SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要 ：矿山充填钻孔是一项非常重要的矿山工程技 术，随着机械化技术的发展，20 世纪初出现了钻孔机和充 填机等机械化设备， 使得矿山充填钻孔技术得到了快速发 展。随着矿山充填钻孔技术的不断发展，其应用范围也逐 渐扩大，成为了矿山开采中必不可少的技术手段之一。本 文结合某矿山深部挖潜扩产技术改造充填钻孔施工， 通过 对比各钻进工艺方法优缺点，结合项目地质情况，综合考 虑工期、质量(钻孔垂直度) 等因素，确定本项目拟采用的钻进方法。
关键词 ：矿山充填钻孔,空气潜孔锤,施工工艺
1 前言
矿山充填钻孔是一项非常重要的矿山工程技术，其发 展历史可以追溯到 19 世纪末。早期的矿山充填钻孔技术 主要采用手工钻孔和手工填充的方式， 效率低下且质量难 以保证。随着机械化技术的发展，20世纪初出现了钻孔机 和充填机等机械化设备， 使得矿山充填钻孔技术得到了快 速发展。20 世纪 50 年代，矿山充填钻孔技术开始应用于 金属矿山的开采中， 这使得矿山充填钻孔技术得到了进一 步的发展和完善。在20 世纪 60 年代和 70 年代，矿山充填 钻孔技术在澳大利亚、加拿大和南非等国家得到了广泛应 用，成为了矿山开采中不可或缺的技术手段。随着矿山充 填钻孔技术的不断发展，其应用范围也逐渐扩大。现在， 矿山充填钻孔技术已经应用于金属矿山、煤炭矿山、非金 属矿山等不同类型的矿山中， 成为了矿山开采中必不可少的技术手段之一。
矿山充填钻孔施工工艺是指在矿山开采过程中，为了 保持矿山的稳定性和安全性， 需要将废弃物或其他材料填 充到已经开采的空间中。这个过程需要通过钻孔来进行， 因此称为矿山充填钻孔施工工艺。在这个过程中，首先需要选定合适的填充材料，如矿渣、煤矸石等。然后，通过钻孔机进行钻孔，将填充材料送入钻孔中。填充材料需要 按照一定的密度和压实度进行填充， 以确保填充后的空间能够承受地压力和其他力量的作用。
在施工过程中，需要注意钻孔深度、孔距、孔径等参 数的控制，以确保填充效果的质量和稳定性。同时，还需 要注意施工现场的安全和环保问题， 如防止钻孔过程中的 粉尘污染、防止填充材料外泄等。总之，矿山充填钻孔施 工工艺是一项复杂的工程， 需要严格的施工标准和安全措施来确保施工质量和人员安全。
本文基于某矿山充填钻孔工程施工实例，对矿山充填钻孔施工方法及控制措施进行了介绍， 可为同类工程参考。
2 工程概况
深部挖潜扩产技术改造属改扩建项目，本施工项目为 其一个子项。项目位于江西省德兴市，采用充填采矿法进 行矿产开采。矿山充填系统充填料搅拌站设在地表 130m 高程处，充填料经由垂直充填钻孔分级输送到井下采空 区。本次设计的充填钻孔从 130m处进入 -288m 中段巷道， 孔深约420m， 孔径 300mm， 钻孔偏斜率 <1%， 终孔后安装203双金属复合耐磨管， 并采用 G级油井水泥进行固井。
据区域地质资料，充填钻孔钻地层依次为全风化石英 斑岩 ;强风化石英斑岩 ;中风化石英斑岩(局部断层破碎带发育)、褐黄、青灰、灰白色， 斑状结构， 块状构造。
矿区主要岩类自上而下可依次划分为①杂填土 (Qml) ;②全风化石英斑岩 (ξμS2) ;③强风化石英斑岩 (ξμS2) ;④中风化石英斑岩 (ξμS2)。
(1)第四系人工填土层(Qml)。杂填土(Qml)，灰黄、 褐黄、灰白色，干，以建筑物基础砼块、砖块及少量基岩 碎块和黏粒组成。为近期人工回填，未经人工压实处理， 结构松散，尚未完成自重固结。承载力低，工程性能差，且不均匀， 揭露层厚为 0.5 ～ 2.0m。
(2)燕山期(ξμS2)石英斑岩，褐黄色、灰白、青灰色， 斑状结构，块状构造，矿物成份主要为石英、长石、云母 等，勘探深度范围内，按岩石风化程度及工程特性的差异 可分 ：①全风化石英斑岩 ;②强风化石英斑岩 ;③中风 化石英斑岩及微风化石英斑岩三个亚层， 对其工程地质特征分述如下。
①全风化石英斑岩 ：褐黄、灰黄色，干燥，硬塑状， 成分主要为黏粒、砂土及少量碎块组成，砂土及碎块含量 较高，压缩性中等，韧性低。实测标准贯入试验锤击数为12 击，揭露层厚 1.2m。
②强风化石英斑岩 ：褐黄、灰黄、灰白色，斑状结构 , 块状构造 , 岩石风化裂隙发育，岩芯破碎，岩芯呈碎块状、 块状、少数短柱状， 手掰易断。岩质较软， 属较软岩， 岩体 完整程度为破碎 ,RQD=0%。岩体基本质量等级为Ⅴ级。揭露层厚 1.8m ～ 15.5m。
③中风化石英斑岩 ：褐黄、青灰、灰白色，斑状结构， 块状构造。矿物成分主要为石英、长石、云母等，岩石风 化裂隙较发育，见少许垂直裂隙面，岩芯多呈短柱状、碎 块状及柱状，少数为长柱状。饱和单轴抗压强度标准值为 7.09MPa，属较软岩。岩体完整程度为较完整 , 但其裂隙较 发育，RQD=25% ～ 60%。岩体基本质量等级为Ⅳ级。揭露层厚为 6.7m ～ 19.2m。
3 施工工艺对比选择
充填孔施工工艺的选定主要依据为。岩层软硬、完整 程度，钻孔直径、工序要求，施工装备性能。钻进工艺技 术方法是关系到能否实现钻孔成孔， 确保钻孔偏斜率和取 得工程施工良好经济效益的关键， 要以选择钻进工艺方法甚为重要。
本工程施工的难点是。钻孔口径较大，钻孔深度大， 钻孔垂直度要求高，钻越地层尚不明确。在施工工艺比选 时，经查阅相关的文献资料，可选用无芯牙轮回转钻进或空气潜孔锤钻进工艺， 工艺优缺点比较如下。
大直径金刚石取心钻进。优点为一径到底，孔壁规 则，垂直度易保证，地层结构可判别，缺点为完整层取心困难 , 破碎层钻进困难 , 易发生卡钻事故。
大直径牙轮成PDC全面钻进。优点为一径到底 , 中软岩效率高，缺点为完整层取心困难 , 破碎层钻进困难 , 易发生卡钻事故。
大直径牙轮成PDC全面钻进。优点为一径到底 , 中硬岩效率高， 缺点为扭矩大 , 需配套大功率空压机， 振动大。
小直径金刚石取心钻进导孔十扩孔。优点为小径钻孔 施工快易 , 垂直度较易保证，缺点为扭矩大 , 扩孔易发生断钻事故， 效率低。
根据多年施工经验，再通过对比各钻进工艺方法优缺 点，结合项目地质情况，综合考虑工期、质量(钻孔垂直 度)等因效，本项目拟采用空气潜孔锤钻进方法，具有施 工速度快，孔内事故少，较好地解决了较深较大口径充填钻孔垂直度难以保证的难题。
在空气潜孔锤钻进方法中，又有锤底凹面导向钻进、 锤底平面全面钻进、小孔引路钻进工艺方法。根据对钻进 类型及工艺方法的对比，结合本项目的特点，经过仔细研 究和慎重考虑， 本项目决定采用空气潜孔锤锤底凹面导向钻进法进行施工， 方能确保施工进度和施工质量。
4 施工工艺确定
根据试验确定采用空气潜孔锤钻进，该工艺是一种常 用的钻井工艺， 利用借助空气压缩机提供冲击力钻机加压 或钻铤、钻杆自重进行轴向加压，利用空气压缩机提供冲 击力回转扭矩，空气潜孔锤在岩石上同时冲击和回转，对 岩石产振动及冲击动压力作用，将岩石切割研磨成碎屑，由空压机风带出， 最终完成钻。
4.1 施工主要设备的选择
空气潜孔锤钻井设备主要包括。动力头式钻机、大功 率空压机、增压机、地面管汇系统(高压管线、储气罐、气水龙头等)，油井水泥高压固管时还需要高压泥浆泵。
4.1.1 钻机选型
钻机主要根据钻孔的直径、孔深来选择，本项目充填 钻孔成孔直径要求为 Φ300mm，地表充填孔单孔孔深约 420 米、-288 米中段充填孔单孔孔深约 120 米。在矿区地层 用空气潜孔锤施工还必须要考虑斑岩、破碎、裂隙、涌水 等复杂因素的影响。同时还要考虑业主对钻孔的垂直度要 求。因此，经综合考虑，本项目宜选择比一般地层施工大一级配的设备 CJD1000 气动水井钻机。
4.1.2 空压机选择
空压机是空气钻进系统的主要设备之一，输出的压缩 空气既是钻探的动力介质，又是洗孔循环介质，其功能等 同于常规钻探的泥浆泵， 主要区别是压缩空气为可压缩流 体。空压机的主要工作参数是供风量和风压，根据钻孔施 工时所需风量和风压来选择空压机的型号，用风量和风 压的确定需综合考虑钻具组合、井径、井深及地层涌水等 因素，经综合考虑，本项目宜选用柴油移动螺杆空气压缩机，型号为XXHP1270/XHP1500.
4.2 钻孔施工方法
4.2.1 钻具级配和钻具组合
充填孔采用 Φ365mm 钻进开孔，待穿过顶部松散层 后即下入 Φ360mm 导管并用水泥封固井口。待水混凝结 后，用 Φ327mm 平底潜孔锤钻具继续钻进，待穿一次自 测斜后下入 Φ325mm 的导管作为二层套管。最后，采用 锤底凹面空气潜孔锤进行全断面钻进，潜孔锤锤头直径 Φ300mm。为了保证钻杆有足够的刚性和钻孔的垂直度， 采用空气潜孔锤钻具钻进时，须使用较大直径的 Φ127mm 钻杆，减小钻杆与井壁间的环状间隙，钻遇溶蚀发育段的 涌水漏水情况和排渣困难时， 在钻杆与钻铤处和排渣困难 段下部接旁通阀，利排渣 ;为减少排余气时间、防井底余 渣上窜堵塞冲击器，在钻杆200m 处加一个单向阀 ;为保 证钻孔垂直度，应在冲击器部位增加扶正器。空气潜孔锤 钻进时钻具组合为 ：Φ300mm锤头 +HD275A 潜孔冲击器+扶正器 /稳定器 + 钻铤 +Φ127mm 钻杆 + 主动钻钻杆。
4.2.2 钻进方法
①钻具下入孔内启动空压机后称重，把钻压仪清零， 缓慢转动钻具加压， 此时钻压仪显示的数值即为钻孔工作 钻压，钻压为钻铤重量的 30%，潜孔锤正常工作后即为正 常钻进。②钻进过程中，随时关注进尺情况和钻具声音， 若钻进中钻速突然降低或不进尺，且气压猛增，尽快将钻 具提离孔底，防止发生埋钻和其他事故的发生。在钻进过 程中随时观察排渣口排渣情况是否正常， 根据排出的岩渣 和地层柱状图了解地层情况，以判断工作是否正常。③保 持钻具内孔清洁，防止潜孔锤活塞卡住而不能工作，防止内缸套和活塞过快磨损。④钻具加杆后主杆连接完毕时送风，防止井内有粉尘和水经高压产生的泥坨子。待风返回 井口后，再开动钻机转动钻具，扫到井底，潜孔锤工作正 常后按正常参数钻进。⑤加钻杆时把钻具提离孔底，并慢 速提升转动，待确定冲击锤无粉尘覆盖掩埋危险，主动钻 杆出井口后方可停风、加钻杆。⑥每回次结束，要及时检 查潜孔锤螺纹连接及钻头卡销等关键部位， 以防潜孔锤零部件脱落井内。
钻进时人员必须随时观察钻机所有液压表和风能压力表， 并定时用清洗液清洗冲击器， 防止堵塞。
4.2.3 取心方法
空气潜孔锤冲击破碎后的岩屑，依靠压缩空气携带至 孔口，经排屑软管送至旋流器，高速的气屑、液屑混合物 通过旋流而迅速减速分离，最后收集在岩心箱中。在钻进 过程中，由于倒杆、加钻具等，会出现短暂的钻进间隔， 因此要注意岩屑上返速度， 以便确定收集时的推迟时间。
4.3 工艺参数
本工程选用空气潜孔锤钻进工艺进行施工，由于孔径较大(扭矩较大)，潜孔锤一次成孔难度较高且风险较大。
钻进技术参数主要是根据岩石的可钻性、完整程度，钻孔的孔深、孔径来选择。
4.3.1 钻压
合理的钻压可保证锤头球齿与岩石紧密接触和克服 冲击器及钻具的反弹力。潜孔锤有钻压限值时，钻压应 小于限值，无限值时，钻头直径单位长度压力为 0.06kN/ mm ～ 0.08kN/mm， 即钻压为 25.2kN ～ 33.6kN， 遇溶蚀 发育、软弱互层频繁时，应适当减小钻压，以防止井斜和保护钻具。
4.3.2 转速
旋转钻具可以改变硬质合金刃破岩的位置。通常潜孔锤钻进转速要求在20r/min ～ 50r/min。
4.3.3 风量和风压
风量的大小与冲击器的耗气量、井内环空面积、钻进 深度及复位井况相关， 需满足上返风速20m/s ～ 30m/s 的 要求，风量越大井底越清洁重复破碎的机率越小，钻进效 率越高 ;风压为潜孔冲击器冲击做功克服空气排渣上返的阻力提供动力，同时须克服管道压力损失、孔压力降、潜孔锤压降、井内液柱压力等。
风量和风压的确定需综合考虑钻具组合、井径、井深 及地层涌水等因素。在实际操作中，先算得参考值，再根据现场情况确定。
经过对比选择确定工艺参数如下 ：
(1)钻机型号 ：CJD1000 气动水井钻机。
(2)钻具 ：先用小口径203mm 潜孔锤施工引导孔，再 用 300mm 大口径潜孔锤扩孔， 最终达到设计要求。
(3)潜孔锤锤头 ：外径 Φ300mm。
(4)扶正器 ：外径 Φ270mm。
(5)孔斜测试仪 ：JTL-40G 型高精度测斜仪。
4.4 施工措施
(1)严把钻机安装关，确保钻机平稳、不旷动 ：①地 基必须平整、坚实、稳固、周正，填方面积不大于基座的 1/4 ;②基座安装稳固、水平、能承担全部负荷 ;③保持 天车， 动力头中心轴心、钻孔中心在同一直线上 ;④钻机、 空压机、动力机机座与枕木螺栓连接牢固，传动轴线平行、对正。
(2)开孔时必须缓慢转动钻具加压，随时观察主动钻 杆的状态。条件允许的情况下，建议采用比设计口径大的开孔钻具开孔。
(3)钻进过程中采用大直径潜孔锤锤头作为钻进装 置，不得采用过大压力加压。本工程采用270mm扶正器配 合 300mm潜孔锤锤头， 不仅提高了钻进冲击振动， 这种组 合钻具钻杆、主动钻杆及扶正器的结构，也成为确保钻孔垂直度的关键因素。
(4)全孔平稳冲击振动钻进，严格控制压力、风量， 慢速冲击，不得盲目追求钻进速度，严防顺层倾斜。钻进时各班组钻进参数 (钻速、压力、风量) 要一致，不得随意改变钻进参数。地层情况改变确需调整时，应协调统一。严防塌孔、卡钻等孔内事故。
(5)采取有效的扶正、导正措施。建议采用组合钻具， 即稳定扶正器与潜孔锤锤头的直径相同。应尽可能增加 扶正的长度及刚度。如使用大直径扶正器作为扶正时，扶 正器的直径应根据地层情况选取，不可太大，以免造成卡钻，一般应小于锤头直径 3cm ～ 5cm。
(6)钻进过程中及时进行孔斜度测量，做到“即斜即 纠，即纠即测”，不能将倾斜累积到一定程度再纠斜， 这样就增加了纠斜的难度， 甚至造成无法纠正。
5 结论
(1)空气潜孔锤钻进工艺是一种在地下开采矿物资 源时使用的钻孔技术。它是通过使用空气潜孔锤钻机将 空气压缩机产生的高压空气推动钻头，使其在地下钻孔。 这种钻孔技术具有效率高、速度快、成本低等优点，因此 在矿业领域得到广泛应用。同时， 空气潜孔锤钻进工艺也 需要注意安全问题，以确保工作人员的安全和设备的正常运行。
(2)建议矿山充填钻孔施工前，充分收集区域地质资 料，必要时进行专项勘察工作，确保所选钻进工艺与地层相适宜， 并做好施工组织专项设计工作。
(3)充填钻孔施工对充填采矿法的推广及应用有着重 要的意义。矿山充填钻孔采用空气潜孔锤钻进工艺是可行 的，尤其适用于岩层破碎或软硬不均的复杂地层。本文采 用工艺对比选择试验确定空气潜孔锤冲击钻进工艺， 在适 宜的控制下达到充填钻孔孔深 420m，偏斜率 <1% 的设计要求， 可供地层类似区域的充填钻孔施工借鉴。
(作者单位 ：江西省核工业地质调查院)
关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！
文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/ligonglunwen/68853.html
