深竖井反井法先导孔偏斜控制研究

朱文敏

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410004）

反井钻机法是将钻机安装在竖井的上方，并首先自上而下钻先导孔，导孔贯通后，安装扩孔钻头，自下而上反拉，直至反拉钻头穿透地表，从而达到一次成井的目的。

随着装备技术的发展，反井钻机技术已大规模运用于我国煤矿、金属矿山、水利水电等领域。反井法的优点是一次成井，然而这也意味着一旦先导孔精度偏斜过大，竖井工程将失败，因此先导孔精度控制显得尤为重要。本文依据安徽省长九灰岩矿项目实际施工经验，分析了影响先导孔偏斜的主要原因，并提出了相应的控制技术。

图1 先导孔施工示意图

1 工程概况

长九（神山）灰岩矿项目矿区面积4.73km2，矿产资源储量19.08亿吨。开采矿种为石灰岩，设计生产规模7000万吨/年，分为矿山及加工系统工程、物流廊道工程和码头工程三大部分，矿石爆破开采后经竖井平洞运输至矿石加工系统，加工后成品混合料经物流廊道运输至码头堆场，经再次晒洗分级后由装船机装船外销。1、2#竖井位于矿山露天采场内，1#竖井井深259.87m，2#竖井井深244.79m，竖井井身均为灰岩，围岩类别为Ⅲ～Ⅳ级。

表1 竖井特征表

2 施工准备

2.1 施工用水

反井钻机施工用水由EL335马道（施工平台高程为EL325）100m3水池作为水源接口，再利用供水管路接至施工现场，24小时持续供水，出水量不小于40m3/h。

2.2 施工用电

供电由在山顶的630KVA的变压器引接，电压380V/660V，总功率450kW。经变压站降压后通过低压线路接至溜井反井钻机电控柜，接口终端设置一个开关箱，施工用电量接电表据实计量。

2.3 平台基础

在反井钻机运至施工场地前，做好反井钻机开口位置施工基础，基础砼必须保证水平，砼强度为C40。基础体形尺寸为9.02m×5.2m（长×宽）。将基面松渣和破碎岩石清理干净后即可浇筑基础砼，钻机混凝土基础高出地面20cm，以利于施工排水，并在基础中部设置水槽进行钻孔岩粉的排放。砼基础上平面要保证一定的平整度，确保钻机安装后的稳定性和钻孔精度。

2.4 测量定位及设备安装

做好反井钻机基础及预埋件的放线定位。由于钻机中心位置是靠轨道固定的，因此，钢轨必须对称，位于钻孔中心两边。孔位放样采用控制桩引测出具体孔位，保证孔位放样的偏差小于1cm。

反井钻机在厂家人员的指导下有序安装。安装完成后，将总电源开关搬至接通位置，根据电源指示灯指示判定电源是否正常（红色：正常；橙色：相序错误）；电源正常后，全面检查主机各安装件、管路连接是否牢固，一切正常后再启动主机，空载运转5分钟，逐个检测各部件的动作是否准确可靠，液压系统是否漏油，供水系统的是否正常，电气系统是否正常，运动件的连接软管是否干涉，确认一切无误后方可开钻。

3 偏斜风险分析

反井钻机先导孔造成钻孔偏斜的原因很多，除了人员技术水平、工艺、设备性能等主观和人为因素以外，钻孔偏斜的客观原因主要有钻头荷载与钻杆作用、岩层特性、钻头移步和不良地质四个方面：

（1）钻杆轴向荷载造成的偏斜。在垂直的导孔钻进中，钻孔开孔时钻杆不会弯曲，因此不会出现因钻压引起的钻头偏转，但随着钻井深度的增加，钻压的增大，钻杆就会逐渐弯曲，由弯曲的钻杆产生的非垂直荷载导致了钻进方向角度的变化，致使钻具的下部（即从弯曲点到钻头）已偏离了钻孔的预定路线。

（2）岩层对钻头的反作用造成的偏斜。在无层理、节理或断层的坚硬而均质岩层中钻凿导孔时，因岩层反作用力造成导孔偏斜的情况较少，其偏移量也较少。钻头钻进的方向在很大程度上取决于钻头与硬度变化的岩石表面相遇时的角度，如果角度小，钻头一般朝着与变化的岩石平面平行的方向钻进；如果角度大，钻孔的偏斜将趋向与变化的岩石平面成垂直的方向发展。

（3）钻头移步对钻孔偏斜的影响。钻头移步是指钻头在导孔钻进中具有偏移趋向。钻头移步将引起钻孔偏斜。

（4）先导孔钻进遇到不良地质，不良地质结构对先导孔偏斜会产生严重影响。如钻杆遇软岩及破碎带岩层时，在钻压的作用下，先导孔容易偏离设计轴线，造成偏斜。

4 偏斜控制实施过程

4.1 偏斜测量

钻孔期间加强对井孔偏斜情况进行测量，以便及时掌握孔内变化情况，确定相应的措施，防止出现无法挽回的偏斜而造成重大损失。利用反井钻机自带的测量仪器配合自制测斜仪（已获得专利）进行钻孔偏差测量。具体检测步骤为：①根据井身制定分钻进尺寸偏斜要求，以便现场控制；②开孔15m后检测一次，如果符合要求，则继续施工，如果不符合要求，则重新开孔；③在导孔钻进过程中，要求每30m检查一次，或在更换钻头时进行检测，如果符合要求，则继续往下打，如果不符合要求，则在纠偏后继续钻进。

表2 偏斜控制表

图2 现场施工先导孔测斜图

4.2 偏斜纠正措施

4.2.1 导向钻杆法

第一种方法为导向钻杆法。为了防止导孔钻进一定深度后，受钻进力影响使钻杆施加给钻头的作用力发生改变而使孔向发生偏移，施工中配置了导向钻杆（直径与钻头一致的钻杆）强行控制钻进方向。由于钻杆与钻头直径一致，利用钻孔孔壁的束缚将钻杆前端的10m范围强制摆正，使此10m范围内钻杆轴线方向与原孔向一致，以此达到纠正孔向偏差的目的。

加强孔深对应岩性的判别。通常情况稳定杆排布为：1、3、10、25∙∙H=HH-1+25m（HH-1为上根钻杆位置），下表为我们在施工现场的做法，可根据地质情况进行相应调整。密切关注加装稳定杆后的回转压力变化，确保排渣干净。

表3 稳定杆排布表

（1）开孔后第一根钻杆换稳定杆：每接一根钻杆或者稳定杆在提上来和换杆后均要及时检查钻机各联结是否松动，通过自带测斜仪观察立杆角度是否变化，钻杆与钻杆瓦是否同心，及时进行校正。钻孔深度在0m～5m，纯钻进速度≤0.2m/h，回转速度20～24r/min。

（2）钻孔深度在6m～15m：掘进速度控制为：纯钻进速度≤0.4m/h，回转速度20～24r/min。并及时检查混凝土与基岩接合处是否漏水。

（3）开孔15m进行第一次孔斜验收，以确保成孔精度。

4.2.2 偏置钻机法

第二种方法是偏置钻机法。指的是如果钻孔偏斜程度和方向非常有规律，可采取偏置钻机的方法来纠正预计的偏斜，移动钻机的距离和方向根据施工经验而定。本工程未采用。

4.2.3 塞法

第三种方法是堵塞法。堵塞钻孔指用纯水泥浆将变向点至孔底一段进行充填，待其凝固后校正钻进方向二次钻孔。本工程未采用。

4.3 不良地质对偏斜的影响及采取的措施

当钻机钻进到裂隙比较发育的破碎带时，循环水流失严重，无法将钻渣排出，致使钻进无法继续，或者会造成孔壁坍塌，严重时会导致卡钻、埋钻等严重后果。

当钻头钻到断层的上下盘时，由于钻头两侧的岩石软硬不同，容易造成钻孔发生偏斜。不同问题对应的解决措施如下表所示。

表4 不良地质段情况统计表

4.3.1 调整钻进参数

（1）从表中可以看出不良地质段导孔钻进时主要采用降低推进压力来控制钻进速度。在遇到断层和破碎带时，力求反井钻机运行平稳，无明显冲击为宜，在钻进过程中适时调整钻进参数，以缓慢速度通过不良地质段。

（2）出渣量变化情况是判断地质条件的重要依据，必须详细记录每根钻杆实际出渣量，并与理论出渣量进行对比。如果出渣量变大，需采用泥浆护壁后方可继续钻进。如实际出渣量比理论量小，此时需增大扭矩，若出渣量仍然小，说明可能岩体破碎，应将钻具提升一定高度，再慢慢向下旋转扫孔。一次扫孔不行，可多进行几次，扫孔仍不能解决问题，需提钻进行固结灌浆，待凝后采用泥浆护壁方可继续钻进。

4.3.2 循环洗井介质的选择

正常钻进时，一般选用水作为循环洗井介质，当遇到断层、破碎带等不良地质情况时，由于循环水流失严重，导致返渣量减少，此时需采用泥浆作为固壁和循环洗井介质。

遇到表中第二种情况时，固结灌浆后采用泥浆作为循环洗井介质，但出现钻机扭矩变大，返渣量偏少等现象，决定选用高压风作为循环洗井介质，采用水和高压风进行返渣。

4.3.3 固结灌浆

如果碰到不返水、返渣现象，采用泥浆固壁措施后，返水、返浆量明显偏少，同时钻机出现抖动等现象，为避免出现塌孔、卡钻现象，采用0.8：1水泥浆液进行固结灌浆，待凝结后进行二次钻孔。

图3 先导孔不良地质处理

5 先导孔偏差控制效果

序号 项目 规范要求精度 实际控制精度 备注1 1#竖井 0.5%（1.3m） 0.38%（1.29m） 满足要求2 2#竖井 0.5%（1.2m） 0.3%（0.88m） 满足要求

图4 先导孔偏斜目标控制图

图5 先导孔精准贯通

6 结束语

本文通过对长九灰岩矿竖井先导孔偏斜率控制为实施例，在灰岩地质中遭遇不良地质，出现塌孔、卡钻等情况，针对地质的不同项目部采用了对应的解决措施，最终确保了先导孔精准贯通，同时避免了工期延误、资源投入加大，本文采用的施工方法探索了在一种不良地质条件下如何保证先导孔精度的施工技术，最终两条竖井的先导孔精度高于行业规范要求，保证了投产节点工期，避免了增加成本，为类似工程提供重要参考和借鉴。