深豎井反井法先導(dǎo)孔偏斜控制研究

朱文敏

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

反井鉆機(jī)法是將鉆機(jī)安裝在豎井的上方，并首先自上而下鉆先導(dǎo)孔，導(dǎo)孔貫通后，安裝擴(kuò)孔鉆頭，自下而上反拉，直至反拉鉆頭穿透地表，從而達(dá)到一次成井的目的。

隨著裝備技術(shù)的發(fā)展，反井鉆機(jī)技術(shù)已大規(guī)模運(yùn)用于我國煤礦、金屬礦山、水利水電等領(lǐng)域。反井法的優(yōu)點(diǎn)是一次成井，然而這也意味著一旦先導(dǎo)孔精度偏斜過大，豎井工程將失敗，因此先導(dǎo)孔精度控制顯得尤為重要。本文依據(jù)安徽省長九灰?guī)r礦項(xiàng)目實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，分析了影響先導(dǎo)孔偏斜的主要原因，并提出了相應(yīng)的控制技術(shù)。

圖1 先導(dǎo)孔施工示意圖

1 工程概況

長九（神山）灰?guī)r礦項(xiàng)目礦區(qū)面積4.73km2，礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量19.08億噸。開采礦種為石灰?guī)r，設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模7000萬噸/年，分為礦山及加工系統(tǒng)工程、物流廊道工程和碼頭工程三大部分，礦石爆破開采后經(jīng)豎井平洞運(yùn)輸至礦石加工系統(tǒng)，加工后成品混合料經(jīng)物流廊道運(yùn)輸至碼頭堆場(chǎng)，經(jīng)再次曬洗分級(jí)后由裝船機(jī)裝船外銷。1、2#豎井位于礦山露天采場(chǎng)內(nèi)，1#豎井井深259.87m，2#豎井井深244.79m，豎井井身均為灰?guī)r，圍巖類別為Ⅲ～Ⅳ級(jí)。

表1 豎井特征表

2 施工準(zhǔn)備

2.1 施工用水

反井鉆機(jī)施工用水由EL335馬道（施工平臺(tái)高程為EL325）100m3水池作為水源接口，再利用供水管路接至施工現(xiàn)場(chǎng)，24小時(shí)持續(xù)供水，出水量不小于40m3/h。

2.2 施工用電

供電由在山頂?shù)?30KVA的變壓器引接，電壓380V/660V，總功率450kW。經(jīng)變壓站降壓后通過低壓線路接至溜井反井鉆機(jī)電控柜，接口終端設(shè)置一個(gè)開關(guān)箱，施工用電量接電表據(jù)實(shí)計(jì)量。

2.3 平臺(tái)基礎(chǔ)

在反井鉆機(jī)運(yùn)至施工場(chǎng)地前，做好反井鉆機(jī)開口位置施工基礎(chǔ)，基礎(chǔ)砼必須保證水平，砼強(qiáng)度為C40。基礎(chǔ)體形尺寸為9.02m×5.2m（長×寬）。將基面松渣和破碎巖石清理干凈后即可澆筑基礎(chǔ)砼，鉆機(jī)混凝土基礎(chǔ)高出地面20cm，以利于施工排水，并在基礎(chǔ)中部設(shè)置水槽進(jìn)行鉆孔巖粉的排放。砼基礎(chǔ)上平面要保證一定的平整度，確保鉆機(jī)安裝后的穩(wěn)定性和鉆孔精度。

2.4 測(cè)量定位及設(shè)備安裝

做好反井鉆機(jī)基礎(chǔ)及預(yù)埋件的放線定位。由于鉆機(jī)中心位置是靠軌道固定的，因此，鋼軌必須對(duì)稱，位于鉆孔中心兩邊。孔位放樣采用控制樁引測(cè)出具體孔位，保證孔位放樣的偏差小于1cm。

反井鉆機(jī)在廠家人員的指導(dǎo)下有序安裝。安裝完成后，將總電源開關(guān)搬至接通位置，根據(jù)電源指示燈指示判定電源是否正常（紅色：正常；橙色：相序錯(cuò)誤）；電源正常后，全面檢查主機(jī)各安裝件、管路連接是否牢固，一切正常后再啟動(dòng)主機(jī)，空載運(yùn)轉(zhuǎn)5分鐘，逐個(gè)檢測(cè)各部件的動(dòng)作是否準(zhǔn)確可靠，液壓系統(tǒng)是否漏油，供水系統(tǒng)的是否正常，電氣系統(tǒng)是否正常，運(yùn)動(dòng)件的連接軟管是否干涉，確認(rèn)一切無誤后方可開鉆。

3 偏斜風(fēng)險(xiǎn)分析

反井鉆機(jī)先導(dǎo)孔造成鉆孔偏斜的原因很多，除了人員技術(shù)水平、工藝、設(shè)備性能等主觀和人為因素以外，鉆孔偏斜的客觀原因主要有鉆頭荷載與鉆桿作用、巖層特性、鉆頭移步和不良地質(zhì)四個(gè)方面：

（1）鉆桿軸向荷載造成的偏斜。在垂直的導(dǎo)孔鉆進(jìn)中，鉆孔開孔時(shí)鉆桿不會(huì)彎曲，因此不會(huì)出現(xiàn)因鉆壓引起的鉆頭偏轉(zhuǎn)，但隨著鉆井深度的增加，鉆壓的增大，鉆桿就會(huì)逐漸彎曲，由彎曲的鉆桿產(chǎn)生的非垂直荷載導(dǎo)致了鉆進(jìn)方向角度的變化，致使鉆具的下部（即從彎曲點(diǎn)到鉆頭）已偏離了鉆孔的預(yù)定路線。

（2）巖層對(duì)鉆頭的反作用造成的偏斜。在無層理、節(jié)理或斷層的堅(jiān)硬而均質(zhì)巖層中鉆鑿導(dǎo)孔時(shí)，因巖層反作用力造成導(dǎo)孔偏斜的情況較少，其偏移量也較少。鉆頭鉆進(jìn)的方向在很大程度上取決于鉆頭與硬度變化的巖石表面相遇時(shí)的角度，如果角度小，鉆頭一般朝著與變化的巖石平面平行的方向鉆進(jìn)；如果角度大，鉆孔的偏斜將趨向與變化的巖石平面成垂直的方向發(fā)展。

（3）鉆頭移步對(duì)鉆孔偏斜的影響。鉆頭移步是指鉆頭在導(dǎo)孔鉆進(jìn)中具有偏移趨向。鉆頭移步將引起鉆孔偏斜。

（4）先導(dǎo)孔鉆進(jìn)遇到不良地質(zhì)，不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)先導(dǎo)孔偏斜會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。如鉆桿遇軟巖及破碎帶巖層時(shí)，在鉆壓的作用下，先導(dǎo)孔容易偏離設(shè)計(jì)軸線，造成偏斜。

4 偏斜控制實(shí)施過程

4.1 偏斜測(cè)量

鉆孔期間加強(qiáng)對(duì)井孔偏斜情況進(jìn)行測(cè)量，以便及時(shí)掌握孔內(nèi)變化情況，確定相應(yīng)的措施，防止出現(xiàn)無法挽回的偏斜而造成重大損失。利用反井鉆機(jī)自帶的測(cè)量儀器配合自制測(cè)斜儀（已獲得專利）進(jìn)行鉆孔偏差測(cè)量。具體檢測(cè)步驟為：①根據(jù)井身制定分鉆進(jìn)尺寸偏斜要求，以便現(xiàn)場(chǎng)控制；②開孔15m后檢測(cè)一次，如果符合要求，則繼續(xù)施工，如果不符合要求，則重新開孔；③在導(dǎo)孔鉆進(jìn)過程中，要求每30m檢查一次，或在更換鉆頭時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，如果符合要求，則繼續(xù)往下打，如果不符合要求，則在糾偏后繼續(xù)鉆進(jìn)。

表2 偏斜控制表

圖2 現(xiàn)場(chǎng)施工先導(dǎo)孔測(cè)斜圖

4.2 偏斜糾正措施

4.2.1 導(dǎo)向鉆桿法

第一種方法為導(dǎo)向鉆桿法。為了防止導(dǎo)孔鉆進(jìn)一定深度后，受鉆進(jìn)力影響使鉆桿施加給鉆頭的作用力發(fā)生改變而使孔向發(fā)生偏移，施工中配置了導(dǎo)向鉆桿（直徑與鉆頭一致的鉆桿）強(qiáng)行控制鉆進(jìn)方向。由于鉆桿與鉆頭直徑一致，利用鉆孔孔壁的束縛將鉆桿前端的10m范圍強(qiáng)制擺正，使此10m范圍內(nèi)鉆桿軸線方向與原孔向一致，以此達(dá)到糾正孔向偏差的目的。

加強(qiáng)孔深對(duì)應(yīng)巖性的判別。通常情況穩(wěn)定桿排布為：1、3、10、25??H=HH-1+25m（HH-1為上根鉆桿位置），下表為我們?cè)谑┕がF(xiàn)場(chǎng)的做法，可根據(jù)地質(zhì)情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。密切關(guān)注加裝穩(wěn)定桿后的回轉(zhuǎn)壓力變化，確保排渣干凈。

表3 穩(wěn)定桿排布表

（1）開孔后第一根鉆桿換穩(wěn)定桿：每接一根鉆桿或者穩(wěn)定桿在提上來和換桿后均要及時(shí)檢查鉆機(jī)各聯(lián)結(jié)是否松動(dòng)，通過自帶測(cè)斜儀觀察立桿角度是否變化，鉆桿與鉆桿瓦是否同心，及時(shí)進(jìn)行校正。鉆孔深度在0m～5m，純鉆進(jìn)速度≤0.2m/h，回轉(zhuǎn)速度20～24r/min。

（2）鉆孔深度在6m～15m：掘進(jìn)速度控制為：純鉆進(jìn)速度≤0.4m/h，回轉(zhuǎn)速度20～24r/min。并及時(shí)檢查混凝土與基巖接合處是否漏水。

（3）開孔15m進(jìn)行第一次孔斜驗(yàn)收，以確保成孔精度。

4.2.2 偏置鉆機(jī)法

第二種方法是偏置鉆機(jī)法。指的是如果鉆孔偏斜程度和方向非常有規(guī)律，可采取偏置鉆機(jī)的方法來糾正預(yù)計(jì)的偏斜，移動(dòng)鉆機(jī)的距離和方向根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)而定。本工程未采用。

4.2.3 塞法

第三種方法是堵塞法。堵塞鉆孔指用純水泥漿將變向點(diǎn)至孔底一段進(jìn)行充填，待其凝固后校正鉆進(jìn)方向二次鉆孔。本工程未采用。

4.3 不良地質(zhì)對(duì)偏斜的影響及采取的措施

當(dāng)鉆機(jī)鉆進(jìn)到裂隙比較發(fā)育的破碎帶時(shí)，循環(huán)水流失嚴(yán)重，無法將鉆渣排出，致使鉆進(jìn)無法繼續(xù)，或者會(huì)造成孔壁坍塌，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致卡鉆、埋鉆等嚴(yán)重后果。

當(dāng)鉆頭鉆到斷層的上下盤時(shí)，由于鉆頭兩側(cè)的巖石軟硬不同，容易造成鉆孔發(fā)生偏斜。不同問題對(duì)應(yīng)的解決措施如下表所示。

表4 不良地質(zhì)段情況統(tǒng)計(jì)表

4.3.1 調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)

（1）從表中可以看出不良地質(zhì)段導(dǎo)孔鉆進(jìn)時(shí)主要采用降低推進(jìn)壓力來控制鉆進(jìn)速度。在遇到斷層和破碎帶時(shí)，力求反井鉆機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，無明顯沖擊為宜，在鉆進(jìn)過程中適時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，以緩慢速度通過不良地質(zhì)段。

（2）出渣量變化情況是判斷地質(zhì)條件的重要依據(jù)，必須詳細(xì)記錄每根鉆桿實(shí)際出渣量，并與理論出渣量進(jìn)行對(duì)比。如果出渣量變大，需采用泥漿護(hù)壁后方可繼續(xù)鉆進(jìn)。如實(shí)際出渣量比理論量小，此時(shí)需增大扭矩，若出渣量仍然小，說明可能巖體破碎，應(yīng)將鉆具提升一定高度，再慢慢向下旋轉(zhuǎn)掃孔。一次掃孔不行，可多進(jìn)行幾次，掃孔仍不能解決問題，需提鉆進(jìn)行固結(jié)灌漿，待凝后采用泥漿護(hù)壁方可繼續(xù)鉆進(jìn)。

4.3.2 循環(huán)洗井介質(zhì)的選擇

正常鉆進(jìn)時(shí)，一般選用水作為循環(huán)洗井介質(zhì)，當(dāng)遇到斷層、破碎帶等不良地質(zhì)情況時(shí)，由于循環(huán)水流失嚴(yán)重，導(dǎo)致返渣量減少，此時(shí)需采用泥漿作為固壁和循環(huán)洗井介質(zhì)。

遇到表中第二種情況時(shí)，固結(jié)灌漿后采用泥漿作為循環(huán)洗井介質(zhì)，但出現(xiàn)鉆機(jī)扭矩變大，返渣量偏少等現(xiàn)象，決定選用高壓風(fēng)作為循環(huán)洗井介質(zhì)，采用水和高壓風(fēng)進(jìn)行返渣。

4.3.3 固結(jié)灌漿

如果碰到不返水、返渣現(xiàn)象，采用泥漿固壁措施后，返水、返漿量明顯偏少，同時(shí)鉆機(jī)出現(xiàn)抖動(dòng)等現(xiàn)象，為避免出現(xiàn)塌孔、卡鉆現(xiàn)象，采用0.8：1水泥漿液進(jìn)行固結(jié)灌漿，待凝結(jié)后進(jìn)行二次鉆孔。

圖3 先導(dǎo)孔不良地質(zhì)處理

5 先導(dǎo)孔偏差控制效果

序號(hào) 項(xiàng)目 規(guī)范要求精度 實(shí)際控制精度 備注1 1#豎井 0.5%（1.3m） 0.38%（1.29m） 滿足要求2 2#豎井 0.5%（1.2m） 0.3%（0.88m） 滿足要求

圖4 先導(dǎo)孔偏斜目標(biāo)控制圖

圖5 先導(dǎo)孔精準(zhǔn)貫通

6 結(jié)束語

本文通過對(duì)長九灰?guī)r礦豎井先導(dǎo)孔偏斜率控制為實(shí)施例，在灰?guī)r地質(zhì)中遭遇不良地質(zhì)，出現(xiàn)塌孔、卡鉆等情況，針對(duì)地質(zhì)的不同項(xiàng)目部采用了對(duì)應(yīng)的解決措施，最終確保了先導(dǎo)孔精準(zhǔn)貫通，同時(shí)避免了工期延誤、資源投入加大，本文采用的施工方法探索了在一種不良地質(zhì)條件下如何保證先導(dǎo)孔精度的施工技術(shù)，最終兩條豎井的先導(dǎo)孔精度高于行業(yè)規(guī)范要求，保證了投產(chǎn)節(jié)點(diǎn)工期，避免了增加成本，為類似工程提供重要參考和借鑒。