斜的技术措施

防止钻进过程中出现孔斜过大是重中之重，务必采取一切有效措施保直防斜，主要措施如下：

（1）钻机立轴（导管）不能旷动，滑道锁紧，机杆要直，钻进时机上余尺尽量小于3m，坚持使用下卡盘，防止机杆振动不平稳，使用轻巧的高速水接头，保持机杆上部不摆动。

（2）首先修筑机坪时要保证地基坚实平整，必要时机坪打一层15cm钢筋砼，或者在钻塔四角位置打砼墩以防地基下沉，钻孔位置打1m×1m×1m砼墩以防开孔后井口塌陷导致井口管歪斜，安装时保证钻塔底座周正水平，确保钻塔荷载最大时底座不会出现不均匀下沉。

（3）把好开孔关：钻机安装要周正水平，机杆要校直，机杆要对中上下卡盘中心，要用经纬仪或激光水平仪90°交叉垂直校正立轴与机杆，确保机杆与开孔钻具处于90°垂直状态，经项目部地质人员机台共同验收合格后方开孔钻进，开孔钻具要逐级加长，保持钻具刚直具备良好的导正性。

（4）开孔完毕下好孔口套管后，孔口管要固定牢固，逐级换径过程中，一定要使用导正钻具，粗径钻具上部要加导正器，使用刚性好的长粗径钻具钻进，以保证开孔和换径过程中钻孔的垂直度。

（5）机台配备一套罗盘测斜仪或陀螺仪，每钻进20m测一次斜，保证钻孔偏斜率不超1.5%，如发现偏斜率超过，必须停止钻进，找出原因，采取相应的纠斜措施。

5.3 采用合理的钻进工艺及操作方法

（1）在上部井段钻进中，要轻压慢转，控制井斜，防止偏磨。严格控制孔壁环状间隙，以减小偏斜角，有效的控制钻孔弯曲，必须做到：使用刚性好，长而直的岩心管。不要频繁更换钻进方法，以免造成孔壁间隙不均匀。

（2）减小钻杆挠曲度，减小粗径钻具的偏斜力，提高钻具的稳定性，钻压、转速应控制在规程范围内，过大的钻压和过高的转速都会使钻杆挠曲增大。大直径孔段使用扶正器以扶正稳定钻具。

（3）普通金刚石钻进使用刚性好的钻具，对易斜孔段使用加长钻具和增加扩孔器数量的方法，提高钻具刚性和直径，增加钻具稳定性；采用绳索取心钻进工艺，减小环状间隙，绳索取心钻进是属于满眼钻进，环状间隙小级配合理，有利于钻杆和钻具的稳定，不容易产生孔斜。

（4）合理选择钻进技术参数，钻压不能过大，不能盲目加压追求进尺，超过100m以后宜减压钻进，钻压大小应根据岩石软硬合理选择；转速也要比较适中，不要时快时慢，尽量保持钻进速度均匀稳定；泵量也要适当，不能过小也不能过大，泵量过大会强烈冲刷孔壁，可能造成井壁间隙过大，容易导致孔斜，绳索取心孕镶金刚石钻进技术参数选择参考值如下：

￠75口径钻头压力10KN～12KN，转速400r/min～800r/min，泵量40L/min～70L/min；￠91口径钻头压力12KN～15KN，转速350r/min～700r/min，泵量60L/min～90L/min；￠110口径钻头压力14～16KN，转速250～500，泵量90L/min～100L/min；

￠130口径钻头压力16KN～20KN，转速200r/min～400r/min，泵量100L/min～130L/min；￠150口径钻头压力18KN～22KN，转速220r/min～300r/min，泵量120L/min～150L/min；￠170口径钻头压力20KN～24KN，转速80～250r/min，泵量130～180L/min。

（5）在易斜井段钻进时，要严格执行定段长测斜的措施，测不成不能继续打钻。如果孔斜超标，应立即采取纠斜措施。

5.4 纠斜技术措施

（1）在施工过程中一旦出现钻孔弯曲出现超标，要及时纠斜。因此要配备用于钻孔纠斜的钻具，纠斜钻具可以考虑选用LZ型连续造斜器。LZ型连续造斜器结构及使用参见有关技术资料。

（2）此种连续造斜器又称无楔体连续造斜器。它利用专门机构产生偏斜力实现定向造斜。该造斜器是同径造斜，一次成孔。造斜后孔身呈平滑曲线状，无“狗腿”急弯。

（3）螺杆马达纠斜：螺杆马达是地质勘探中应用很广泛的纠斜工具，是一种以钻井液为动力，把液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具。国内有厂家出售￠91和￠75口径的螺杆马达，纠斜效果也很好，可以考虑选择作为竖井勘察孔纠斜工具，具体结构及操作在此不作详述。

6 施工管理

建立精干高效的施工团队，选用业务素质高和工作责任心强的员工，施工之前组织技术交底，团队员工都能熟练掌握施工工艺和质量控制，明确自己的岗位职责，强化安全质量意识，交接班密切配合，整体有序高效运转。技术管理人员须加强现场施工指导，每班都要现场全面检查落实各项工作，发现问题及时处理。地质技术人员要及时依据岩层的变化，提示严格采取防斜措施，督促落实各项技术指标都能满足技术要求，确保钻探施工安全有序顺利进行。

7 结语

竖井工程勘察孔施工具有一定的难度，组建精干高效的项目施工团队,施工之前现场踏勘调研，拿出切实可行的施工方案，选用合理高效的钻探工艺技术措施，对可能遇到的困难提前做好预案，安排技术能力强经验丰富的机台人员实施竖井工程勘察孔施工，同时强化安全管理力度，在保证施工质量同时，力争做到安全、快速、优质、高效完成施工任务，方能取得良好的经济效益。