朱文敏

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

反井鉆機法是將鉆機安裝在豎井的上方，并首先自上而下鉆先導孔，導孔貫通后，安裝擴孔鉆頭，自下而上反拉，直至反拉鉆頭穿透地表，從而達到一次成井的目的。

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

圖1 先導孔施工示意圖

1 工程概況

長九（神山）灰?guī)r礦項目礦區(qū)面積4.73km2，礦產(chǎn)資源儲量19.08億噸。開采礦種為石灰?guī)r，設計生產(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)豎井平洞運輸至礦石加工系統(tǒng)，加工后成品混合料經(jīng)物流廊道運輸至碼頭堆場，經(jīng)再次曬洗分級后由裝船機裝船外銷。1、2#豎井位于礦山露天采場內(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。

表1 豎井特征表

2 施工準備

2.1 施工用水

反井鉆機施工用水由EL335馬道（施工平臺高程為EL325）100m3水池作為水源接口，再利用供水管路接至施工現(xiàn)場，24小時持續(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電控柜，接口終端設置一個開關箱，施工用電量接電表據(jù)實計量。

2.3 平臺基礎

在反井鉆機運至施工場地前，做好反井鉆機開口位置施工基礎，基礎砼必須保證水平，砼強度為C40?；A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砼，鉆機混凝土基礎高出地面20cm，以利于施工排水，并在基礎中部設置水槽進行鉆孔巖粉的排放。砼基礎上平面要保證一定的平整度，確保鉆機安裝后的穩(wěn)定性和鉆孔精度。

2.4 測量定位及設備安裝

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

反井鉆機在廠家人員的指導下有序安裝。安裝完成后，將總電源開關搬至接通位置，根據(jù)電源指示燈指示判定電源是否正常（紅色：正常；橙色：相序錯誤）；電源正常后，全面檢查主機各安裝件、管路連接是否牢固，一切正常后再啟動主機，空載運轉(zhuǎn)5分鐘，逐個檢測各部件的動作是否準確可靠，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，運動件的連接軟管是否干涉，確認一切無誤后方可開鉆。

3 偏斜風險分析

反井鉆機先導孔造成鉆孔偏斜的原因很多，除了人員技術(shù)水平、工藝、設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)四個方面：

（1）鉆桿軸向荷載造成的偏斜。在垂直的導孔鉆進中，鉆孔開孔時鉆桿不會彎曲，因此不會出現(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，鉆桿就會逐漸彎曲，由彎曲的鉆桿產(chǎn)生的非垂直荷載導致了鉆進方向角度的變化，致使鉆具的下部（即從彎曲點到鉆頭）已偏離了鉆孔的預定路線。

（2）巖層對鉆頭的反作用造成的偏斜。在無層理、節(jié)理或斷層的堅硬而均質(zhì)巖層中鉆鑿導孔時，因巖層反作用力造成導孔偏斜的情況較少，其偏移量也較少。鉆頭鉆進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；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）鉆頭移步對鉆孔偏斜的影響。鉆頭移步是指鉆頭在導孔鉆進中具有偏移趨向。鉆頭移步將引起鉆孔偏斜。

（4）先導孔鉆進遇到不良地質(zhì)，不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)對先導孔偏斜會產(chǎn)生嚴重影響。如鉆桿遇軟巖及破碎帶巖層時，在鉆壓的作用下，先導孔容易偏離設計軸線，造成偏斜。

4 偏斜控制實施過程

4.1 偏斜測量

鉆孔期間加強對井孔偏斜情況進行測量，以便及時掌握孔內(nèi)變化情況，確定相應的措施，防止出現(xiàn)無法挽回的偏斜而造成重大損失。利用反井鉆機自帶的測量儀器配合自制測斜儀（已獲得專利）進行鉆孔偏差測量。具體檢測步驟為：①根據(jù)井身制定分鉆進尺寸偏斜要求，以便現(xiàn)場控制；②開孔15m后檢測一次，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在導孔鉆進過程中，要求每30m檢查一次，或在更換鉆頭時進行檢測，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。

表2 偏斜控制表

圖2 現(xiàn)場施工先導孔測斜圖

4.2 偏斜糾正措施

4.2.1 導向鉆桿法

第一種方法為導向鉆桿法。為了防止導孔鉆進一定深度后，受鉆進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，施工中配置了導向鉆桿（直徑與鉆頭一致的鉆桿）強行控制鉆進方向。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，以此達到糾正孔向偏差的目的。

加強孔深對應巖性的判別。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），下表為我們在施工現(xiàn)場的做法，可根據(jù)地質(zhì)情況進行相應調(diào)整。密切關注加裝穩(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檢查鉆機各聯(lián)結(jié)是否松動，通過自帶測斜儀觀察立桿角度是否變化，鉆桿與鉆桿瓦是否同心，及時進行校正。鉆孔深度在0m～5m，純鉆進速度≤0.2m/h，回轉(zhuǎn)速度20～24r/min。

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

（3）開孔15m進行第一次孔斜驗收，以確保成孔精度。

4.2.2 偏置鉆機法

第二種方法是偏置鉆機法。指的是如果鉆孔偏斜程度和方向非常有規(guī)律，可采取偏置鉆機的方法來糾正預計的偏斜，移動鉆機的距離和方向根據(jù)施工經(jīng)驗而定。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至孔底一段進行充填，待其凝固后校正鉆進方向二次鉆孔。本工程未采用。

4.3 不良地質(zhì)對偏斜的影響及采取的措施

當鉆機鉆進到裂隙比較發(fā)育的破碎帶時，循環(huán)水流失嚴重，無法將鉆渣排出，致使鉆進無法繼續(xù)，或者會造成孔壁坍塌，嚴重時會導致卡鉆、埋鉆等嚴重后果。

當鉆頭鉆到斷層的上下盤時，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。不同問題對應的解決措施如下表所示。

表4 不良地質(zhì)段情況統(tǒng)計表

4.3.1 調(diào)整鉆進參數(shù)

（1）從表中可以看出不良地質(zhì)段導孔鉆進時主要采用降低推進壓力來控制鉆進速度。在遇到斷層和破碎帶時，力求反井鉆機運行平穩(wěn)，無明顯沖擊為宜，在鉆進過程中適時調(diào)整鉆進參數(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)，必須詳細記錄每根鉆桿實際出渣量，并與理論出渣量進行對比。如果出渣量變大，需采用泥漿護壁后方可繼續(xù)鉆進。如實際出渣量比理論量小，此時需增大扭矩，若出渣量仍然小，說明可能巖體破碎，應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，可多進行幾次，掃孔仍不能解決問題，需提鉆進行固結(jié)灌漿，待凝后采用泥漿護壁方可繼續(xù)鉆進。

4.3.2 循環(huán)洗井介質(zhì)的選擇

正常鉆進時，一般選用水作為循環(huán)洗井介質(zhì)，當遇到斷層、破碎帶等不良地質(zhì)情況時，由于循環(huán)水流失嚴重，導致返渣量減少，此時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，固結(jié)灌漿后采用泥漿作為循環(huán)洗井介質(zhì)，但出現(xiàn)鉆機扭矩變大，返渣量偏少等現(xiàn)象，決定選用高壓風作為循環(huán)洗井介質(zhì)，采用水和高壓風進行返渣。

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，同時鉆機出現(xiàn)抖動等現(xiàn)象，為避免出現(xiàn)塌孔、卡鉆現(xiàn)象，采用0.8：1水泥漿液進行固結(jié)灌漿，待凝結(jié)后進行二次鉆孔。

圖3 先導孔不良地質(zhì)處理

5 先導孔偏差控制效果

序號 項目 規(guī)范要求精度 實際控制精度 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 先導孔偏斜目標控制圖

圖5 先導孔精準貫通

6 結(jié)束語

本文通過對長九灰?guī)r礦豎井先導孔偏斜率控制為實施例，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，針對地質(zhì)的不同項目部采用了對應的解決措施，最終確保了先導孔精準貫通，同時避免了工期延誤、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孔精度的施工技術(shù)，最終兩條豎井的先導孔精度高于行業(yè)規(guī)范要求，保證了投產(chǎn)節(jié)點工期，避免了增加成本，為類似工程提供重要參考和借鑒。