小曲率側(cè)鉆工藝在礦山帷幕注漿中的應(yīng)用研究

賈偉杰

小曲率側(cè)鉆工藝在礦山帷幕注漿中的應(yīng)用研究

賈偉杰

(華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021)

針對礦體埋深較深、所處地層高角度裂隙發(fā)育且須在井巷工程內(nèi)施工的特殊帷幕注漿工程，傳統(tǒng)礦山止水帷幕鉆探、注漿等施工工藝已不能滿足要求，在此基礎(chǔ)上研發(fā)了小曲率側(cè)鉆設(shè)備及其施工工藝，并通過工程實施，證明了小曲率側(cè)鉆工藝在礦山帷幕注漿中的適用性，它對于井巷自身穩(wěn)定性、減少鉆探工作量、揭露導(dǎo)水裂隙、保證注漿效果等方面具有重大意義。

小曲率;側(cè)鉆工藝;柔性鉆桿;帷幕注漿

0 前 言

采用帷幕注漿的方式進(jìn)行大水礦山的地下水治理已經(jīng)成為一套經(jīng)過實踐證明切實有效的、常用的地下水治理技術(shù)[1-5]。目前采用帷幕注漿技術(shù)成功治理礦山地下水患的礦山實例越來越多，傳統(tǒng)的礦山帷幕技術(shù)發(fā)展日趨成熟。但是，隨著礦體逐步開采，礦體埋深越來越大，開采難度逐步提高，出現(xiàn)了礦體埋深較深、所處地層高角度裂隙發(fā)育且須在井巷工程內(nèi)施工的特殊帷幕注漿工程，上述條件下的帷幕注漿工程其技術(shù)要求更高，施工難度更大。傳統(tǒng)礦山止水帷幕鉆探、注漿等施工工藝不能解決上述技術(shù)難題。

云南某礦區(qū)地勢陡峻，“V”形河谷發(fā)育，礦區(qū)最高山脈標(biāo)高為2194 m，礦區(qū)河谷最低侵蝕基準(zhǔn)面河床標(biāo)高為887 m，相對高差1315 m，比降25.2%。由于礦區(qū)陡峭的地勢，在地表沒有實施帷幕注漿工程的施工場地，該工程的施工鉆機平臺均布置在巷道內(nèi)（鉆窩尺寸6 m×6 m×15 m），采用《礦山帷幕注漿規(guī)范》（DZ/T 0285—2015）中的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，帷幕鉆孔間距控制在8~12 m，即鉆窩間距控制在8~12 m[6]，考慮施工鉆窩尺寸，無法在巷道內(nèi)實現(xiàn)密集布置施工鉆窩。另外，受礦區(qū)構(gòu)造影響，地層圍巖高角度裂隙發(fā)育，裂隙發(fā)育傾角大多在60°~85°范圍內(nèi)，帷幕注漿施工中采用垂直鉆孔，地層裂隙揭露概率低，漿液擴(kuò)散范圍受限，注漿堵水效果難以保證[7-8]。

1 小曲率側(cè)鉆工藝

在上述背景條件驅(qū)動下，研發(fā)了小曲率側(cè)鉆工藝，小曲率側(cè)鉆工藝主要以特殊鉆進(jìn)設(shè)備為研究對象，通過特殊工藝最終實現(xiàn)快速、大角度偏斜鉆進(jìn)的目的。該項工藝主要包括自主研發(fā)的鉆進(jìn)設(shè)備及相關(guān)施工工藝兩大部分。

1.1 主要鉆進(jìn)設(shè)備

小曲率側(cè)鉆的核心設(shè)備主要包括造斜導(dǎo)向鉆具及穩(wěn)斜鉆具兩大部分。

（1）造斜導(dǎo)向鉆具。造斜導(dǎo)向鉆具由外部管狀固定方向的導(dǎo)向套（見圖1）、內(nèi)部萬向的柔性鉆桿（見圖2）兩部分組成。導(dǎo)向套單節(jié)的類型有連接套、上導(dǎo)向套、普通導(dǎo)向套、下導(dǎo)向套4種，其整體通過各類單節(jié)按一定順序由特殊結(jié)構(gòu)掛鉤相互連接而成（個數(shù)由造斜頂角度數(shù)決定），相鄰兩節(jié)導(dǎo)向套呈“V”形接觸，使彎曲方向具唯一性。

圖1 導(dǎo)向套

圖2 造斜柔性鉆桿

（2）穩(wěn)斜鉆具。穩(wěn)斜鉆具主要包括柔性鉆桿。柔性鉆桿是由球頭、球座、鎖母等構(gòu)成，分別見圖3、圖4。

圖3 穩(wěn)斜柔性鉆桿結(jié)構(gòu)

圖4 穩(wěn)斜柔性鉆桿

1.2 鉆進(jìn)工藝

小曲率側(cè)鉆工藝包括造斜鉆進(jìn)及穩(wěn)斜鉆進(jìn)，其工作原理為：造斜時，造斜鉆具在主孔內(nèi)時，導(dǎo)向套之間的“V”形接觸在重力作用下呈張開狀態(tài)，形成“V”形開口。當(dāng)造斜鉆具下至設(shè)計造斜點時，在鉆壓的作用下，“V”形開口閉合，此時造斜鉆具即可形成固定方向的彎曲狀態(tài)。由于相鄰導(dǎo)向套均呈“V”形接觸，使得造斜鉆具彎曲狀態(tài)得到延續(xù)，因此造斜鉆具能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)彎曲造斜鉆進(jìn)（見圖4）。在造斜過程中導(dǎo)向套工具面角固定，自身不發(fā)生轉(zhuǎn)動，由導(dǎo)向套內(nèi)的柔性鉆桿將動力傳導(dǎo)至鉆頭。由于各相鄰導(dǎo)向套之間的“V”形接觸呈固定夾角（最大值1.5°），因此即可通過導(dǎo)向套節(jié)數(shù)累加得出造斜鉆具的造斜能力，也即造斜鉆進(jìn)時根據(jù)造斜鉆具進(jìn)入分支孔造斜段的長度就可確定分支孔的造斜頂角度數(shù)。利用導(dǎo)向套進(jìn)行小曲率偏斜時，導(dǎo)向套累加數(shù)為30節(jié)（最大造斜頂角為45°）時，分支孔造斜段軌跡頂角基本能夠達(dá)到設(shè)計值30°。

造斜結(jié)束后，提升造斜鉆具，下入穩(wěn)斜鉆具，穩(wěn)斜鉆具中的柔性鉆桿各單節(jié)之間可在一定角度下朝任意方向（萬向）彎曲（見圖5），利用柔性鉆桿的這種特性穩(wěn)斜鉆具可順利通過造斜段，同時依靠花鍵裝置實現(xiàn)扭矩的傳遞，并在鉆壓、泵量、泵壓等工藝參數(shù)綜合作用下，使穩(wěn)斜鉆具保持造斜孔末端的頂角和方位角繼續(xù)鉆進(jìn)，最終形成各項指標(biāo)滿足設(shè)計要求的鉆孔。

2 工程實施情況及效果

小曲率側(cè)鉆工藝于2016年首次運用于該礦區(qū)南部帷幕試驗工程中，采用單排等距的方式布置在巷道內(nèi)，共布置垂直注漿孔3個，間距為30 m；采用小曲率工藝施工分支孔頂角為30°，長度為40 m（見圖5）；檢查孔2個，主要檢查在小曲率側(cè)鉆工藝實施條件下的注漿效果。

圖5 小曲率側(cè)鉆分支孔垂向

通過近一年的應(yīng)用研究，利用小曲率側(cè)鉆工藝成孔48個，合格率達(dá)到了100%，具體軌跡見圖6。通過該工藝的實施，揭露了更多高角度裂隙，較傳統(tǒng)工藝，注漿量大幅度提升（見表1），在后期檢查孔實施過程中，發(fā)現(xiàn)了大量的漿液結(jié)石體，表明漿液擴(kuò)散效果良好，帷幕質(zhì)量可靠。

通過注漿效果對比，小曲率側(cè)鉆工藝實施分支孔無論從單位注漿量還是單位固體注入量都比傳統(tǒng)直孔要大，可見小曲率側(cè)鉆工藝在該礦區(qū)揭露裂隙率是可觀的。

表1 注漿效果對比

3 結(jié) 論

（1）通過該工藝實施，加大了垂向鉆孔間距，由傳統(tǒng)意義的8～12 m增加到了30 m，有效減少了鉆探工作量，達(dá)到了降低成本，提高施工質(zhì)量的 目的；

（2）井巷帷幕施工中大幅降低了井巷內(nèi)的鉆窩工程量，保證了巷道自身穩(wěn)定性，為井巷內(nèi)施工大型帷幕創(chuàng)造了便利條件；

（3）該工藝鉆孔偏斜約30°，能夠切穿地層中各種角度的導(dǎo)水裂隙，有效保證漿液的擴(kuò)散，從而保證帷幕的注漿效果。

[1] 韓貴雷.“魚刺型”鉆孔改性黏土帷幕注漿工藝試驗研究[J].金屬礦山,2018(9):69-73.

[2] 薛曉峰,許進(jìn)鵬.湖泥混合漿液的性能對其初凝時間的影響[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2018,38(4):79-81.

[3] 宋 峰,劉新社.中關(guān)鐵礦帷幕注漿工程科技成果匯編[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社,2012.

[4] 黃德發(fā).地層注漿堵水與加固施工技術(shù)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[5] 張 霄.地下工程動水注漿過程中漿液擴(kuò)散與封堵機理研究及應(yīng)用[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2011.

[6] 劉新社,韓貴雷,于同超,等.礦山帷幕注漿規(guī)范[M].北京:中國地質(zhì)出版社,2015.

[7] 韓貴雷,于同超.礦山帷幕注漿方案研究及堵水效果綜合分析[J].礦業(yè)研究與開發(fā),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)

賈偉杰（1980—），男，河北石家莊人，高級工程師，主要從事礦山防治水技術(shù)研究，Email:34870412@qq. com。