小曲率侧钻工艺在矿山帷幕注浆中的应用研究

贾伟杰

小曲率侧钻工艺在矿山帷幕注浆中的应用研究

贾伟杰

(华北有色工程勘察院有限公司，河北 石家庄 050021)

针对矿体埋深较深、所处地层高角度裂隙发育且须在井巷工程内施工的特殊帷幕注浆工程，传统矿山止水帷幕钻探、注浆等施工工艺已不能满足要求，在此基础上研发了小曲率侧钻设备及其施工工艺，并通过工程实施，证明了小曲率侧钻工艺在矿山帷幕注浆中的适用性，它对于井巷自身稳定性、减少钻探工作量、揭露导水裂隙、保证注浆效果等方面具有重大意义。

小曲率;侧钻工艺;柔性钻杆;帷幕注浆

0 前 言

采用帷幕注浆的方式进行大水矿山的地下水治理已经成为一套经过实践证明切实有效的、常用的地下水治理技术[1-5]。目前采用帷幕注浆技术成功治理矿山地下水患的矿山实例越来越多，传统的矿山帷幕技术发展日趋成熟。但是，随着矿体逐步开采，矿体埋深越来越大，开采难度逐步提高，出现了矿体埋深较深、所处地层高角度裂隙发育且须在井巷工程内施工的特殊帷幕注浆工程，上述条件下的帷幕注浆工程其技术要求更高，施工难度更大。传统矿山止水帷幕钻探、注浆等施工工艺不能解决上述技术难题。

云南某矿区地势陡峻，“V”形河谷发育，矿区最高山脉标高为2194 m，矿区河谷最低侵蚀基准面河床标高为887 m，相对高差1315 m，比降25.2%。由于矿区陡峭的地势，在地表没有实施帷幕注浆工程的施工场地，该工程的施工钻机平台均布置在巷道内（钻窝尺寸6 m×6 m×15 m），采用《矿山帷幕注浆规范》（DZ/T 0285—2015）中的技术标准，帷幕钻孔间距控制在8~12 m，即钻窝间距控制在8~12 m[6]，考虑施工钻窝尺寸，无法在巷道内实现密集布置施工钻窝。另外，受矿区构造影响，地层围岩高角度裂隙发育，裂隙发育倾角大多在60°~85°范围内，帷幕注浆施工中采用垂直钻孔，地层裂隙揭露概率低，浆液扩散范围受限，注浆堵水效果难以保证[7-8]。

1 小曲率侧钻工艺

在上述背景条件驱动下，研发了小曲率侧钻工艺，小曲率侧钻工艺主要以特殊钻进设备为研究对象，通过特殊工艺最终实现快速、大角度偏斜钻进的目的。该项工艺主要包括自主研发的钻进设备及相关施工工艺两大部分。

1.1 主要钻进设备

小曲率侧钻的核心设备主要包括造斜导向钻具及稳斜钻具两大部分。

（1）造斜导向钻具。造斜导向钻具由外部管状固定方向的导向套（见图1）、内部万向的柔性钻杆（见图2）两部分组成。导向套单节的类型有连接套、上导向套、普通导向套、下导向套4种，其整体通过各类单节按一定顺序由特殊结构挂钩相互连接而成（个数由造斜顶角度数决定），相邻两节导向套呈“V”形接触，使弯曲方向具唯一性。

图1 导向套

图2 造斜柔性钻杆

（2）稳斜钻具。稳斜钻具主要包括柔性钻杆。柔性钻杆是由球头、球座、锁母等构成，分别见图3、图4。

图3 稳斜柔性钻杆结构

图4 稳斜柔性钻杆

1.2 钻进工艺

小曲率侧钻工艺包括造斜钻进及稳斜钻进，其工作原理为：造斜时，造斜钻具在主孔内时，导向套之间的“V”形接触在重力作用下呈张开状态，形成“V”形开口。当造斜钻具下至设计造斜点时，在钻压的作用下，“V”形开口闭合，此时造斜钻具即可形成固定方向的弯曲状态。由于相邻导向套均呈“V”形接触，使得造斜钻具弯曲状态得到延续，因此造斜钻具能够实现连续弯曲造斜钻进（见图4）。在造斜过程中导向套工具面角固定，自身不发生转动，由导向套内的柔性钻杆将动力传导至钻头。由于各相邻导向套之间的“V”形接触呈固定夹角（最大值1.5°），因此即可通过导向套节数累加得出造斜钻具的造斜能力，也即造斜钻进时根据造斜钻具进入分支孔造斜段的长度就可确定分支孔的造斜顶角度数。利用导向套进行小曲率偏斜时，导向套累加数为30节（最大造斜顶角为45°）时，分支孔造斜段轨迹顶角基本能够达到设计值30°。

造斜结束后，提升造斜钻具，下入稳斜钻具，稳斜钻具中的柔性钻杆各单节之间可在一定角度下朝任意方向（万向）弯曲（见图5），利用柔性钻杆的这种特性稳斜钻具可顺利通过造斜段，同时依靠花键装置实现扭矩的传递，并在钻压、泵量、泵压等工艺参数综合作用下，使稳斜钻具保持造斜孔末端的顶角和方位角继续钻进，最终形成各项指标满足设计要求的钻孔。

2 工程实施情况及效果

小曲率侧钻工艺于2016年首次运用于该矿区南部帷幕试验工程中，采用单排等距的方式布置在巷道内，共布置垂直注浆孔3个，间距为30 m；采用小曲率工艺施工分支孔顶角为30°，长度为40 m（见图5）；检查孔2个，主要检查在小曲率侧钻工艺实施条件下的注浆效果。

图5 小曲率侧钻分支孔垂向

通过近一年的应用研究，利用小曲率侧钻工艺成孔48个，合格率达到了100%，具体轨迹见图6。通过该工艺的实施，揭露了更多高角度裂隙，较传统工艺，注浆量大幅度提升（见表1），在后期检查孔实施过程中，发现了大量的浆液结石体，表明浆液扩散效果良好，帷幕质量可靠。

通过注浆效果对比，小曲率侧钻工艺实施分支孔无论从单位注浆量还是单位固体注入量都比传统直孔要大，可见小曲率侧钻工艺在该矿区揭露裂隙率是可观的。

表1 注浆效果对比

3 结 论

（1）通过该工艺实施，加大了垂向钻孔间距，由传统意义的8～12 m增加到了30 m，有效减少了钻探工作量，达到了降低成本，提高施工质量的 目的；

（2）井巷帷幕施工中大幅降低了井巷内的钻窝工程量，保证了巷道自身稳定性，为井巷内施工大型帷幕创造了便利条件；

（3）该工艺钻孔偏斜约30°，能够切穿地层中各种角度的导水裂隙，有效保证浆液的扩散，从而保证帷幕的注浆效果。

[1] 韩贵雷.“鱼刺型”钻孔改性黏土帷幕注浆工艺试验研究[J].金属矿山,2018(9):69-73.

[2] 薛晓峰,许进鹏.湖泥混合浆液的性能对其初凝时间的影响[J].矿业研究与开发,2018,38(4):79-81.

[3] 宋 峰,刘新社.中关铁矿帷幕注浆工程科技成果汇编[M].武汉：中国地质大学出版社,2012.

[4] 黄德发.地层注浆堵水与加固施工技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003.

[5] 张 霄.地下工程动水注浆过程中浆液扩散与封堵机理研究及应用[D].济南:山东大学,2011.

[6] 刘新社,韩贵雷,于同超,等.矿山帷幕注浆规范[M].北京:中国地质出版社,2015.

[7] 韩贵雷,于同超.矿山帷幕注浆方案研究及堵水效果综合分析[J].矿业研究与开发,2010,30(3):95-98.

[8] Philippe Laurent. Paleo-deviatoric stress magnitudes from calcite twins and related structural permeability evolution in minor faults: Example from the toarcian shale of the French Causses Basin, Aveyron, France[J]. Tectonophysics,2007:79-97.

(2019-04-12)

贾伟杰（1980—），男，河北石家庄人，高级工程师，主要从事矿山防治水技术研究，Email:34870412@qq. com。