中关铁矿帷幕注浆工程科技成果汇编：探讨斜成因与处理

游红江，张卫东

（华北有色工程勘察院有限公司河北石家庄　050021）

摘要：在深孔帷幕灌浆钻孔施工中，孔斜控制具有十分重要的意义。本文在着重探讨孔斜成因及其不良影响的基础上，介绍了孔斜的预防和处理措施，对保证钻孔方向具有重要意义。

关键词：帷幕连续性　钻孔方向　孔斜成因　纠斜法

1.引言

为了有效保护环境水资源，实现矿产资源的合理开采，大水矿山治理地下水目前常采用帷幕注浆等手段，即利用围岩裂隙被充填高强度水泥形成止水帷幕，封闭矿体内外水循环，从而达到既能采矿，又能保护水资源的目的。为保证帷幕注浆堵水效果，帷幕灌浆质量与钻孔垂直度有至关重要的关系。由于各方面的原因，钻孔往往会产生一定的偏斜。假如偏斜严重，不仅影响钻进效率，而且会影响帷幕体的连续性，使帷幕堵水率达不到目的。研究、探讨、控制注浆孔，特别是深度较大注浆孔的孔斜是必要的。

在此，根据中关铁矿帷幕注浆工程实际情况，探讨深注浆孔偏斜成因及防治措施，以供讨论（帷幕注浆孔一般设计是垂直孔，本文也是讨论如何控制钻孔的垂直度）。

2.工程背景

邯郸钢铁集团公司中关铁矿位于河北省沙河市白塔镇中关村附近，北距邢台30km，南距邯郸53km，南北长2　000m，宽800m左右，矿床平均厚度38.00m，最大厚度193.06m，埋深300～800m，总储量9　345万t。帷幕注浆钻孔需穿过第四系、石炭—二叠系、中奥陶系、燕山期闪长岩，其中包括蚀变灰岩带、断层带、破碎带等复杂地层，钻进及注浆施工难度大。

帷幕注浆工程由华北有色工程勘察院承担，帷幕线设计南北长1　140m，东西最大宽度890m，平面上呈环形全封闭，全长3　397m，由270个注浆孔、20个观测孔、34个检查孔、36个加密孔共360个钻孔构成，其中最深孔810m，总进尺201　906m。

注浆帷幕设计厚度10.00m，浆液扩散半径8.00m，设计孔距12.00m，注浆段平均长度30.00m。注浆段钻孔直径110～75mm。注浆帷幕完工后的帷幕防渗性能指标q≤2Lu，帷幕形成后堵水率达80%，透水系数小于0.08m／d。

3.孔斜成因分析

钻孔产生孔斜，其主、客观因素可归纳为不良地质条件、钻机及配套钻具不合理、操作方法不当三个方面。

3.1　不良地质条件

（1）钻进覆盖层时（多为第四系地层），覆盖层越厚，越容易改变钻孔的方向。其主要原因是覆盖层具有较强的活动性，对钻具不能形成强有力的控制，因而不能保证钻孔垂直度。

（2）在有一定倾角的、软硬交替的岩石中钻进，由于在钻头同一接触面上有软硬不同的岩层，因此，可钻性不同的岩层会产生不同的钻进速度，从而改变钻头的钻进方向。

（3）在厚度大、破碎较严重的岩层中，钻具在钻进中不容易被控制。此外，破碎岩层往往是软、硬岩层共存，因此，钻头极易改变钻进方向。

（4）卵砾石层中，钻孔最容易偏斜。因为砾石的硬度较高，圆滑度较好，钻头易产生偏滑，改变钻头钻进的方向，特别是“探头石”对钻孔垂直度有较大影响。

（5）在遇到大溶洞、大断裂带或采空区等情况时，也易产生钻孔的偏斜。

3.2　钻机及配套钻具不合理

（1）在开孔或孔浅钻进时，钻机立轴与钻孔不在同一条中心线上，这会直接影响钻孔偏斜；使用过高的、磨损较严重的主动钻杆开孔，立轴产生较大的摆动，直接影响孔底钻进的不稳定性；注浆孔一般都要安装孔口管，如果孔口管不正，会造成开孔就产生偏斜。

（2）使用了弯曲的钻具或过短的岩芯管，会使钻具失去导正作用，影响钻孔的垂直度。

（3）在由大孔径换小孔径或扩孔钻进过程中，因为孔壁各部硬度不一，孔径大小也不一致，换径后易产生偏斜。

（4）钻杆越细，受压钻杆产生的弯曲越大、扭曲也会增大，使孔底钻进不稳定，从而改变钻进方位。

（5）金刚石钻头胎体硬度不一致或颗粒分布不均一，合金钻头底出刃不均匀，也会影响钻孔的垂直度。

3.3　操作方法不当

（1）钻进时过大地加压，使钻杆产生严重弯曲，特别是在不利的地质条件下，对钻孔垂直度的影响会更大。

（2）使用磨损较大的金刚石、合金钻头，会造成钻头向岩石内切入不稳定，容易改变钻进方向。

（3）在松散易坍塌的岩层中钻进，冲洗液的排量过大，压力过高，特别是使用稠度很小的泥浆或清水作冲洗液时，会较严重地破坏孔壁，造成孔内某一局部的坍塌，形成“大膛”，使孔径扩大，极易改变钻孔方向。

4.孔斜的预防与处理措施

控制钻孔垂直度，使之不发生偏斜是非常困难的。不论采取何种措施防止钻孔偏斜或钻孔产生偏斜后进行处理，都必须考虑影响钻孔偏斜的三方面因素。

4.1　预防孔斜的措施

（1）钻机底盘要求水平，要用水平仪或经纬仪对钻机底盘进行测量，确保钻机底盘水平。立轴与钻孔中心应在同一条垂直线上，钻进中不摆不晃；钻机四塔角处工程地质条件相同，不能发生局部塔角沉降。

（2）孔口管必须牢固并垂直，在开孔与浅孔阶段钻进中，主动钻杆机上余尺不宜太长，否则钻进时摆动性大，致使立轴转动不稳，造成钻具摆动性增大。

（3）使用符合规格的各种钻探器具，并随时检查，如发现有弯曲的钻具或有磨损较严重的主动钻杆，应及时更换。在开孔及孔浅阶段，应逐渐加长钻具。

（4）如果地表有较厚的卵砾石层，可利用冲击钻开孔至10～20m，用水泥砂浆回灌到井口，重新用小口径开孔，确保开孔的垂直度。(www.xing528.com)

（5）钻进到换层时，不论是由软变硬还是由硬变软，或者是由完整变破碎，破碎变完整等情况，均应减压、减速钻进。冲洗液的流量及泵压也应加以适当的控制。

（6）钻进过程中，应经常检查钻机有无移动，立轴的方向有无变化，发现问题应及时纠正。在扩孔时要带内导正器，换径时要带外导正器。

（7）为防止孔斜发生，必须熟悉所使用机械的性能和钻进方法。在深孔钻进过程中，应对孔斜及时测量，准确地掌握钻孔的偏斜轨迹，以利于及时进行纠斜处理。

4.2　孔斜的处理措施

1）扩孔纠斜法

此种方法适合于浅孔中（一般不超过10m）钻孔已偏斜严重的情况。采取加长粗径钻具，并使用比原钻具直径至少大一级的钻具，从孔口或从孔口管底部位置扩下去。

2）短钻具纠斜法

在松软岩层或厚度大的覆盖层中钻进时，当钻孔产生一定偏斜后，可利用较短的粗径钻具进行矫正。因为在上述地质条件下钻孔，孔径一般比较大，而短钻具在较大孔径内较易改变方向。主要通过用轻压力、慢转速的操作方法，钻具会因自重垂向钻进。使用的岩芯管长度一般可为2.00～2.50m，钻进20～25m后进行钻孔测斜。如果孔斜度已减少，则可使用正常钻具钻进；如果没有矫正过来，则可加长粗径钻具，从开始矫正位置扫孔后，即按原孔斜度钻进。

3）换径纠斜法

换径法主要是用比原正常钻进用的粗径钻具小一级或两级直径且长度短于2.00m的粗径钻具钻进。因为短细的粗径钻具可在较大的孔径内呈接近于垂直状态。

在进行矫正前，先把孔内岩芯取净。钻进时要轻压、慢速控制钻进。钻进20～25m后进行测斜。如果孔斜没有减少，可用原正常钻具扩下去，待条件成熟后再进行矫正。如果新孔孔斜度有所减少，可换用带有导正装置的钻具进行扩孔，扩完后换用正常钻具钻进。在容许的情况下，也可用换径的钻具加长后钻进，直至终孔。

4）灌浓浆定位纠斜法

灌浓浆定位纠斜法是在某一灌浆段钻孔结束时进行孔斜测量，发现偏斜值超过允许值时，先不进行纠偏处理，按正常程序继续进行注浆，当注浆结束后，扫孔至孔底，然后灌注浓水泥浆液（比例为0.5∶1的浓浆，可加适量的速凝剂），待凝24～48h后扫孔，当水泥凝固后，通过测斜仪定向，然后换小一级钻具进行钻探，钻探时注意控制钻压及转速钻探3.00～4.00m后再佩戴导正器扩孔，钻探一定深度后，通过测斜仪测量，看斜度或方位是否减小。此种方法耗时较长，一般在上述几种方法处理无效的情况下采用。

5）陀螺偏心纠斜法

根据中关铁矿帷幕注浆工程的具体情况，可采用陀螺偏心纠斜法。

（1）陀螺偏心纠斜法配属机具见图1。

偏心楔：利用73mm钻杆制作，斜面的长度在1.80～2.00m，斜面坡度0.50°～1.20°，偏心楔的顶部连接一个Φ73mm钻杆接手（接手连接部位：制作偏心楔时，一般上部预留30cm长完整的钻杆，其下部再做一个斜面）。

定位靴：定位靴的外径要小于Φ73mm钻杆的内径，一般定位靴外径为Φ65mm，内径为Φ55mm，材质可用钢管或硬质塑料管（定位键用螺钉固定在定位靴的内壁上）。

定位键：金属制作，其大小以能顺利进入定位器的槽中为宜。

定位器：陀螺侧斜仪中的定向设备。

Φ65mm钻具一套，钻具长1.50～2.00m，配金刚石钻头。

（2）陀螺偏心纠斜器的连接：①定位键用螺钉固定在定位靴的内壁上；②带有定位键的定位靴固定在偏心楔顶部的接手下端，要求定位键必须在偏心楔的中心线上。

完成上述工作，所组成的器具定名为陀螺偏心纠斜器。

图1　陀螺偏心纠斜法配属机具

（3）钻孔纠斜的操作步骤：①用陀螺测斜仪采集钻孔偏斜方向和位置，设计钻孔需要纠正的方位和斜度（一般为钻孔倾斜方位的180°）。②将纠斜器与Φ73mm钻杆连接在一起，下入井内，并准确下到孔内准备纠斜的位置，钻杆在井口。③将连有定位器的测斜仪下入定位靴中，卡槽进入定位键，观测定位键的方位。在井口转动Φ73mm钻杆来改变定位键的方位直到达到设计纠斜方位，然后在井口固定好Φ73mm钻杆，升上测斜仪。④在Φ73mm钻杆内下入Φ65mm钻具（钻杆要小一个级配）将定位靴取出或扫掉，钻进2.00～3.00m后升上Φ65mm钻具，再将Φ73mm钻杆和纠斜器升上。⑤下入带有前引的Φ73mm钻具（前引口径小于Φ65mm）扩孔2.00～3.00m。⑥去掉前引钻具，用Φ73mm钻具进尺25～30m再次下入测斜仪观测钻孔的偏斜方位和偏斜度，如钻孔轨迹方位有所改变，斜率变小，可继续钻进，否则重复上述方法再次进行纠斜。

6）移孔法

在灌浆施工中，当发现钻孔偏斜严重时，为防止严重的孔斜对灌浆质量产生影响，可在该孔附近补钻新的灌浆孔，原则是根据设计单位提供设计作为依据进行移孔。但补钻灌浆孔前应封填好原偏斜灌浆孔。此种情况适用于浅孔阶段中就严重偏斜且在采取多种矫正方法均无效的灌浆孔。补钻新的灌浆孔后在与原偏斜孔相对应的孔深位置以上的各灌浆段一般可不再灌浆。

5.结论

要保证深孔帷幕灌浆孔不发生偏斜绝非易事，虽然结合地质条件可采取多种技术措施和操作方法，往往也很难控制钻孔不发生偏斜。因此，对于解决偏斜问题，笔者认为不仅要做好防斜工作，而且要通过加强测斜等方法进行控制，通过测斜工作，如发现钻孔斜度较大，应及时进行纠斜，即做到防斜、测斜、纠斜三者相结合。纠斜时尽量一次纠斜到位，避免钻孔轨迹呈“S”形状，如钻孔多次进行纠斜，对钻孔后期钻探存在很多隐患，势必造成断钻等事故频发。

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（本论文发表于《河北勘察》2009年3期）