探究礦山豎井工程勘察孔施工技術及工藝

陳希林

在豎井勘察孔項目招投標或洽談合同之前，施工單位的項目經理或技術負責人須到新建豎井擬建場地進行實地踏勘，充分搜集了解礦山已揭露的巖土層資料，詳細察看場地地形地貌及交通運輸條件，考慮機坪如何修筑，水電來源，場地機械設備材料怎樣布置，包括施工人員住所都要進行終合考慮，所有這些都要做到心中有數，做出詳細明確的豎井勘察孔施工方案，為下步鉆孔具體實施提供可靠的依據和指導。

1 豎井勘察孔目的、依據、要求及鉆進方法

1.1 豎井勘察孔目的和任務

根據有關規范和委托任務書的要求，實施豎井工程勘察孔主要采用鉆探方法查明豎井擬建場地的巖土層結構，各巖土層物理力學性質，以及工程地質、水文地質條件，并對豎井掘進所遇含水層的涌水量進行預測等，對這些條件進行終合評價并提交詳細的勘察報告。

1.2 豎井勘察孔的主要技術要求

（1）依據豎井工程勘察任務書，一般要求終孔直徑≮￠91mm（也有的要求可≮￠75mm），過濾松散巖層，抽水濾器直徑≮￠127mm，終孔深度大于豎井深度3m～5m。

（2）巖心采樣率要求：全孔取心，土層及基巖巖芯采樣率要＞80%，重點標記的巖層要保證巖心采樣率＞85%，砂層，破碎帶、軟弱夾層及溶洞中，巖心采樣率＞65%，采用物探測井法測定層位。

（3）每鉆進20m測斜一次，測出鉆孔的傾角、方位角、鉆孔斜率，鉆孔偏斜率＜1.5%。

（4）每班記錄好鉆探原始記錄、每班測量動水位、終孔測量靜止水位、測量水溫度、按要求分層做抽水試驗、包括執行巖心鉆探的六大技術指標要求等。

（5）對主要含水層進行分層抽水試驗，不得使用泥漿，抽水試驗前須需進行洗井等。

（6）在鉆孔中應同時配合進行工程物探和原位測試，并應符合下列要求： 豎井勘察孔內應全孔進行聲波測試，孔內豎向測點間距不宜大于5m，在巖溶地區的工程，宜采用鉆孔電磁波法探查巖溶分布和規模，在高地應力地區應進行地應力測試，對全孔應進行孔內溫度測量。

（7）采用M10水泥漿封孔，設永久性標志。

2 豎井工程勘察孔鉆進方法

（1）按機械碎巖方式分有回轉鉆探、沖擊鉆探、沖擊回轉鉆探等；按碎巖工具或磨料分有鋼粒鉆探、硬質合金鉆探、金剛石鉆探、復合片鉆探、牙輪鉆頭鉆探等；按獲取巖心的方式分有提鉆取心、繩索取心、反循環連續取心取樣等。

（2）地質巖心鉆探采用的主要鉆探方法有硬質合金鉆探、金剛石鉆探（含繩索取心鉆探）、復合片鉆探、沖擊回轉鉆探、定向鉆探、反循環取心取樣鉆探等。

（3）確定鉆探方法的基本原則：應滿足地質要求和任務書（合同）確定的施工目的；在適應鉆進地層特點的基礎上，優先采用先進的鉆探方法；以高效、低耗、安全、環保為目標，保證鉆探質量、降低勞動強度，爭取好的經濟和社會效益，適應施工區域的自然地理條件。

（4）鉆探方法的選擇：主要依據巖層特點，巖石硬度、研磨性及完整程度，結合口徑、鉆孔深度等，選定鉆探方法。豎井勘察孔適宜采用多級口徑金剛石或PDC復合片鉆進，繩索取心技術工藝。

3 豎井工程勘察孔施工技術及工藝

3.1 勘察孔主要工序

包括鉆定孔位→平整場地與修筑機坪→安裝鉆探設備及附屬設備→臨時設施建造→安裝驗收→開孔前的準備工作→開孔及下孔口管→換徑→鉆進→巖礦心整理和保管→其他工作（下套管、校正孔深、簡易水文觀測、鉆孔彎曲測量）→終孔起拔套管→封孔→廢漿處理和場地環境恢復→鉆孔驗收→拆遷。

3.2 鉆孔結構的選擇

施工鉆孔時，要充分考慮場地巖土層條件、鉆孔深度、終孔直徑、鉆進方法、護孔措施和設備情況，合理選擇開孔直徑、換徑次數與深度、套管程序等。

一般豎井勘察孔設計孔深大多為300m～1000m左右的深孔，依據地層的復雜程度，開孔口徑可選取Φ200mm、Φ170mm、Φ150mm單管金剛石或PDC復合片鉆頭開孔，隔離上部易坍塌層后，換徑鉆進到微風化巖石，再換徑為Φ130mm金剛石鉆頭或PDC復合片鉆頭鉆進至120m左右；下Φ127mm套管或濾水管，做抽水試驗，以下換徑S114mm金剛石繩索取心鉆進，鉆進到200m以上，地層越復雜越需鉆進至更深，然后再換徑S95mm金剛石繩索取心鉆進，如勘察任務書要求Φ91口徑終孔則鉆進至終孔，如允許Φ75mm口徑終孔，則下步可換徑S76mm金剛石繩索取心鉆進直至終孔。

3.3 鉆探設備的選擇

應根據鉆孔設計深度、巖土層條件、鉆進方法以及鉆孔設計結構等，合理地選擇鉆探設備，應盡量選擇電動機動力機。推薦使用地勘單位擁有并廣泛使用的性能可靠穩定的立軸鉆機如XY-4、XY-42、XY-44、XY-5、XY-6系列鉆機；有條件的單位也可使用進口或國產的合適的全液壓動力頭鉆機，這種機型更輕便鉆進效率更高，但對于復雜地層施工也不是很適用，比較適用于完整地層鉆進。泥漿泵的選擇淺孔可選BW-150泵，深孔宜選BW-250、BW-320泵；鉆塔宜采用HCX13.5米、HCX18米四角塔；打撈繩索絞車宜選JS1000型以上；測斜儀最好選擇可隨鉆測斜的陀螺儀，這種儀器精度高且不受磁場影響，但是價格昂貴成本較高，其次也可選用電子讀數羅盤測斜儀或普通羅盤測斜儀，也可滿足鉆孔測斜要求；抽水試驗可選用不銹鋼深井潛水泵，根據流量的大小選2臺～3臺大約流量為3t/h～15t/h深井泵備用，當然也可采用空壓機進行抽水試驗；測量水位水溫的儀器最好使用測繩帶刻度電子報警測水位儀器。

3.4 沖洗液與護壁

（1）開挖泥漿池長寬均為2.5m，深2.0m，要求開挖方正，并設立標尺，挖長寬深均1.5m的沉淀池，設立總長15m以上循環槽。

（2）開孔鉆進使用普通鈉基泥漿鉆孔，換徑后使用乳化液沖洗液，巖層輕微破碎，漏失較輕地層使用PHP做沖洗液及護壁，只漏不坍地層，為節約皂化液及PHP，可在鉆桿上涂抹二硫化鉬潤滑脂潤滑鉆具，不同巖性的地層，對沖洗液性能配置要求：巖石較完整，鉆孔不漏失，用乳狀皂化液洗孔；對輕微漏失、坍掉和縮徑的鉆孔，采用無固相作沖洗液，即PHP+皂化液洗孔潤滑；嚴重漏失，但不坍塌巖層，采用清水加潤滑劑如葵脂酸鈉溶解作沖洗液，鉆桿涂抹二硫化鉬潤滑脂減阻鉆進；遇到坍塌縮徑垮孔的水敏地層時，可選用PHP+水玻璃無固相沖洗液或低固相泥漿+植物膠SD-2+纖維素（CMC）+腐植酸鉀（KHm）等鉀基類防塌性能好得泥漿，具體配方需采取巖樣進行浸泡試驗確定；在使用PHP做沖洗液時，PHP必須實施水解，以保證沖洗液質量，且達到護壁、潤滑又能起到冷卻鉆頭的作用。

3.5 鉆進工藝需要注意的要點

（1）大口徑普通金剛石鉆具級配要合理，繩索取心鉆桿材質必須是45MnMoB或XJY850，鉆桿鉆具需調質熱處理表面硬化,更換接頭時絲扣要涂抹環氧樹脂膠擰緊。

（2）金剛石鉆頭的選擇，要根據巖石的硬度及研磨性，選擇相適應金剛石顆粒大小及胎體硬度，繩索鉆頭外徑宜加大1～2mm，如￠75鉆頭加大至￠76mm，擴孔器￠76.5mm，可以適當加大鉆桿柱與井壁的環狀間隙，有利于沖洗液循環與巖粉排除。巖石堅硬“打滑”地層鉆進，可采用“投砂”方法研磨鉆頭使金剛石胎體出刃，以提高鉆進效率，但應注意控制“投砂”量，并選擇胎體硬度適應性較強的鉆頭；盡量選擇高品級或進口金剛石高胎體長壽命金剛石鉆頭，減少提大鉆的次數，提高小時效率，縮短過期，提高經濟效益。

（3）每班都要檢查鉆具性能是否良好，水路是否暢通，發現問題及時解決方，防止發生事故。

（4）擰卸鉆桿時要涂抹絲扣油以保護接頭絲扣，深孔提大鉆后下鉆桿時應先纏生膠帶，然后再擰緊鉆桿防止接頭部位沖洗液泄露，以杜絕燒鉆事故發生。

（5）各種設備的儀表要齊全，靈敏度要高，發現失靈的儀表一定要及時更換。

（6）鉆進時發生巖心堵塞，必須立即打撈,防止由于巖心堵塞、給進壓力增大，鉆頭異常磨損并發生燒鉆事故。

（7）發生燒鉆時，應立即將鉆具用立軸提離孔底300mm～500mm再停止立軸回轉，不得先關離合器再提鉆，避免造成嚴重的燒鉆事故。

（8）巖心采取率：鉆探過程中全孔取心，要求在破碎帶及溶洞中不應小于65%，在基巖和粘性土中應不低于80%,多年來的經驗證明采用繩索取心鉆進工藝，一般全孔巖心采取率可達95%以上，完全可以滿足并超過技術要求的指標；巖心必須洗凈后按上下順序排列在巖心箱內，不得顛倒、混淆，并對巖心進行編號。

（9）每鉆進20m測斜一次，測定傾角、方位角，計算出鉆孔偏斜率，全孔偏斜率控制在1.5%以內，若發生偏斜率超標，應進行及時糾偏。

（10）封孔：鉆進結束后，要沖洗清除井壁及孔底巖粉，做完抽水試驗，物探電測井、聲波測井等全部工作后，拔出全部套管，采用不低于M10的水泥漿嚴密封孔，并在孔口埋石設永久性標志，寫明孔深、開孔、終孔日期。

（11）巖心保管：巖心要保管好，不得丟失，拍攝全部巖心照片，待檢查驗收后放入指定巖心庫移交給甲方。

4 抽水試驗

根據現場踏勘和已有的地質資料，場地的含水層一般主要有巖溶裂隙含水層和深部斷層承壓水。根據場地水文地質條件和委托任務書要求，一般需進行2次～3次分層抽水試驗，具體依據豎井地質勘察任務書及有關規范執行。

5 豎井工程勘察孔產生偏斜的原因及防斜糾斜措施

豎井勘察孔設計是90°垂直孔，偏斜率指標＜1.5%，相當于0.86°/100m，比《巖心鉆探規程》要求的直孔2°/100m更為嚴格，是豎井勘察鉆孔成功與否的關鍵性指標，一旦超差輕則導致驗收不合格，重則可能導致鉆孔報廢，將造成極為嚴重的經濟損失，所以鉆孔的防斜與糾斜就顯得極為重要，也是本文探究的主要技術之一。

5.1 鉆孔發生偏斜的三個主要因素

（1）地層原因：巖石的不同種類，如沉積巖、變質巖、巖漿巖表現出不同的各向異性，在巖石的各個方向上表現出不同的強度、硬度，同一類巖石因產狀、傾角、硬度、軟硬互層以及與鉆頭接觸的夾角不同也會產生不同的偏斜力，這些都會對鉆孔的偏斜產生一定的影響，同一類巖石在不同的地點對鉆孔也可能有不同的偏斜效果，這需要熟悉地層并摸索掌握其中的規律。

（2）鉆壓過大原因：鉆進過程中給鉆具施加的鉆壓過大，很容易引起鉆孔偏斜，鉆桿柱在重力的作用下，可以分解為兩個分力，一個分力可以促使鉆桿不斷向下，另一個分力可以促使鉆具緊靠孔壁一側偏離鉆孔中心。

（3）鉆機安裝和鉆具組合的特性原因：鉆機安裝和開孔：如果鉆機安裝底座不水平，機桿不垂直，天車、立軸、孔口三點不在一條線，開孔就可能出現偏斜；鉆桿柱直徑與鉆孔口徑級差過大級配不合理，鉆進過程中也很容易導致孔斜。

5.2 鉆孔防斜的技術措施

防止鉆進過程中出現孔斜過大是重中之重，務必采取一切有效措施保直防斜，主要措施如下：

（1）鉆機立軸（導管）不能曠動，滑道鎖緊，機桿要直，鉆進時機上余尺盡量小于3m，堅持使用下卡盤，防止機桿振動不平穩，使用輕巧的高速水接頭，保持機桿上部不擺動。

（2）首先修筑機坪時要保證地基堅實平整，必要時機坪打一層15cm鋼筋砼，或者在鉆塔四角位置打砼墩以防地基下沉，鉆孔位置打1m×1m×1m砼墩以防開孔后井口塌陷導致井口管歪斜，安裝時保證鉆塔底座周正水平，確保鉆塔荷載最大時底座不會出現不均勻下沉。

（3）把好開孔關：鉆機安裝要周正水平，機桿要校直，機桿要對中上下卡盤中心，要用經緯儀或激光水平儀90°交叉垂直校正立軸與機桿，確保機桿與開孔鉆具處于90°垂直狀態，經項目部地質人員機臺共同驗收合格后方開孔鉆進，開孔鉆具要逐級加長，保持鉆具剛直具備良好的導正性。

（4）開孔完畢下好孔口套管后，孔口管要固定牢固，逐級換徑過程中，一定要使用導正鉆具，粗徑鉆具上部要加導正器，使用剛性好的長粗徑鉆具鉆進，以保證開孔和換徑過程中鉆孔的垂直度。

（5）機臺配備一套羅盤測斜儀或陀螺儀，每鉆進20m測一次斜，保證鉆孔偏斜率不超1.5%，如發現偏斜率超過，必須停止鉆進，找出原因，采取相應的糾斜措施。

5.3 采用合理的鉆進工藝及操作方法

（1）在上部井段鉆進中，要輕壓慢轉，控制井斜，防止偏磨。嚴格控制孔壁環狀間隙，以減小偏斜角，有效的控制鉆孔彎曲，必須做到：使用剛性好，長而直的巖心管。不要頻繁更換鉆進方法，以免造成孔壁間隙不均勻。

（2）減小鉆桿撓曲度，減小粗徑鉆具的偏斜力，提高鉆具的穩定性，鉆壓、轉速應控制在規程范圍內，過大的鉆壓和過高的轉速都會使鉆桿撓曲增大。大直徑孔段使用扶正器以扶正穩定鉆具。

（3）普通金剛石鉆進使用剛性好的鉆具，對易斜孔段使用加長鉆具和增加擴孔器數量的方法，提高鉆具剛性和直徑，增加鉆具穩定性；采用繩索取心鉆進工藝，減小環狀間隙，繩索取心鉆進是屬于滿眼鉆進，環狀間隙小級配合理，有利于鉆桿和鉆具的穩定，不容易產生孔斜。

（4）合理選擇鉆進技術參數，鉆壓不能過大，不能盲目加壓追求進尺，超過100m以后宜減壓鉆進，鉆壓大小應根據巖石軟硬合理選擇；轉速也要比較適中，不要時快時慢，盡量保持鉆進速度均勻穩定；泵量也要適當，不能過小也不能過大，泵量過大會強烈沖刷孔壁，可能造成井壁間隙過大，容易導致孔斜，繩索取心孕鑲金剛石鉆進技術參數選擇參考值如下：

￠75口徑鉆頭壓力10KN～12KN，轉速400r/min～800r/min，泵量40L/min～70L/min；￠91口徑鉆頭壓力12KN～15KN，轉速350r/min～700r/min，泵量60L/min～90L/min；￠110口徑鉆頭壓力14～16KN，轉速250～500，泵量90L/min～100L/min；

￠130口徑鉆頭壓力16KN～20KN，轉速200r/min～400r/min，泵量100L/min～130L/min；￠150口徑鉆頭壓力18KN～22KN，轉速220r/min～300r/min，泵量120L/min～150L/min；￠170口徑鉆頭壓力20KN～24KN，轉速80～250r/min，泵量130～180L/min。

（5）在易斜井段鉆進時，要嚴格執行定段長測斜的措施，測不成不能繼續打鉆。如果孔斜超標，應立即采取糾斜措施。

5.4 糾斜技術措施

（1）在施工過程中一旦出現鉆孔彎曲出現超標，要及時糾斜。因此要配備用于鉆孔糾斜的鉆具，糾斜鉆具可以考慮選用LZ型連續造斜器。LZ型連續造斜器結構及使用參見有關技術資料。

（2）此種連續造斜器又稱無楔體連續造斜器。它利用專門機構產生偏斜力實現定向造斜。該造斜器是同徑造斜，一次成孔。造斜后孔身呈平滑曲線狀，無“狗腿”急彎。

（3）螺桿馬達糾斜：螺桿馬達是地質勘探中應用很廣泛的糾斜工具，是一種以鉆井液為動力，把液體壓力能轉為機械能的容積式井下動力鉆具。國內有廠家出售￠91和￠75口徑的螺桿馬達，糾斜效果也很好，可以考慮選擇作為豎井勘察孔糾斜工具，具體結構及操作在此不作詳述。

6 施工管理

建立精干高效的施工團隊，選用業務素質高和工作責任心強的員工，施工之前組織技術交底，團隊員工都能熟練掌握施工工藝和質量控制，明確自己的崗位職責，強化安全質量意識，交接班密切配合，整體有序高效運轉。技術管理人員須加強現場施工指導，每班都要現場全面檢查落實各項工作，發現問題及時處理。地質技術人員要及時依據巖層的變化，提示嚴格采取防斜措施，督促落實各項技術指標都能滿足技術要求，確保鉆探施工安全有序順利進行。

7 結語

豎井工程勘察孔施工具有一定的難度，組建精干高效的項目施工團隊,施工之前現場踏勘調研，拿出切實可行的施工方案，選用合理高效的鉆探工藝技術措施，對可能遇到的困難提前做好預案，安排技術能力強經驗豐富的機臺人員實施豎井工程勘察孔施工，同時強化安全管理力度，在保證施工質量同時，力爭做到安全、快速、優質、高效完成施工任務，方能取得良好的經濟效益。