小秦嶺金礦田大口徑電纜通風孔鉆進實踐與研究

楊寬才， 孔二偉， 寧贊格， 王利鋒

(1.河南省地礦局第四地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001； 2.河南省小口徑鉆探工程技術研究中心，河南 鄭州 450001)

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小秦嶺金礦田大口徑電纜通風孔鉆進實踐與研究

楊寬才1,2， 孔二偉1,2， 寧贊格1,2， 王利鋒1,2

(1.河南省地礦局第四地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001； 2.河南省小口徑鉆探工程技術研究中心，河南 鄭州 450001)

隨著礦山開采的日益深入，為了降低電損及線路鋪設等成本，提高坑道通風效果，設計大口徑電纜通風孔是有效手段。靈寶市某金礦設計一口電纜通風孔，采用現(xiàn)有的立軸式液壓鉆機、多級擴孔鉆探施工工藝、實施先導孔初級定向控制孔斜等工藝技術，成功實施，達到了通風、供電和通訊的多重效果，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟效益。從鉆探設備、鉆進工藝、孔斜控制工藝等方面對該孔的施工經(jīng)驗進行了總結，并分析了其經(jīng)濟效益。

大口徑電纜通風孔；鉆進工藝；孔斜控制；經(jīng)濟效益；小秦嶺金礦田

大直徑鉆孔已廣泛應用于煤巷掘進工作面防止煤與瓦斯突出[1-2]、通風[3-4]、應急救援[5-6]之中。隨著礦山開采的日益深入，坑道施工平巷也越來越深，坑道(盲豎井)內(nèi)通風問題日益突出，用于坑道通風及供電的成本日漸加大。礦山企業(yè)為了降低施工成本，提高坑道(盲豎井)通風效果，設計大口徑電纜通風孔是必然趨勢。我單位與靈寶市某黃金企業(yè)共同設計了一口大口徑通風電纜孔。經(jīng)過精心施工，工程質(zhì)量滿足了設計要求，達到了貫通電纜、通風降溫的效果，為企業(yè)節(jié)省了大量費用，受到礦山企業(yè)的好評。

1 工程概況

1.1 項目背景

目前小秦嶺礦區(qū)標高1000 m以上資源基本已經(jīng)開采結束，探礦工程和采礦工程在標高500～1000 m。因此在靈寶市某黃金企業(yè)A坑設計M豎井(盲井)對標高500 m以深區(qū)域進行探礦，為公司長遠發(fā)展奠定基礎。該盲豎井被列入靈寶-盧氏金銀多金屬資源綜合利用示范基地建設項目，也是該企業(yè)的重點探礦工程。M豎井位于A坑道內(nèi)，高程760 m，坑口距M豎井8600 m，井下作業(yè)溫度高，施工速度慢。于2010年開始建設，計劃2014年12月井架、設備安裝、調(diào)試結束，2015年開始實施開拓工程。

按照《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB 16423—2006)，盲豎井必須為雙回路供電，M豎井設計2種供電方案：(1)金東線—A坑口—盲豎井，如圖1中的綠色線所示，紅線為原設計地標線路；(2)變電站—A坑口—盲豎井(如圖1和圖2所示)。第一種供電方案根據(jù)坑道深度的掘進已經(jīng)完成。第二種供電方案根據(jù)預算，從桐溝變電站到A坑口8 km需使用架空線路，井口至M豎井變電硐室8600 m需使用高壓電纜(型號YJLv22-3×150 mm2)，投資費用大、供電質(zhì)量低。經(jīng)過實際考察和圖紙分析、論證，該公司決定在某金礦一中段附近地表實施一個直徑170 mm鉆孔工程，與A坑口井下坑道貫通，使高壓電纜從鉆孔到M豎井變電硐室，可作為主要供電線路。和原第一種供電線路相比，能夠達到供電用戶單一、專線供電，供電穩(wěn)定性高、節(jié)約資金、提高供電質(zhì)量的目的。由于供電鉆孔內(nèi)徑154 mm，高壓電纜直徑90.6 mm，多余部分可起到一定的通風作用。

圖1 供電通風孔工程部署平面圖

圖2 大口徑通風孔供電示意剖面圖

1.2 位置、交通與地層概況

礦區(qū)位于河南省靈寶市陽平鎮(zhèn)大湖峪西峪內(nèi)，屬陽平鎮(zhèn)大湖村轄區(qū)。北距靈寶市36 km，有柏油路面公路相通，有(高速)鐵路、(高速)公路相通，交通便利。

鉆孔所揭露地層主要為斜長角閃巖、斜長角閃片麻巖、偉晶巖、花崗巖及石英巖，巖石可鉆性多為6～10級，局部可達12級；局部巖石軟硬互層，易斜；礦區(qū)水文地質(zhì)條件屬簡單類型。

1.3 電纜通風孔施工技術要求

(1)通風電纜孔地表標高1268 m，孔底(坑道)標高796 m，垂高472 m，終孔口徑要≮170 mm。

(2)鉆孔為垂直定向鉆孔，靶區(qū)為A坑道4 m×30 m避車場，水平偏差<4 m，孔斜率<0.85°，施工精度要求高。

(3)護壁管采用?168 mm×7 mm的DZ45Mn型地質(zhì)管(鍍鋅)，采用螺紋連接并焊接加強。

2 大口徑電纜通風孔鉆探施工技術

2.1 施工設備及配套機具

XY-6B型巖心鉆機，SGZ-23型鉆塔，BW-320型泥漿泵；SJ114繩索取心鉆桿，配SYZX114型液動沖擊器和SQ114/8型液壓鉗；STL-1GW型存儲式數(shù)字陀螺測斜儀(測量精度：孔斜±0.2°，方位±1.5°)。

2.2 施工工藝

2.2.1 施工方案選擇

先用S114繩索取心鉆具配合液動沖擊器施工一個?122 mm的先導鉆孔，之后擴孔至孔底。采用此技術方案的優(yōu)點為：施工的先導孔口徑適中，便于控制孔斜，如出現(xiàn)孔斜偏差過大處理時也較容易；適當減少后續(xù)擴孔鉆頭的切削面積，提高擴孔完井效率；先導孔采取繩索取心技術所取出的巖心，可幫助工程技術人員對地層有較全面的了解，為后續(xù)擴孔施工提供實物依據(jù)；擴孔方案可減小鉆桿扭矩，降低鉆桿及鉆具的失效風險。鉆孔結構如圖3所示。

圖3 鉆孔結構

2.2.2 鉆進方法

因孔斜要求高，為確保開孔垂直度，一開采用?200 mm單管金剛石鉆具鉆進至28.82 m，穿過砂卵石層，下入?194 mm技術套管并固井；二開采用?172 mm單管金剛石鉆具鉆進至35.5 m后下入?168 mm技術套管及?146 mm活動套管(先導孔施工完成起出?146 mm活動套管和?168 mm技術套管)；三開采用SJ114繩索取心鉆具鉆進至471.3 m，鉆穿預定靶區(qū)，達到設計要求。擴孔采用組合式擴孔鉆具(?172 mm單管金剛石鉆具+?150 mm單管金剛石鉆具+?122 mm導向鉆具)進行擴孔。

2.2.3 鉆具組合

一開：機上鉆桿+SJ114繩索取心鉆桿+?200 mm金剛石單管鉆具。

二開：機上鉆桿+SJ114繩索取心鉆桿+?172 mm金剛石單管鉆具。

三開：機上鉆桿+SJ114繩索取心鉆桿+SYZX114型液動潛孔錘繩索取心鉆具。

擴孔鉆進：機上鉆桿+SJ114繩索取心鉆桿+擴孔鉆具+導向鉆具，導向鉆具比擴孔鉆具長出0.5 m為宜。

2.2.4 鉆進參數(shù)

合理的鉆進規(guī)程參數(shù)對防止鉆孔彎曲非常重要。在該孔施工過程中選用的鉆進參數(shù)見表1。

表1 鉆進技術參數(shù)

2.2.5 沖洗液的選擇

2.2.5.1 開孔采用普通沖洗液

配方：清水+3%～4%鈉土粉+0.1%～0.4%CMC+0.2%～0.5%植物膠。

性能：漏斗粘度30 s左右，失水量12 mL/30 min，密度1.02 g/cm3。

使用該配方鉆進上部覆蓋層，可有效抑制上部垮塌地層，確?？妆诜€(wěn)定。

2.2.5.2 完整地層使用無固相沖洗液

配方：清水+0.08%～0.1%PHP+0.2%～0.25%CMC+0.3%～0.4%潤滑劑。

性能：漏斗粘度22～25 s，失水量25 mL/30 min，密度1.01 g/cm3。

在上部孔段已得到有效治理，不再出現(xiàn)坍塌時，下部孔段取出的巖心基本完整，可用該配方鉆進，局部漏失時添加鋸末堵漏，使用該配方可以攜帶大部分孔內(nèi)巖粉，并確保鉆桿與孔壁間的潤滑。

3 孔斜控制工藝

為提高鉆進效率，確保鉆孔垂直度，防止鉆孔彎曲采取了以下技術措施[7-8]。

3.1 正確埋設定向管

根據(jù)施工設計，為保證鉆孔垂直度首要任務就是埋好定向管。為此，要求在修整開掘機場的同時，在孔位用挖掘機挖出一個4 m×4 m×6 m的深坑，將長度為6 m、直徑 800 mm的水泥預制管放入坑內(nèi)，用2臺經(jīng)緯儀(互為90°)，由測量人員確定孔位中心，并對準定向管中心進行垂直測量，找正后即用混凝土填滿，并邊搗實邊校正,要求上下左右垂直，候凝48 h后方可進行設備安裝。

3.2 設備安裝質(zhì)量控制

(1)設備安裝前，地基要平整、堅實，基臺木要水平、穩(wěn)固，確保鉆進過程中不得有沉降或其他變形。

(2)鉆機安裝應周正、水平、穩(wěn)固?！般@塔天車、回轉器軸線和鉆孔中心”三點一線，鉆進過程中經(jīng)常檢查鉆機的水平情況，一旦發(fā)現(xiàn)偏差，立即糾正。

3.3 正確選用鉆機、鉆具、鉆頭

(1)根據(jù)我們現(xiàn)有的條件和工地的實際情況進行綜合考慮，采用XY-6B型鉆機，先采用單管金剛石鉆頭施工覆蓋層，SJ114繩索取心鉆進施工先導孔，再用?122 mm的錐形鉆頭作導向,采用組合式擴孔鉆頭擴孔至設計孔徑及孔深。

(2)對所有的鉆具進行認真的檢查，確保鉆具質(zhì)量合格，外形圓而直、不變形、不彎曲、不偏心，同時進行試連接，檢查連接后的同心度。

(3)粗徑鉆具的長度在設備適用許可條件下盡可能長，保證其長度和剛度，可以使偏倒角變小。本次施工粗徑鉆具的長度主要在4.5～6 m，經(jīng)檢驗完全滿足要求。

(4)擴孔或換徑時，鉆具必須帶有導向，該導向與先導孔施工鉆具同徑。

3.4 采用合理的鉆進工藝

該鉆孔巖層均為堅硬巖石，硬度大，上部(20～30 m)為河卵石層，其與基巖接觸帶比較破碎，除裂隙發(fā)育外，沒有其他不良地質(zhì)現(xiàn)象。如果采用全面破碎鉆進，這種方法在相同的條件下需要較大鉆壓，上部加壓會導致鉆桿柱的多次彎曲觸及孔壁而使鉆孔彎曲度增大；硬質(zhì)合金鉆頭鉆進高硬度巖石鉆速低；采用金剛石繩索取心液動潛孔錘鉆進,效率高且成本低，孔斜易控制。經(jīng)多方調(diào)研，該鉆孔一次性成孔質(zhì)量難以滿足設計要求，且施工難度也很大。所以，采用了先施工一個先導孔，再進行擴孔的鉆進工藝，既保證了鉆孔的垂直度，又提高了施工效率，降低了施工成本。

3.5 實施先導孔控制孔斜

采用SJ114繩索取心鉆進工藝施工一個?122 mm的先導孔，鉆進到設計靶區(qū)。同時，在施工過程中配合使用SYZX114型液動沖擊器，提高施工效率，有效控制孔斜，取得了很好的效果。

3.6 測斜措施

采用STL-1GW型陀螺測斜儀進行測斜，每鉆進50 m測斜一次，每次測斜認真做好記錄，準確繪制鉆孔軌跡圖，為繼續(xù)施工提供技術支持。

4 實施效果

成井后測量：鉆孔終點偏離中心3.4 m，符合技術要求。

目前A坑M豎井工程中已經(jīng)成功使用該電路正常發(fā)揮作用，并作為主要供電線路對A坑M豎井及生產(chǎn)區(qū)域進行供電，將桐溝110 kV變電站10 kV金東線—坑口—豎井第一種供電線路作為備用電源。并在高壓電纜從通風供電孔放至豎井的同時，把通訊電纜也一并經(jīng)通風供電孔放至豎井，實現(xiàn)了一孔多用，實施效果非常明顯，達到了預期效果，并實現(xiàn)了井下溫度由30 ℃降低到28 ℃，改善了井下作業(yè)環(huán)境。

通風供電孔經(jīng)實地實施后，在供電方面達到了用戶單一、專線供電、供電穩(wěn)定性高，提高了供電質(zhì)量的同時也提高了生產(chǎn)效率。目前在A坑M豎井供電方面已將該線路作為主要線路進行供電，原第一種供電線路作為備用電源，進一步降低了電損。

5 經(jīng)濟效益分析

5.1 節(jié)省費用

(1)原供電設計方案。從陽平西峪變電站至A坑口8 km，投資25萬元/km×8 km=200萬元；A坑口至M豎井變電硐室高壓電纜8600 m，投資130元/m，費用111.8萬元，共計投資311.8萬元。

(2)使用大口徑鉆孔供電通道。①工程費用：孔深471.30 m，綜合單價2100元/m，工程費用98.97萬元。②材料費用：1100 m高壓電纜，投資130元/m，費用14.3萬元。工程和材料費用合計為113.27萬元。

通過對比，節(jié)省投資198.53萬元(直接費用：311.8萬元-113.27萬元)。

5.2 降低電損

(1)A坑口每月平均生產(chǎn)用電量在30萬kW·h以上，原第一種主要供電線路電損3.5%，設計的第二種供電線路，設計電損3.5%，經(jīng)過通風供電孔線路改造后，實際電損0.5%，比較后可節(jié)省電費開支16.2萬元/年。

(2)提高供電質(zhì)量和改善作業(yè)環(huán)境為生產(chǎn)效率的提高也奠定了一定的基礎，年可增加出礦量15000 t，可增加產(chǎn)值800萬元。

6 結語

(1)大口徑電纜通風孔方案能有效減少M豎井的設備費用投資、提高供電質(zhì)量、解決井下通風和通訊等多種用途。

(2)在電纜通風孔施工中，防斜保直最為關鍵。施工中要以防為主，及時監(jiān)測孔斜，發(fā)現(xiàn)問題及時糾正。

(3)選擇合理的鉆探設備、管材及施工工藝。使用常規(guī)的巖心鉆機及SJ114金剛石繩索取心鉆進工藝施工先導孔，減少鉆柱與孔壁的環(huán)狀間隙，防止孔斜發(fā)生；擴孔采用組合式鉆頭，降低施工成本，提高擴孔效率。

(4)實現(xiàn)了一孔多用，實施效果非常明顯，井下溫度由30 ℃降低到28 ℃，改善了井下作業(yè)環(huán)境；據(jù)企業(yè)提供數(shù)據(jù)，該井的成功實施，給其直接節(jié)省費用198.53萬元；可降低3%左右的電損，可節(jié)省費用16.2萬元/年；提高了出礦效率，年可增加產(chǎn)值800余萬元。

[1] 楊寬才,田敏,曾石友,等.繩索取心液動潛孔錘鉆進技術在小秦嶺金礦區(qū)的應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2013,40(2):40-43.

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Practice and Exploration of Larger Diameter Cable Vent in Xiaoqingling Goldfield

YANG Kuan-cai1,2, KONG Er-wei1,2, NING Zan-ge1,2, WANG Li-feng1,2

(1.Fourth Geological Exploration Institute of Henan Geology & Mineral Bureau, Zhengzhou Henan 450001, China; 2.Engineering Technology Research Center of Slim Diameter Drilling in Henan Province, Zhengzhou Henan 450001, China)

To reduce construction cost and improve ventilation effect of underground tunnel, the design of large diameter cable vent is an effective means. A cable vent was designed and completed in a cold mine in Lingbao of Henan, the technologies of current vertical hydraulic shaft drill, multistage reaming drilling, borehole deviation control by pilot hole are used, the ventilation, power supply and communication are realized with good economic benefits. The construction experience is summarized in drilling equipments, drilling technology and borehole deviation and the economic benefits are also analyzed.

large diameter cable vent; drilling technologies; borehole deviation control; economic benefits; Xiaoqinling goldfiel

2016-06-12；

2017-02-23

楊寬才，男，漢族，1983年生，工程師，從事巖心鉆探技術與管理工作，河南省鄭州市高新區(qū)科學大道81號地質(zhì)科技大廈，157099086@qq.com。

P634

B

1672-7428(2017)05-0044-04