杨家湾铁锌矿充填孔钻探施工技术

曾石友，孔二伟，李金朋

（河南省地矿局第四地质勘查院，河南郑州450001）

杨家湾铁锌矿充填孔钻探施工技术

曾石友，孔二伟，李金朋

（河南省地矿局第四地质勘查院，河南郑州450001）

矿山开采产生大量的尾矿砂，给生态环境带来非常严重的破坏和灾害。采用充填采矿法采矿，是矿山减少矿产资源浪费和环保的一项新技术，社会效益、经济效益极为显著。以杨家湾铁锌矿充填孔施工为例，介绍了该孔的设计、主要技术要求及钻进技术参数，提出了应用绳索取芯技术施工先导孔，以提高中靶的准确率；正确使用钻具组合，每25m测斜一次以防止钻孔弯曲、下管、固井等切实可行的施工工艺及技术。

矿山充填孔；钻探设备；钻进工艺；施工技术

1　工程概况

1.1矿区概况

杨家湾铁锌矿区位于河南卢氏县城西南25km，以磁铁矿、铁闪锌矿为主，伴生有铟和镉。矿区控制、圈定3个矿体，即Ⅰ、Ⅱ号矿体规模很小，矿种和矿石类型都比较复杂。Ⅲ号矿体规模大，矿石类型简单，几乎全为铁锌矿石，是最主要的矿体。Ⅰ号矿体分布在矿段西部，矿体厚度较薄，8～10m，矿体走向近东西、南倾，倾角40°～60°。矿石品位较低，铁的品位22.5%～35.10%，锌品位0.41%～2.36%。Ⅱ号矿体分布在矿段中西部，长度为800m，厚度为8～12m，矿体走向西段南西西，东段南东东，南倾，倾角30°～60°，西陡东缓。矿石品位低，铁品位24.89%～34.11%，锌品位0.34%～1.98%，单锌矿品位1.66%～3.61%。Ⅲ号矿体分布在Ⅰ矿段东部，长度为600m，矿体厚度4.5～47.4m，平均厚度29m，矿体走向总体南倾，倾角55°～27°，西陡东缓。矿石品位相对较高、较稳定低。单孔铁品位31.96%～33.77%，矿段平均品位32.73%；单孔锌品位1.63%～3.20%，矿段平均品位2.94%。

1.2钻遇地层

本孔所揭露的地层为砂砾石层、砂砾岩、矽卡岩化闪长斑岩、绿帘透辉矽卡岩、正长斑岩、矽卡岩化正长斑岩及磁铁矿石、锌矿石、黑云母大理岩、透辉大理岩等，岩石可钻性等级约为4～8级。

1.3钻孔结构

（1）0～14.50m段为第四系砂卵石层，为保证施工安全和施工质量，将孔口护壁管下到第四系底界面以下5m。

该段孔径为Ø265mm，下入Ø245mm×7mm井壁管，并用水泥浆（图1）封固护壁管。

（2）14.50～283.00m段为基岩段，孔径为Ø220mm，下入Ø133mm×15mm的16Mn钢管为充填管，充填管下设至400m标高水平，并用42.5级水泥浆固管。

（3）充填孔成井示意图见图1。

1.4技术要求

（1）本充填孔孔口地表施工标高约为680m，孔底标高为400m，垂高280m。钻孔坐标：

X=3759692.118，Y=37490701.212

（2）充填钻孔为垂直定向钻孔，在258°±20°方向偏斜度要求小于2.5%，其他方向偏斜度要求小于2.0%。

（3）充填管采用Ø133mm×15mm的16Mn钢管，采用梯形螺纹连接，下管丝扣用强力胶粘结或焊接。

（4）充填管下入后，充填管与钻孔间隙用800#G级油井水泥浆或42.5级水泥浆固井，水泥固井后及时对钻孔进行扫孔。

2　主要设备选择

充填孔施工采用的设备和机具为：连云港黄海探矿机械厂生产的HXY-6型岩芯钻机、张家口探矿机械厂生产的SGZ-18型钻塔、衡阳探矿机械厂生产的BW-250型泥浆泵、苏州市苏新探矿工具厂有限公司生产的S122mm绳索取芯钻具及S114绳取钻杆。钻机施工能力钻深1500～2000m（Ø75mm口径），另配BW-320型泥浆泵（扩孔及固充填管时压水泥用）、0.5m3泥浆搅拌机。

3　施工工艺

3.1充填孔施工流程

定孔位→场地平整与修筑地基→孔位坐标复测→安装钻探设备及附属设备→安装验收→开孔前的准备工作→开孔下入孔口管→换径→钻进→其他工作（主要是钻孔测斜与轨迹控制）→扩孔→下入充填管→管外水泥固井→透孔→废浆处理和场地环境恢复→完井验收→拆迁。

3.2钻进方法

一开采用Ø200mm单管金刚石钻头钻至15.40m，下入Ø194mm套管护壁；二开采用Ø170mm单管金刚石钻头钻至25.80m，下入Ø168mm及Ø146mm套管护壁；三开采用Ø122mm金刚石绳索取芯钻进技术钻至目的层（400m标高）。接着使用自制的Ø265mm单管金刚石钻头扩孔至15.40m，下入Ø245mm护壁套管并固井；再使用Ø220mm的三牙轮钻头扩孔至283.00m终孔。终孔后，下入Ø133mm×15mm充填管282.0m。因充填管的重量达13.15t，为了减小钻机大钩载荷，保证下管的安全性，采用浮力法（即充填管脑袋为实心）下管（每20m左右设置一组扶正器）。充填管下到位置后，采用42.5级水泥浆固管，停待72h后扫孔，达到完井目的。

3.3钻进技术参数

钻进参数的选择应主要考虑设备机具能力和实际需要。在设备性能允许的情况下，尽量采用高参数。实际施工中采用的钻进参数如下：

正常钻进参数：钻压：15～20kN；转速：300～600r/min；泵量：90L/min。

扩孔钻进参数：钻压：25～35kN；转速：250～400r/min；泵量：165L/min。

3.4冲洗液

根据本孔地层情况选用优质植物胶泥浆，其配方如下：

合理使用植物胶及CMC，控制好冲洗液粘度，提高岩粉上返量，有效地提高钻进速度，缩短钻井周期。泥浆性能：密度1.05～1.10g/cm3；粘度22～30s；失水量小于12～15mL/30min；pH=9～11，其配方为：土粉40.0kg+纤维素1.05kg+植物胶1.05kg+腐植酸钾3.0kg。钻进中视地层情况可随时调整泥浆性能。

泥浆的净化泥浆使用振动除砂器、人工捞砂和长槽沉淀相结合的方法。泥浆的日常维护：每班测1次泥浆性能指标，记录备查，每班要2次清理沉渣。现场应备足锯末、棉籽壳等惰性堵漏材料。钻进中如孔内发生漏失，及时采取堵漏措施。

3.5充填孔施工技术要点

3.5.1防斜、纠斜措施

保证安装质量，把好开孔、换径关。钻机钻塔机械设备安装牢固、水平，开孔前认真找正“三点一线”。开孔使用的粗径钻具要直，连接后应同心。

正确采用钻进工艺方法。要保持压力均匀，换层时要减压钻进，扩孔时靠牙轮钻头底部导向。钻进中中途测斜是预防钻孔弯曲的有效手段。每钻进25m测斜1次，每次测斜要认真做好记录，准确绘制钻孔轨迹图。

3.5.2钻孔坐标的准确性

充填孔设计一般位于主巷道壁一侧的几米范围内，充填孔施工后，需在主巷道内按钻孔坐标寻找充填孔底部。若钻孔坐标不准确，就无法找到钻孔，所以充填孔钻孔坐标的准确性显得特别重要。钻孔坐标的准确性必需做好2点∶一是钻孔开孔时，要测准孔口坐标（基准坐标）；二是把好钻孔测斜关，采用STL-1JW防磁陀螺测斜仪进行测斜，每25m测斜1次，要求下孔前对仪器进行精度校验，孔内每次同点位置要复测，钻孔只要测得顶角数据都要测方位角。

3.5.3下管及固井

（1）下管作业。由于充填管的重量达13.45t，采用

浮力下管法。下管前用相同直径的探井器进行探井顺孔，对扩孔钻具准确丈量，保证下管深度准确。认真检查钻塔，钻机离合器、升降机制动带、游动滑车、钢丝绳和各处钢丝绳卡。井管夹板应用厚20mm钢板制作，并根据管材重量加焊3～4道加强筋。上、下管之间焊接要牢固。在提吊井管时要稳拉、慢放，下管遇阻时不得猛墩。确保安全下管。

（2）固井工作。固井前应对固井设备（泥浆泵、发电机组等）进行检查，注浆管路及注浆泵为用一备一，确保固井工作顺利进行。

（3）冲孔。充填管下到位置后，先用稀泥浆冲孔换浆，当孔内泥浆密度降为1.02～1.05g/cm3后用清水再冲孔1h左右再灌注水泥浆。

（4）制浆。条件允许时应采用混凝土制浆站制浆。固井采用425#水泥，水泥、水、外加剂用量和替浆量应准确计算。

（5）注浆。灌注时中间不能停顿，要求新制水泥浆液不停顿地供应水泵灌注，直到水泥浆由孔口返出后即可停泵。泵浆完成后进行替浆，准确计算替浆量。

（6）固井注意事项。固井同时要备水泥浆样品。泵浆结束，替浆完成后将管口固定在孔口护壁管中心，保持管口、天轮、转盘中心在同一垂直线上。固井完成后，待水泥候凝72h，查看水泥浆样品符合要求时，下钻扫孔到目的层位。

4　结语

（1）充填孔施工，防斜保直最为关键。施工中要以防为主，钻具同心度要好，准备足够的扩孔器（扶正器），不能以“牺牲”钻孔质量而追求效率，一旦发现孔斜现象，及时采取纠斜措施。

（2）自制的Ø265mm单管金刚石钻头（图2）顺利穿过砂砾石层，并钻进完整基岩。

（3）扩孔时，由于孔径大，泥浆上返速度一般都小于0.5m/s，岩粉不能及时排出，大颗粒岩屑在孔内重复破碎降低钻效，同时存在埋钻的事故隐患。因此，除使用振动除砂器及时处理泥浆中的岩粉外，应采取措施提高泥浆的粘度。有条件的建议使用气举反循环钻进工艺。

（4）选择合理的钻探设备、管材及施工工艺。使用常规的岩芯钻机及Ø122mm金刚石绳索取芯钻进工艺施工先导孔，减少孔壁与钻柱的环状间隙，防止孔斜；扩孔采用镶齿牙轮钻头，降低施工成本，提高扩孔效率。

（5）成井后采用“慧磁”钻井导向系统测斜，精准确定测点与钻孔终点之间的距离。

图2　自制Ø265mm钻头

［1］朱恒银，等.矿山充填孔及尾砂矿充填回采技术的应用与探讨［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2009（增刊）.

［2］曾祥熹，等.钻孔护壁堵漏与减阻［M］.1981.

［3］汪拾金.较大口径垂直定向基岩孔施工技术初探［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2005，54（11）.

［4］乌效鸣，等.钻井泥浆与岩土工程浆液［M］.武汉：中国地质大学出版社，2002.

［5］卢氏杨家湾铁锌矿充填孔施工组织设计［E］.内部资料.

P618.31

B

1004-5716（2016）01-0085-03

2015-01-12

2015-01-13

曾石友（1973-），男（汉族），河南卢氏人，高级工程师，现从事岩芯钻探、水文水井钻探等工作。