气举反循环采矿方法单井试验及应用探讨.pdf

2 0 0 8年第 6期 探矿工程 岩土钻掘工程 1 9 气举反循环采矿方法单井试验及应用探讨 周团正，杨述起 ，王 自强，张西坤 河北建设勘察研 究院有限公 司， 河北 石家庄 0 5 0 0 3 1 摘要 湖南道县一个矿区， 铁锰矿体储量约2 2 0 0万 t 。由于复杂的水文地质和工程地质条件， 从 2 0世纪 7 0年代 发现后， 一直没有开采。笔者通过多年大直径工程井的实践经验， 查阅国内外资料后， 提出了钻井 一气举反循环法 试开采的方法， 并在现场进行了单孔开采试验， 获得 了比较满意的效果。以该矿体 Ⅱ号矿为例 ， 介绍了钻井 一气举 反循环法采矿 的适用条件 、 工艺过程以及试采情况 ， 并就 以后大面积 开采提出 了若干技术措施 。 关键词 钻井 ； 机械破岩 ； 气 举反循环法 ； 采矿 ； 可采量 中图分类号 P 6 3 4 ． 5 ； T D 8 文献标识码 A 文章编 号 1 6 7 2 7 4 2 8 2 0 0 8 0 6 0 0 1 9 0 4 T e s t o n Ai r ． 1 i f t Re v e r s e Ci r c u l a t i o n M i n i n g M e t h o d i n S i n g l e W e l l a n d Di s c u s s i o n o n t h e Ap p l i c a t i o n ／ Z HOU T u a n z h e n g ，Y A N G S h u q i ，W A N G Z i q i a n g， Z H A N G X i k u n H e b e i C o n s t r u c t i o n I n v e s t i g a t i o n s I n s t i t u t e C o ， L t d ， S h i j i a z h u a n g H e b e i 0 5 0 0 3 1 ， C h i n a Ab s t r a c t The r e a r e a b o u t 2 2 mi l l i o n t o n s r e s e r v e s o f i r o n ma ng a ne s e o r e bo d y i n a mi n i ng a r e a i n Hu na n．Ac c o r di n g t o t he c o mp l i c a t e d h y d r o g e o l o g y a n d e n g i n e e ri n g g e o l o g y c o n d i t i o n s ，a me t h o d o f d ri l l i n g a i r - l i ft i n g r e v e r s e c i r c u l a t i o n wa s p u t f o r wa r d a nd s i n g l e we l l t e s t wa s ma de wi t h s a t i s f i e d r e s ul t r e ce i v e d．The pa pe r i nt r o d uc e d t h e mi ni n g p r o c e s s a nd pr od u c t i o n t e s t wi t h t he fie l d c a s e ． Ke y wor d swe l l d r i l l i n g；me c h a n i c a l r o c k br e a k i n g；a i r l i ft r e v e rse c i r c ul a t i o n；mi n i n g；r e c o v e r a bl e r e s ou r c e s 气举反循环排渣 的方法 ， 是根据水井钻孔 和石 油钻井开采法 ， 最初 由美 国矿山局和美 国能源部提 出的， 并进行了研究和工业试验。目前 ， 气举反循环 排渣方法广泛应用 于大直径工程井 的施工 中。2 0 世纪 9 0年代至今 ， 长江上几乎所有 的深水基础桥桩 都是采用这种工艺方法施工 的。该方法用于地下矿 产的开采在国内目前还是个新课题 ， 是否能取得较 好的经济技术效益 ， 主要取决于矿体 的物理 特性 和 围岩的物理力学性质 。同时 ， 在工艺 、 设备等系统配 套上还需进行深人的研究与发展 。 根据湖南道县矿体特殊的赋藏条件 ， 我们采取 了此法并进行 了探采试验。经过前期 的抽采试验 ， 基本达到了预期 目的。 1 工 程概 况 该矿区位于道县县城东南 2 0 k m， 属丘岭山区。 矿区山脉主要呈南北走 向， 总的地形南高北低 ， 南 部 岩石裸露地表 ， 溶蚀作用强 ， 具典型的岩溶地貌 。北 部地形平缓 ， 多为第 四系残坡积物及河 床堆 积物覆 盖。西部有潇水支流车子 江由南 向北贯穿矿区 ， 河 面宽 5 0 m， 年 最 大 流 量 1 6 ． 2 1 6 4 m ／ s ， 最 小 流 量 0 ． 2 6 7 5 m ／ s ， 属季节性间歇河流 。 2 矿区地质条件 根据 湖南省道县矿 区铁锰铅锌矿初步勘探地 质报告 湖南省4 0 9 地质队， 1 9 8 0 揭示， 矿区出露 地层有第 四系、 三叠系 、 石炭系、 泥盆系等 ， 主要 由泥 盆系组成 ， 出露面积约 占 6 5 ％ 。本 区矿体为铁锰铅 锌矿体 ， 地质报告 中表 明矿体是氧化矿床 ， 属于溶洞 堆积 ， 是古风化壳通过地表水、 地下水长期风化淋滤 和冲积作用而形成 的， 它的构造 特点是呈粒状和蜂 窝状 ， 有不同程度的胶结 。埋藏于地表 1 7 0 i n以下。 矿体长 2 0 2 0 in， 宽 8 0～ 4 4 0 in， 厚 1 ． 4 6～ 7 4 ． 4 in， 平 均厚 2 1 ． 6 5 in。是本区的主要工业矿体。矿体沿走 向基本上 由 2个连续的大透镜体组成。 矿区 内水系发育 ， 长年性河流有 4条 ， 其 中对矿 体开采影响较大的是车子江。据 1 9 7 9年资料统计 ， 贫水期含水岩组 的岩溶 泉流量总 和为 4 6 9 1 in ／ h ， 说明矿区地下水储量十分丰富 ， 矿 区水文地 质条件 复杂 。另外 ， 矿体上下没有隔水层 ， 开采时本含水岩 组的溶洞裂隙水会直接灌人矿坑。 3 矿体开采工程地质条件评价 综上所述 ， 该矿区水文地质条件及工程地质条 件复杂 ， 如采用常规凿井方法进行井巷施工将遇 到 收稿 日期 2 0 0 8 0 4 0 l 作者简 介 周 团正 1 9 7 4一 ， 男 汉族 ， 河南人 ， 河北建设勘察研究 院有 限公 司基础工程公 司副经理 ， 水文地 质及 工程地质专业 ，从事大 口径 工程井施工与研发工作 ， 河北省石家庄市建华南大街 5 8号。 维普资讯 2 0 探矿工程 岩土钻掘工程 2 0 0 8年第 6期 很大困难 ， 主要表现在 1 矿体埋藏在当地侵蚀基准面 2 0 3 m标高以 下 ， 矿坑涌水量 5 0 0 0 t ／ h ， 给矿体疏于排水带来极 大困难 ； 2 矿体为强氧化矿石 ， 矿石结构 、 构造 比较复 杂 ， 开采时易发生垮帮 、 冒顶和坑道变形， 难以支护； 3 矿体直接与顶底板灰岩 、 溶洞裂隙 、 含水层 接触 ， 易发生突水； 4 主要工业矿体顶板灰岩上覆为大片第 四系 冲积 、 残坡积层 ， 开采排水时 ， 地 面容易发生塌陷及 造成淹井事故。 4 气举反循环工艺原理及开采方案确定 4 ． 1 气举反循环排渣工艺原理介绍 气举反循环排渣工 艺的原 理见 图 1 借 助空气 压缩机 ， 将压缩空气送入 到孔 内液 面以下 深度为 ‰ 的风管 的混合器 钻杆风包 中， 并经混合器进 入到钻杆内管 ， 在 内管 中充气形成密度小于原孔 内 液体的气水混合液。混合液携带钻进中产生的岩粉 上升 ， 经 内管 、 排渣管到泥浆池而完成气举反循环全 过程 。 钻 钻杆 携带岩粉的气水 气水 图 l 气举反循环排渣原理图 一 般说 ， 为保证有效循环 ， 要求空气混合器 空 气进入点 有一定的沉没 系数 即沉没 比 混合器潜 入水下深度与混合器 以上钻具长度之 比 。实践表 明， 为了获得的升水效率 指有效水功率 P Q与空压 机功率之 比， P为空气进入点的压力 ， Q为气举时的 扬水量 保证有效 的循环 ， 其沉没 比应在 0 ． 5～0 ． 8 之间 此时升水效率变化在 0 ． 2 5～0 ． 4之间 ， 合理 的气 液 比为 1 ． 5～ 2 ． 0之 间。 在沉没 比合理 时 ， 气举 反 循 环携 渣量 为 2 6 0 m ／ h左右 与所选空压机排气量 、 排气压力有关 ， 并可将 1 5 e m左右的矿石直接携带出地面。 4 ． 2 开采方法的确定 针对本矿 区的主要特点 ， 须采用 与普通井工开 采方法有明显区别 的技术措施和方法进行施工 ， 以 改善施工的客观条件。我们采用了钻井 一 气举反循 环排渣法开采矿体。即利用机械钻孔破碎围岩及矿 体 ， 利用气举反循环 由钻井液携带岩渣及矿渣经 由 钻杆排至孔 口， 从而达到采矿的 目的。 采矿工艺流程为 井位确定一钻井锁 口施工一 矿体顶板基岩段钻井施工一矿体顶板基岩段钻井永 久支护一矿体段钻井法开采 。 4 ． 2 ． 1 井位确定 矿石可开采量的大小主要取决于矿石的松散 固 结程度及矿体的厚度 ， 即矿石愈松散易坍塌 、 矿体厚 度愈大其垮塌半径愈大 ， 则其可 开采量也就愈 大。 根据气举反循环排渣法开采工艺 的特点 ， 井位选择 在矿体矿石松散 、 厚度 大 、 不存在其 它稳定岩石夹 层 、 矿体顶板 围岩较完整而稳固、 稳定的部位。 4 ． 2 ． 2钻井锁 口施工 开钻前 ， 先 构 筑 一 段 扩 大 的钢 筋 混 凝 土 井 筒锁口， 以维护井 口稳定 、 承受载荷并保证最小 沉没深 度 见图 2 。 钻井锁 霞 层 顶扳基 岩段永 久 支护 外{ 铺 蛘永 久艾护 坝扳基岩 矿 体 图 2 锁 口示意图 4 ． 2 ． 3 矿体顶板基岩段钻井施工 本矿体顶板基岩段钻井井 径定为 2 ． 2 m， 采用 G Y D一 4 0 0型全液压钻机施工 ， 该钻机性能参数为l 适应地层为冲积层 ～中硬岩 ， 钻孔直径 一次成孔 4 ． 0 m， 驱动扭矩 2 3 0 k N m， 钻速 0～ 8～1 6 r ／ m i n ， 提升力 3 0 0 0 k N， 加压行 程 3 5 0 0 mm， 钻杆 内径 3 0 1 1 2 1 I ／ 1 ， 钻杆长度 3 5 0 0 1 2 1 12 1 ， 辅助 吊车额定 吊重 5 O k N， 总功率 2 1 0 k W， 主机总质量 5 0 t 不含泵站 ， 外形 维普资讯 2 0 0 8年第 6期 探矿工程 岩土钻掘工程 2 1 尺寸 长 X宽 X高 7 3 0 0 m m X 5 2 0 0 mm X 8 5 0 0 m m， 循环方式为气举反循环 ， 空压机额定排风量 2 2 I l l ／ rai n ， 空压机额定排气压力 1 ． 2 MP a ， 空压机额定 功 率 1 3 2 k W。 为提高钻进效率和保证钻孑 L 垂直度 ， 采用配重 块加压 、 减压钻进的施工方法。 钻孑 L 泥浆及泥浆循环设施 钻孑 L 过程中， 泥浆主 要起临时支护孔壁 、 冷却钻头 、 冲洗孔底和携带钻屑 的作用 。第 四系土层 含下伏 基岩强风化带 已采 用钻井锁口进行永久 支护， 其余 钻孑 L 施工所揭露 的 地层均为稳定基岩， 故在此段地层 中可采用清水做 为泥浆循环液进行钻孑 L 施工 。 4 ． 2 ． 4 矿体开采 当矿体顶板基岩段钻井永久支护工作完成后 ， 在井筒内采用钻井法继续 向下钻进施工 ， 当钻孑 L 揭 露矿体顶板 围岩进入矿体后 ， 由钻井 阶段转入采矿 阶段。此时孑 L 内泥浆液面可能会降至与矿体含水层 水头相当的位置 ， 由于孑 L 内水头的下降， 为达到预计 的开采强度 3 0 I l l ／ h ， 需调整送 风量使其达到预 定的参数要求。在钻头向下不断钻掘 的过程 中， 由 于矿体的矿石多为粉状 、 砂粒状 ， 松散多孑 L ， 易坍塌 、 垮帮， 在钻井冲洗液 的冲刷挠动及水的浸泡下， 造成 侧壁矿体大量坍塌 、 崩落到井底 ， 并随之被钻头重复 破碎 、 挠动、 钻掘 ， 进而被抽吸到地表。 5 可开采量估算 5 1 单井开采 矿体开采施工中矿体 向孑 L 内崩落 、 坍塌 的演变 过程 如 图 3所示 。 采深度 为 时，矿 体开采 球体 的形态 ’j外采深度为 时，矿体开采 球体 的形态 术扰 动矿体 尾矿体 V 图 3单井开 采示意 图 当钻孑 L 揭露矿体一定深度 后 ， 崩落矿石受 重 力作用流至井底 ， 经钻头破碎后经钻杆被抽吸到地 表。随着钻孑 L 侧壁矿石 的不断崩落 ， 其 上部或外周 覆盖的矿体随矿石 的放 出而 向下运动， 其所 占有 的 空问体积是一近似椭球体 ， 把这个椭球体叫做可开 采椭球体 。随着可开采椭球体内的矿石不断崩落 至井底 ， 被井底钻头不断地破碎抽吸到地表 ， 从而形 成开采循环。在钻井法开采过程 中， 椭球体 中的 水平 面上的矿体颗粒愈靠 近钻孑 L 中心线 ， 其流动的 速度愈大 ， 因此各水平面上矿石 向钻孑 L 孑 L 底运动的 轨迹近似一抛物线 ， 形成开 采漏斗。当钻孔揭露矿 体深度 到达一定限度并 趋于稳定时 ， 其 可开采椭 球体 的横 向发展也会 趋于稳定 ， 表明矿体可开采椭 球体 内的矿石 已趋于开采枯竭。此时矿体可开采量 近似于开采椭球体 的体积 ， 其体积与开采揭露矿体 的厚度 、 矿体的内摩擦角 值成正比。 0 ． 5 L ／ t g q 盯 3 式 中 单井矿体可开采量 ， 1 1 1 ； 钻孑 L 所揭 露矿体厚度 ， m； 矿体内摩擦角 。 5 ． 2 相邻井开采 在此对相邻井开采时相邻井的开采形态做简要 分析 如图 4所示 。 i 井 町圩聚 随球体 图 4相 邻 井开 采 示 惹 图 采矿吸渣初期 ， 两个相邻井开采漏斗的可开采 椭球体不相交也不相切 。继续 开采矿体 ， 当相邻开 采漏斗的椭球体 开始相切或相交时， 此 时相邻椭 球体 外 的顶部矿体 。 由于其 下部矿体采空而会 发生崩落 。其崩落的矿体沿开采漏斗崩落至孑 L 底 ， 经钻头破碎抽吸至地表 ， 可称矿体 为二期可采矿 体。而相邻可开采椭球体外 的底部矿 体 为开采 死角而不能被开采 ， 可称矿 体 为残矿体 ， 其体积 大小与相邻井可开采椭球体相交程度成反 比关系。 通过上述分析 ， 相邻井至少布置在可开采椭球 体相切或相交时的位置较为经济 ， 即相邻井井距小 于相邻可开采椭球体横轴半径之和。 D √ 0 ． 5 L ／ t g q 十 ／t g 式中 D 开采 井 i √的拟定井距 ， I l l ； L 、 L 维普资讯 2 2 探矿工程 岩土钻掘工程 2 0 0 8年第 6期 开采井 i 4的可开采矿体厚度， m； t g q 、 竹开采 井 J的可开采矿体内摩擦角。 6 探采实验结果 现场实钻 l 号子 L 孔径 2 2 0 0 m m， 覆盖层 一 4 m。 矿体顶板为 一1 7 2 m， 矿体厚 6 8 m。矿体顶板以上 基岩段采用球齿滚刀钻头全断面钻进 ， 进入矿体后 改用梳齿钻头。实测表明， 单井的采矿量为 1 8～ 3 1 t ／ h ， 达到了预期效果。 方 法 。 现场探采井试验效果比较理想 ， 基本达到了预 期 目的。下一步有待大面积开采后进一步验证单子 L 开采量和开采规模 ， 摸索布井方式 包括井位 、 合理 井距的设计 、 井子 L 设计 井径 、 井深 、 支护方法等 、 开采的合理参数等等。所 以， 单井试验仅仅是开始 ， 以后还需要大量的科学实践、 理论探讨 ， 进一步完善 这种采矿方法 ， 使其尽快应用于生产实践。 参考文献 一 7 结语 ， [ 1 ] 崔广心， 王德民， 等． 钻井法特殊凿井[ M] ． 北京 煤炭工 、 篓 三 芝 要 ， 曼 掘 国 外 钻 孔 水 力 采 煤 法 概 述 ⋯ ．水 力 采 与 管4 巷 道 和 人 员 下 井 - ，可以避免冒顶和透水造成的事故 L ,- ， 道运输 ， l 2 ．⋯～ 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯一 ⋯ 并可减少大量投资和环境污染。该采矿法在国内还 [ 3 ] 龚主华． 岩土工程 施工方 法[ M ] ． 沈阳 辽宁科学技术出版社， 是个新课题 ， 湖南省这个铁锰 矿 比较适合这种采矿 ‘ “ 海峡 两岸轫遒交通建设与环壤工 程高级 技市论坛“ 会议迥知 时间 2 0 0 8年 1 1月 4 7日 地点 浙江省杭 州市新侨 饭店 杭州市解放路 2 2 6号J 主要议题 1 以科学发 展观为指 导 ， 总结 交流两岸 三地快速 轨 道交通建设领域在规划设计 、 施 工建设 、 安全运营 、 降低造价 、 信息化 智能化管理等方面的经验 、 教训 和存在 问题 ； 2 围绕资源节约 、 环境 友好 、 减震降噪 、 安全便捷 、 幅射 防护 、 以人为本 的总 体要求 ， 交流在 本领域 的创新技术 、 核心技术 、 关键技术等方面的新成果 ； 3 交流在 快速轨道交通建设 中实现技术装备 和施工 机械现代 化、 国产化 、 产业 化等方面 的进展 与成果 ； 4 交流在快 速轨道交通 建设 中的工 程风险 防范与评估及环境工程 、 岩土工程 等问题 ； 5 交流本领 域 中技 术标 准体系的建立制订与实施等方 面的经验及其它相关课题。 主 办单位 同济大学土木工程学院 ； 上海 申通地铁建设 集团有限 公 司； 上海隧道工程股份有 限公司 ； 上 海市 土木工 程学会 ； 上海 市土 木工程学会地下工程专业委 员会 ； 中国土木 工程学 会隧道 及地 下工 程分会 ； 中国土木工程学会城市轨道交通技术推 广委员会 ； 北京 交通 大学土木建筑工程学院 ； 天津大学建筑工程学 院； 东南大学岩 土工 程 研究所 ； 浙江省土木建筑学会 ； 浙江大 学建筑 工程学 院 ； 浙 江省建 筑 业行业协会地下工程分会 ； 杭 州市地铁 建设集 团有 限公 司 ； 浙江科技 学 院建筑工程学院。 承办单位 浙江省建 筑业 行业 协会地 下工程分会 ； 杭州市地铁建 设集团有限公司 ； 浙江科技学 院建筑 工程 学院 ； 浙江 省大成建设集 团 有限公司。 论文征集、 版面费及 出版 应征 论文请 用 Wo r d格式 以 A 4纸 打 印 ， 提交电子文本和打印本 一 式二份 ， 每篇请勿 超过 5页 ， 稿件可 在 2 0 0 8年 7月 3 1日前分别投寄各地 联络处及秘 书处。来稿 经专家 审核录用者 ， 将 通知作 者并 需缴纳 版面 费， 收费标 准为 每篇 5页 以 内 人民币 9 8 0元 港 币 1 1 0 0元 ， 新 台币 3 9 0 0元， 超 页每 页人 民 币 2 5 0元 港币 2 8 0元 ， 新 台币 1 0 0 0元 。录用论 文将与 特邀 报告 和专 题报告结集 ， 由国家一级出版社出版。 特邀／ 专题 报告及演讲 本次论坛 已约请两 岸三地本领域著 名专 家莅临大会作相关报告或 演讲 ； 日本东 京地铁 管理 总局也 应邀将 派 专家莅会演讲。部分专家报告／ 演讲预告如下 孙钧地下铁道工程施工及运营 中的安全管理与风 险整治 莫若楫铁路及城轨建设设计施 工发包办法实务研讨 欧晋德台湾高速铁路营运 策略与 目标 王振信盾构施工对环境的影响 周文波我国软土盾构法 隧道施工技术综述 傅德明 多线换乘 地铁枢纽 站工程技术 胡邵敏台湾城市捷 运工程新挑 战 张嘉 辉何毅 良 香港九广铁路东 铁线 发展工程某标段地下隧 道建筑工程技术挑 战 冯爱军我 国城市轨道交通发展调查问卷分析 黄宏伟上海地铁建设 中的动态风险管控 黄南辉吴沛轸 陈鸿涛地铁工程之风险管理 俞清瀚轨道交通建设沿线近接施工影响测试与探讨 陈俊宏锺毓东 台北捷运沿线禁限建管 理制度 与实例 方永寿朱旭台北及高雄捷运 大地工 程困难案例 陈健南京长江隧道超大直径盾构掘进施 工参数控制 会议注 册费及预 注册 正式代 表每位 人民 币 1 2 8 0元 ， 家属每位 6 0 0元 。凡在 2 0 0 8年 9月 1 5日以前预注册者 ， 注册费按 每位人民 币 1 1 0 0元 港币 1 2 0 0元 ， 新 台 币 4 4 0 H0元 计。由于 1 1月正 值旅游 旺 季 ， 欢迎 与会者尽早预 注册 ， 以便预订房 间。 预注册登记表请在论坛 网站 h t t p ／ ／ w w w． r r ff o r u m． c n下载。 会后考 察可 自由参加 ， 费用另缴 ， 每人约人 民币 3 0 0元 。考察路 线 杭州一 余姚 河姆渡 文化遗址一杭州湾跨海大桥一杭州。 大陆 、 香港 、 台湾 三地与会者 ， 请分别向就近 的联络处用 Ema i l 办理 预注册 。 杭州联络处 3 1 0 0 0 5 浙江省杭州市湖墅南路 3 5 6 号锦绣大厦 7 0 6室 浙江 省 建 筑 业 协 会 地 下 工 程 分 会 丁 源 萍 主 任 0 5 7 1 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