摘要：随着矿产资源开采规模的不断扩大，水文地质复杂矿井的开采需求也日益增长。多种地质构造与含水层分布方式的叠加，使矿井水文条件越来越复杂，在开采过程中体现为突水风险加剧、水害事故频发，也带来了更为复杂的防治技术需求。针对水文地质复杂矿井超前探放水钻探技术研究，根据现场实际地质条件与开采需求，通过执行超前探放水钻探技术工艺，保障了矿井采掘作业安全。

　　关键词：水文地质；复杂矿井；超前探放水；钻探技术

　　金属矿开采过程中受到不良地质灾害的影响，极其容易导致严重的安全事故，造成经济损失和人员伤亡。水文地质复杂的矿井在开采过程中，水害是导致安全性下降的重要因素。由于水文地质条件复杂的矿井中地下水含量较高，并且分布状态呈现出复杂多变的趋势，含水层与隔水层无法精准区分，突水事故发生率较高。超前探放水钻探技术能够有效防止金属矿开采中发生水害事故，精准探测水文地质状况，再将潜藏在含水体内的水及时疏放出去，能够有效降低水害发生率，保障金属矿开采作业的安全性，对矿产资源开发和利用效果提升产生积极作用。

　　1水文地质复杂矿井特征

　　1.1含水层结构复杂

　　水文地质复杂的矿井含水层结构分布较为复杂，在内部形成错综复杂的水网。它的含水量较高，并且各含水层存在很大差异，它们经过交织后形成的含水层结构复杂性高，比较常见的是松散沉积物孔隙含水层、岩溶裂隙含水层、构造裂隙含水层等。这些含水层在分布规律方面呈现出很大的差异，层状、透镜体状较为常见，使得整个含水层存在复杂多样的变化规律，并且相互连通形成复杂性极高的含水体。

　　1.2地质构造发育

　　水文地质复杂的矿井中地质构造极为复杂，在地下以“迷宫”形式的骨架纵横相连。断层、褶皱等构造分布范围较广，并且断层的厚度存在较大差异，大断层延伸几千米，小断层则会隐藏在岩层内部无法精准探测。由于褶皱构造形态有很大差异，背斜、向斜相互叠加。这些复杂地质构造使得地下水存储、流通形式较为多样化，再加上断层破碎带导致地下水突破隔水层而进入到矿井内，使得水害发生率升高，并且极为严重。

　　1.3水文地质参数变化大

　　水文地质复杂的矿井水文地质参数变化较大，并且无法精准预测，主要为渗透系数、给水度系数、储水系数，它们在不同区域、不同深度存在较大差异，无法精准探测并且处理。水文地质复杂的矿井，局部位置含水量较高，其渗透系数每天达到几十米，而相对贫乏的区域则渗水系数每天达到一米以内。随着金属矿开采作业逐步进行，原先稳定的水文地质条件被打破，含水层发生扰动变化，上述参数出现明显的改变。

　　2超前探放水钻探技术的重要意义

　　2.1预防突水事故

　　水文地质复杂的矿井中突水事故发生率较高，产生的影响极大，其导致矿井开采作业安全性无法达到要求。超前探放水钻探技术能够及时了解水文地质条件，分析含水量参数，并且及时采取排放水措施。它在应用过程根据水文地质勘测结果合理布置钻孔，精准探测含水层的位置、规模以及富水性。因此，针对潜在的突水风险，需及时采取预防与应对措施。经过探明含水体后，安排技术人员根据探测结果采取疏放水措施，逐步降低含水层内水压，达到泄压的效果，以降低水害概率。

　　2.2保障采掘安全

　　随着矿井开采作业逐步进行，在地下空间的开采路径呈现出不断变化的趋势。水文地质复杂的矿井中，开采过程中存在较高的难度，无法精准探测水文地质条件，造成开采难度升高，也容易发生水害事故。超前探放水钻探技术能够及时掌握不良地质条件，获取复杂水文地质状况，以便采取合理有效的开采措施。它在应用过程中掌握水文地质条件的各项信息，保障开采作业具备安全性、可靠性。

　　2.3降低生产成本

　　水文地质复杂的矿井开采过程中，突水事故发生后极易造成经济损失严重。突水事故一旦发生，矿井内开采设备被淹、巷道损毁修复难度升高，并且开采成本升高。超前探放水钻探技术能够及时发现不良水文地质条件，并且结合实际情况采取适宜的开采方式。它在应用后能够规避突水隐患，防止突水事故造成的设备购置、维修以及人员救治的高额费用。

　　3超前探放水钻探施工工艺

　　3.1钻孔施工

　　3.1.1开孔

　　第一，定位。水文地质复杂矿井超前探放水技术在应用中，先做好开孔前的准备工作。安排技术人员进入现场进行地质勘测，掌握地质资料，确定钻孔的位置，保证其位置偏差在±5mm以内。钻孔定位过程中以全站仪为主要设备，经过各项参数反复核对，没有任何问题后再进行钻探作业。而后，对现场进行平整处理，清理到松散、碎石以及杂物，确保技术的稳定性。同时，准备好钻机各种设备，确保钻机处于良好状态，不能存在钻杆裂纹、钻头磨损严重的情况，钻头直径根据设计方案选择为113mm。钻机准备完成后进行检测调试，使其正常运转，液压系统压力达到15MPa～20MPa，并且持续、稳定输出。第二，安装校准钻机。超前探放水钻探技术中钻机为核心设备，做好钻机安装以及校准工作，保证钻进作业效果合格。钻机准备时按照操作规程进行，使得钻机安装在预定位置，再使用水平仪、铅垂线进行检测，确保钻杆水平度偏差在±0.3°以内，垂直度偏差为±0.5°。钻机安装的过程中，需保证其基础具备稳定性，和底部接触紧密，各连接位置达到牢固性。钻机安装完成后进行全面检验检测，保证钻机各部位具备灵活性、稳定性。第三，开孔钻进。超前探放水钻探技术在准备工作结束后，开始进行钻孔钻进作业。钻孔作业阶段，将转速调低，处于30r/min～40r/min之间，压力为0.5MPa～0.7MPa，缓慢向前推进，防止钻进压力过大或者速度过快引发孔壁坍塌。钻进作业阶段，每次钻进深度0.5m，采用钢卷尺检测深度，并且使用侧斜仪测量孔斜，保证孔斜偏差的±1°以内。钻孔阶段时刻关注孔口返水情况，需保证其达到连续、清澈的要求。如果返水浑浊、断流，需及时停止并检查。

　　3.1.2正常钻进

　　第一，参数选择与调整。超前探放水钻探技术在应用，钻进阶段时刻关注钻进参数，保证钻进效率合格，钻孔质量达到要求。钻进阶段时刻关注岩层的硬度、完整性等参数，软岩层钻进压力为3t～5t，转速200r/min～250r/min，冲洗液量80l/min～100l/min；硬岩层钻压提高到8t～10t，转速100r/min～200r/min，冲洗液量100l/min～120l/min。钻进阶段每次钻进3m～5m，检测孔深、孔斜，并且记录岩芯采样率。如果岩芯采样率在70%以下，需分析岩性条件再调整技术参数。第二，设备运行监测。钻孔阶段时刻监测钻机运行状态，保证其处于正常条件下，各项功能合格。钻机作业阶段监测钻机声音、振动、扭矩参数，正常条件下钻机声音平稳，振动幅度符合要求，扭矩达到稳定性。如果钻进阶段存在异响、剧烈振动、扭矩急剧增大，需停止钻进施工，安排技术人员检测，排除后再继续作业。此外，钻机运行中检测其工作状态，保证钻进作业达到连续性、安全性。第三，岩芯采集。超前探放水钻探技术在应用中，岩芯采集和分析为重要工作，也是获取地质资料的核心手段。钻进阶段每次钻进1m～2m进行一次岩芯提取，且进行岩芯编号标记，并且记录长度以及位置的相关信息。岩芯观测过程中，主要从岩性、颜色、结构构造方面展开，分析其富水特征，以便掌握地质条件特征。

　　3.1.3测斜与纠偏

　　第一，测斜设备。超前探放水钻探技术在应用中，使用测斜设备进行钻孔的测量检测，掌握钻孔轨迹特性。测斜设备在应用中，选择高精度陀螺测斜仪进行，保证测量偏差为±0.1°,精准标记方位角、顶角数据。钻孔深度每推进30m～50m进行一次测斜，如果测定岩性变化较大，或者出现孔位偏斜的情况，需增加测量密度，调整到钻进20m～30m测量一次。测斜仪作为主要测量设备，将其缓慢下放到规定深度，间隔3min～5min进行一次数据读取，每个点位测量2次～3次，计算平均值得出最终结果。同时，测量作业过程中各项数据精准记录，掌握测斜孔深、时间等信息形成测斜档案。第二，偏斜分析与纠偏判断。超前探放水钻井技术应用中，测斜数据分析能够判定钻孔是否出现偏斜，也是纠偏的重要措施。测量作业结束后获取方位角和顶角数据，并且和设计轨迹对比。数据对比后确定方位角偏差±3°以上，或者顶角偏差±1°以上，说明出现严重偏斜情况需停止钻探，调整后再继续施工。经过对偏斜程度、方向的分析，结合现场地质条件确定调整的方向和角度。如果偏斜尺寸较小，并且不影响现场钻探作业施工，可以不进行纠偏；如果偏斜较为严重，则需要选择适宜的纠偏措施。第三，纠偏要点。超前探放水钻探技术在应用中，比较普遍应用的纠偏方法是改变钻具组合、调整钻压以及转速。如果钻孔向右偏斜，需要适当地减小右侧钻铤数量、增加左侧钻压，使得钻进阶段逐步向左偏移，每次纠正的角度为0.5°~1°以内，以免纠偏严重出现新的偏差。纠偏阶段调整钻进作业速度，使其保持在100r/min～150r/min，钻压为2t～3t，并且时刻关注这些数据。纠偏时每次纠偏1m～2m进行一次测斜，评估纠偏效果。如果纠偏效果未能达到技术标准，则再次分析形成原因，并且调整技术参数。

　　3.2探放水作业

　　3.2.1下套管

　　第一，套管选型。超前探放水技术在应用的过程中，下套管是重要举措，也是保证安全性的关键环节。钻孔作业结束后，并且检测指标合格，按照钻孔深度、预计水压、地质条件选择合适的套管型号。如钻孔深度80m以内，预计水压在1.5MPa以下，选择外径108mm、壁厚5mm的无缝钢管；钻孔深度80mm～150mm，预计水压1.5MPa～3MPa，选用外径127mm、壁厚7mm，套管；钻孔深度150mm以上或水压3MPa以上，使用外径146mm、壁厚9mm以上的高强度套管。第二，下放操作。下套管作业中时刻监测现场情况，并严格按照工艺方案完成。如果使用吊车或钻机动力缓慢下放套管，速度设定为0.3m/s～0.8m/s，以免速度超出标准而引发坍塌情况。套管下入时，每次下入15m～25m深度，采用设备测量垂直度偏差，不超过±1°为合格。套管接箍连接位置涂抹高压密封脂，使接头位置密封效果良好。套管下入到设计深度5m～10m减慢速度，确保后续套管下入顺利进行，且位置精度达到要求。第三，试压试验。套管下放到规定部位后，进行试压检测。试压检测的过程中，在套管内部注入清水，压力为预计水压的1.2倍～1.5倍。试压过程中逐步增大压力，观测压力表参数变化和孔口返水情况。如果在试压的过程中，经过持续观测，30min内压力下降为0.3MPa以内，说明孔口内部并未出现渗水、冒泡的现象。试验结束后各相关部门负责人员签字确认，然后再开展后续施工作业。

　　3.2.2固井

　　第一，固井准备。超前探放水钻探技术在应用过程中，固井的主要目的是使得套管和孔壁紧密连接，确保其稳定性达到要求。固井作业开始前分析现场技术参数，掌握钻孔深度、温度、地质条件等，以便选择适宜的固井材料，保证水泥浆固井效果合格。水泥浆配制过程中，需按照如下标准要求进行。在常温环境下，钻孔深度120m以内，水灰比0.45～0.55；深度120m～200m，水灰比0.5～0.65；深度200m以上时，水灰比0.65～0.75。固井作业阶段现场准备充足的材料，并对设备展开检测，使得水泥车、搅拌器、注浆管性能合格，固井施工能够连续进行。第二，浆作业。固井作业阶段，先将止浆塞安装在套管底部，长度为1.5m～2.5m，防止在固井过程中出现水泥浆下渗的情况。注浆施工阶段，严格控制注浆速度，使得水泥浆注入速率为0.3m3/min～0.6m3/min，并且检测孔口位置返浆情况。孔口部位返浆的浓度和注入口位置浆液浓度基本相同，这就说明注浆工作已经完成，并且加固效果合格。在该条件之下，套管内部插入直径28mm～35mm的排气管，其深度进入到环形空间底部1.5m～2.5m，上部高出孔口0.5m～1m，能够及时将内部气体排出以提高固井结构强度。第三，养护检测。固井结束后进入到养护以及检测环节，该阶段确定适宜的养护方案，需综合分析水泥类型、环境温度，一般普通硅酸盐水泥养护时间72h以上。在温度不足5℃时，养护时间则延长到96h以上。固井结构养护作业阶段需监测固井状态，避免发生严重扰动影响。养护结束后，现场使用声波测井或压力测井的方式，测定固井的质量是否合格。声波测井使用设备发送声波，检测声波传输的速率、幅度，以便确定固定效果是否合格；压力检测时，在套管内部注入水，使其水压达到预计水压的1.5倍～2倍，并且稳压24h。

　　3.3封孔

　　第一，封孔方案确定。超前探放水钻探技术在应用中，封孔是最后环节，避免地下水外部杂质进入到孔内影响质量。封孔材料选择极为重要，需综合分析钻孔用途、深度、地质条件确定。钻孔深度60m以内，并且富水性较弱的情况，使用黏土球封孔，其直径15mm～25mm，含水率12%～18%，封孔长度8m以上；钻孔深度60m～120m，采用水泥砂浆封孔，水灰比0.35～0.45，封孔长度12m以上；钻孔深度120m以上，或者富水性较强，选用聚氨酯以及水泥砂浆封孔，其封孔长度46m，而水泥浆封孔长度18m以上。第二，封孔操作。封孔作业阶段需严格执行工艺方案和技术标准，并落实各项控制措施。黏土球封孔采取分层捣实方式，单层厚度0.4m以内，确保密实度合格。水泥浆封孔时，采用注浆管将水泥浆注入到内部，压力为0.4MPa～0.8MPa，并且注入时逐步提升注浆管，避免内部发生空洞现象。

　　4结语

　　水文地质复杂矿井采用超前探放水钻探技术，能够及时探明水文地质条件，确保矿井开采作业顺利进行，达到安全性的要求。而在超前探放水钻探技术应用阶段，需落实各项控制措施，每项工艺参数严格控制，确保地质条件掌握精准，能够有效规避水害问题，从而提高矿井钻探技术水平，为现代矿产资源开采和社会发展提供能源。