河南栾川钼矿多层采空区充填井成井工艺

张 鑫， 王茂森

(吉林大学建设工程学院，吉林 长春 130026)

0 引言

我国钼矿资源丰厚，总探明储量有840万t，矿区分布在我国29个省份，以河南省钼矿最为丰富，其次是陕西省、吉林省，这3个省的钼矿储量约占全国的56.5%。国内大型钼矿有河南栾川钼矿、陕西金堆城钼矿、吉林大黑山钼矿等。由矿区开采造成的多层采空区如何有效进行支护处理等问题，对矿区的安全生产造成了不小影响。

栾川钼矿最早采用地下开采，产生了大量的单层或者多层采空区，采空区的高度也从几米到几十米不等。之后很多矿区由地下开采转为露天开采，采用露天开采需要对岩石进行松动，采用爆破手段，在爆破时，对下部岩石产生强烈冲击，使岩石的裂隙更加扩大，活动岩块增多，给勘探钻进带来了极大的困难。本文综合考虑了多层采空区的周边地质环境和矿区开采情况，研究了多层采空区充填井成井工艺，解决常规的采空区支护处理技术的局限性。

1 栾川钼矿区地质地层概况

河南栾川钼矿是我国最大的钼矿之一，矿区内地质条件复杂，有大断层分布呈NWW-NW向展布，有较为发育的空隙，活动的岩块较多，有比较广的破碎带，矿区内主要以角岩型、斑岩型和矽卡岩型为主，角岩型很大一部分分布在地表，还有一小部分矽卡岩。矿区内出露的地层主要为栾川群南泥湖组和三川组，矿区主要开采的钼矿体大部分分布在南泥湖组中下段地层，三川组也有分布。矿区围岩主要为栾川群三川组大理岩，受接触交代作用形成透辉石矽卡岩和石榴石矽卡岩，是三道庄钼钨矿主要含矿层位;还有南泥湖组二云母片岩、石英岩等，受热接触变质作用而形成黑云母长英角岩、透辉石长英角岩等，是南泥湖钼矿的主要赋存层位。这些地层特征决定了要在矿区进行采空区充填井成井支护处理，必须考虑到采空区顶底板的岩性和岩石的破碎对支护处理的影响。

2 目前国内处理采空区的方法

我国目前处理采空区的方法有以下几种：

(1)强制崩落围岩；

(2)围岩自然崩落充填采空区；

(3)用矿石垫层将作业区段和采空区隔开；

(4)用废石、选矿尾砂或尾砂加其它胶结材料充填采空区；

(5)预留永久矿柱支撑采空区；

(6)矿柱支撑和充填联合处理采空区；

(7)密闭采空区；

(8)以上几种方法联合处理采空区。

以上现有的几种采空区处理技术均有其特点，适应于不同的采空区，但对于处理多层采空区充填井成井支护的技术问题有一定的局限性。

3 钼矿多层采空区治理设计与施工

3.1 钼矿多层采空区治理钻井结构设计

钼矿空区存在很多的碎石渣堆积占地问题，并且在处理多层采空区时采用传统爆破并不能解决问题，因此综合河南栾川钼矿采空区的工程概况，本次治理多层采空工程采用充填井成井工艺的治理方案。具体方案是通过在地表使用小直径钻具结合潜孔锤反循环钻进进行开孔，探测第Ⅰ层采空区的高度和方位，得到采空区的位置和顶底板高度，并继续钻穿第Ⅰ层采空区直至得到该空区的准确层数和分布状况。在勘探任务完成后，采用大直径钻具进行扩孔，并灌入碎石，下入注浆设备将水泥和周遭碎石凝结成坚实的碎石桩以完成第Ⅰ层采空区的充填井成井支护处理。在第Ⅰ层治理形成的碎石桩基础上继续用大直径钻具进行扩孔，直至第Ⅱ层采空区底板，并同样采用第Ⅰ层采空区治理方法，将第Ⅱ层采空区完成充填井成井支护处理。探测到三层采空区，同样采用这种方法来完成对该钼矿空区的治理。这样治理形成的碎石桩对各层采空区起到支撑作用，保证采空区的安全稳定。钻井结构如图1所示。

3.2 钼矿多层采空区勘探

要对采空区进行充填井成井支护处理，必须对采空区进行勘探，以得到采空区的地下形态特征、大小、范围等。根据栾川钼矿多层采空区的特点，试验了多种勘探方法，经过比较决定采用以下几种方法。

图1 钻井结构示意图

(1)CSR局部反循环快速钻进法:在钻孔底部，潜孔锤回转破碎岩石的同时，利用正循环将碎岩屑携带上行，至连接在潜孔锤上方的交叉接头，进入到双壁钻杆的中心通道，将岩屑带出。

(2)潜孔锤反循环钻进法：采用反循环钻具系统实行贯通式潜孔锤反循环连续取心钻进的一种方法。

(3)跟管钻进法：利用潜孔锤在压缩空气时产生的周期性冲击作用，使套管靴向下运动，与此同时套管靴带动与其相连的套管向下运动，从而实现跟管钻进。

在每种钻进方法中通过实时控制潜孔锤钻压、转速、供风量等措施，在采空区底板形成平面，再开孔钻进，以保证底板开孔轴线与顶板钻孔轴线在同一直线上。

针对钼矿空区地质结构复杂、地下采空区纵横交错、空间分布特征规律性不强和采空区底板不平整的特点，综合采用以上几种方法进行采空区的勘探。

3.3 施工设备及其主要参数

DPQ900XH/1150XH型空压机，压力34.5/25 bar，风量25.5/32.6 m3/min；TH14型潜孔锤，外缸直径330 mm，风压17～24 bar，耗气量70.3 m3/min，钻头直径450 mm；GSD-111型钻机；C-ALS钻孔式三维扫描仪；SP219型跟管。

3.4 多层采空区充填井成井工艺

在勘探的基础上，为避免采空区的塌陷或坍塌，需要对采空区进行处理。针对栾川钼矿采空区的特点，研究一种充填井成井工艺来对空区进行处理。具体方法如下。

(1)图2所示是多层采空区充填井成井流程。从地表向地下钻孔，用钻杆、潜孔锤和潜孔锤钻头的钻具组合，钻进直径较小的钻孔到第Ⅰ层采空区底板,可以得到其深度为33 m,第一层采空区深度为11 m。

1-钻杆；2、4-潜孔锤；3-潜孔锤钻头；5-钻头；6-碎矿石；7-注浆钻杆；8-注浆管；9-喷嘴；10-导向钻头；11-水泥碎石桩；12-钻头；13-潜孔锤跟管钻头；14-套管靴；15-套管

(2)将钻具取出，下入激光扫描仪探测采空区三维形态，再从孔中下入井下电视，观察底板表面的平整程度，以确定在采空区底板的钻进工艺；根据采空区底板的情况，选择潜孔锤反循环钻进方法钻穿采空区，以便垂直在第Ⅰ层采空区底板上开孔。

(3)将井下电视和激光扫描仪取出，下入合适钻具，继续钻进至第Ⅱ层采空区的底板，探明第Ⅱ层空区位置，将钻具提出孔外；下入井下电视，确定第Ⅱ层采空区的空间状态，并得到了第Ⅱ层采空区深度为10.2 m，重复上述步骤，钻穿下一采空区。

(4)选择钻杆直径110 mm、潜孔锤直径300 mm、钻头直径450 mm的大口径钻具组合，将图2(a)中的小孔扩大至设计口径。

(5)将钻具取出，从已钻成的大口径钻孔注入碎矿石，直到第Ⅰ层采空区顶板。再次下入大口径钻头，在碎石堆顶端回转，使锥体碎矿石顶部面积扩大，再提钻继续灌注碎矿石至空区顶板。

(6)在形成的锥体碎石堆中，采用上述小孔径钻进方法，下入注浆钻杆、注浆管、带有喷嘴的导向钻头，在碎石中钻进，钻进至第Ⅰ层采空区底板后，开动注浆泵，使水泥浆液从喷嘴高速喷出，进入碎矿石中，再缓慢向上移动钻具钻头，使水泥浆液尽可能地向周围高速喷射，与碎石胶结形成较大直径的水泥碎石桩。

(7)待水泥浆液和碎石固结后，用上述大口径钻进方法将碎石桩钻穿。这就完成第Ⅰ层采空区的充填井成井支护处理。如图2(e)所示。

(8)重复上述(4)～(7)步骤可处理第Ⅱ层及以下采空区。为防止部分碎石在灌入过程中造成卡堵，在形成大径钻孔后再下入无缝套管。如图2(f)所示。用潜孔锤跟管钻头带动套管靴，套管靴带动套管，使套管底端进入充填采空区的顶板处，在地面把孔口板和套管顶端焊接在一起，防止套管滑落入孔内，即可进行碎矿石充填工作。

本次试验目标是对第Ⅲ层采空区进行充填井成井支护处理。由前期对多层采空区的勘探得到第Ⅰ层采空区顶板距地表22 m，第Ⅱ层采空区顶板距地表51 m，第Ⅲ层采空区顶板距地表83 m，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ层采空区的高度分别为11、10.2、30 m。用于对3层采空区成井支护处理的碎矿石达上万立方米。结合现场实际情况，采用上述充填井成井工艺，对第Ⅲ层采空区完成了充填井成井支护处理。该钼矿多层采空区支护处理自2012年施工以来，至今未发生过坍塌和失稳现象，并且该矿区还在持续有效的进行钼矿开采。这说明这种采空区充填井成井支护处理起到了良好的支护效果。

4 结论

(1)不同矿区采用不同的勘探方法，针对栾川钼矿的特点，综合了多种勘探方法进行采空区的勘探，为多层采空区充填井成井支护处理提供有利条件。

(2)试验采用充填井成井工艺对多层采空区进行成井支护处理，并取得了良好的社会效益和经济效益，同时这种工艺为处理多层采空区坍塌、保障矿区的安全生产提供了借鉴。

(3)对于堆积在矿区的碎石渣等进行了有效的回收利用和处理，利用碎石渣充填井成井工艺处理采空区是一种绿色处理方式，有利于保护矿区环境和有效利用工程施工占地。