繩索取心液動錘在浩堯爾忽洞金礦復雜地層中的應用

姜桂春，韓 頌

(遼寧省冶金地質勘查局四〇四隊，遼寧 遼陽111000)

1 浩堯爾忽洞金礦鉆探施工的難點

(1)地層復雜:鉆遇地層自上而下為粉砂質頁巖—強風化凝灰?guī)r—強硅化硬、脆、碎灰?guī)r、板巖、砂巖、矽卡巖—花崗閃長斑巖;

(2)傾斜角度大:由于礦層走向、地質布孔傾斜角全部在42°～60°，此類孔極易出現坍塌、掉塊夾鉆等事故;

(3)由于布孔傾斜角度大，在鉆進加壓過程中極易使鉆孔角度上漂;

(4)裂隙多:此礦區(qū)大部分勘查孔在55 m左右出現大裂隙，230 m左右進入強硅化的硬、脆、碎地層，局部出現涌水、漏水，造成內管難投放;

(5)取心困難:在遇到硅質砂巖地層作業(yè)時，普通單管取心工具取心過程中經過泥漿沖刷后，細顆粒無法滯留在巖心管內;

(6)巖心采取率低:普通取心方法在取心后、提鉆過程中已經剝落，無法滿足巖心采取率要求。

2 浩堯爾忽洞金礦鉆探技術要求

(1)鉆進方法采用小口徑繩索取心鉆進，終孔直徑≮75 mm，傾斜角度在規(guī)定范圍內;

(2)按規(guī)范要求做好水文觀測;

(3)確保巖心采取率，要求取心的巖層，全孔平均采取率≮80%，退出巖心時要細心，盡可能的避免人為破碎，嚴禁巖心上下順序顛倒;

(4)巖心整理與妥善保管，安排專人負責將巖心清洗干凈，自上而下按順序裝箱，在巖心上用紅油漆寫明回次，放好巖心隔板，并妥善保管;

(5)斜孔每50 m測斜一次，并根據孔內彎曲度的變化情況，隨時增加測孔的密度，孔斜誤差不能超過規(guī)范要求的3%，超差要及時糾正;

(6)每100 m進行孔深校正，進出礦層及時進行孔深校正，不得超出規(guī)定的1‰;

(7)鉆孔完工后，根據封孔設計書進行封孔，標明孔號、孔深、施工時期，以便復測。

3 繩索取心液動錘鉆進

我們此次承接浩堯爾忽洞金礦勘探任務，由于初次在該地區(qū)作業(yè)，對地層了解少，前期施工不少鉆孔遇到了進尺效率低、地層打滑、鉆孔跑斜、巖心采取率低、嚴重漏失、掉塊、坍塌、縮徑等情況，后經過技術上的討論，改用繩索取心液動錘鉆進工藝，以上現象得到了極大的改善，另外在材料成本上也有所節(jié)省。

3.1 繩索取心液動錘結構原理

3.1.1 繩索取心液動錘結構

本工區(qū)采用中國地質科學院勘探技術研究所生產的SYZX75型繩索取心液動錘鉆具，整套鉆具分 為雙管和打撈器2部分(見圖1)。

圖1 SYZ75型繩索取心液動錘結構示意圖

(1)雙管部分。雙管包括外管總成和內管總成。外管總成含彈卡擋頭、彈卡室、上擴孔器(上扶正環(huán))、上外管、承沖環(huán)接頭(內裝承沖環(huán))、下外管、下擴孔器(內裝下扶正環(huán))和鉆頭等;內管總成包括打撈、彈卡、沖擊器(YZX液動錘)、傳功和到位報信、緩沖、單動、上下分離、調節(jié)、巖心容納及卡取巖心和扶正等機構。

(2)打撈器部分。打撈器結構與同規(guī)格繩索取心鉆具打撈器相同，故略去。

3.1.2 液動錘工作原理

由水泵送入的沖洗液經鉆桿內孔流入內外總成間隙，通過彈卡架的4個長條孔進入液動錘后由上噴嘴噴出形成高速射流，其卷吸作用將上缸套上腔介質抽往下腔，上腔迅速降壓，同時由于下噴嘴的節(jié)流作用使得上缸套下腔的壓力升高，推動上閥上行至上限;進入下腔的液流經下噴嘴高速噴出，同樣由于卷吸作用使沖錘(上活塞、下活塞和沖錘體三件的組合體簡稱沖錘)腔內壓力下降，而下活塞底部由于水路被堵塞，壓力升高，形成壓差，使沖錘上行抵達行程上限，上活塞頂部與上閥下端接觸關閉水路，至此回程結束。水路關閉時形成水擊，上缸套上腔壓力迅速增加，下腔壓力急劇下降，壓力差推動沖錘和上閥向下運動。上閥抵達行程下限后停止，沖錘在慣性和(閥、錘分開后沖洗液路暢通的)液流共同作用下，繼續(xù)向下運動直至沖擊錘軸上端將沖擊能量輸出，形成一個工作周期。

3.2 繩索取心液動錘鉆進主要解決的問題

(1)最適用于粗顆粒的不均質巖層，在可鉆性6～8級、部分9級的巖石中，鉆進效果尤為突出;(2)在破碎巖層中可有效解決巖心堵塞、回次進尺少、打撈頻繁，純鉆進時間低、臺鉆效率低等問題;(3)應用于小口徑金剛石鉆進時克服堅硬致密地層的打滑及某些地層的孔斜等問題。

3.3 鉆進參數的選擇

3.3.1 鉆壓與轉速

繩索取心潛孔錘鉆進使用的鉆壓和轉速略低于普通繩索取心金剛石鉆進。經探索，本礦區(qū)采用的鉆壓為10～12 kN，轉速577～855 r/min。

3.3.2 泵量和泵壓

液動錘靠泥漿泵產生的高壓液流驅動，其工作范圍內可根據地層的可鉆性調節(jié)相應的泵量，所以在鉆孔地層條件允許的條件下，最好使用較大的泵量。本礦區(qū)地層在230～350 m范圍為強硅化破碎地層，且其間280～300 m范圍為風化破碎地層，所有鉆孔傾角在42°～60°，故根據實際探索，本礦區(qū)泵量選擇在60～90 L/min，工作泵壓在0.5～2 MPa。

3.3.3 金剛石鉆頭選型

(1)致密堅硬“打滑”地層，選用金剛石鉆頭參數為:胎體硬度HRC15～25，金剛石粒度為60～80目，金剛石濃度為100%，水口為8個，底唇面形狀為階梯形。

(2)硬脆碎地層，選用金剛石鉆頭參數為:胎體硬度HRC25～30，金剛石粒度為60～80目，金剛石濃度為100%，水口為8個，底唇面形狀為階梯形。

(3)中等硬度完整地層，選用金剛石鉆頭參數為:胎體硬度 HRC25～35，金剛石粒度為40～60目，金剛石濃度為80%。

3.4 鉆進過程中的注意事項

每次下鉆后在鉆頭磨合階段，應該確保此時的鉆壓小于液動錘啟動工作所需鉆壓，使液動錘處于不工作狀態(tài)，防止沖擊導致鉆頭的損傷，鉆頭磨合時間應該盡量短，防止鉆具內活塞部位積砂。

開始正常鉆進時，對鉆壓的加載速度應該盡量快，以便液動錘啟動。液動錘啟動后泵壓將指向正常示值，否則說明鉆具未啟動，應將鉆具提離孔底后再次放下加壓到正常值，若反復多次仍然無法確保液動錘的啟動工作，可采取不提鉆，按照普通回轉鉆進打完本回次，如果分析為其他原因則應及時起鉆檢查。

4 取得的效果

浩堯爾忽洞金礦資源地質初、詳查鉆探施工項目共計施工35個鉆孔，鉆探進尺共計15302.8 m，平均開動鉆機5臺，平均臺月進尺382.57 m，前期平均臺月進尺245.34 m，采用繩索取心液動錘鉆進工藝后平均臺月進尺519.8 m，鉆孔合格率100%，巖心采取率平均達到96.88%，鉆孔偏斜率均在允許偏差范圍內，鉆頭平均壽命60 m(機臺統計)。

在該工區(qū)以往普通回轉鉆進施工過程中，在進入堅硬破碎地層后，采用金剛石鉆頭鉆進，雖采取了高壓力、高轉速，但由于該巖層含石英成分較多，鉆進中出現了不進尺、打滑現象，鉆進效率較低，鉆頭消耗相對較多。而改用繩索取心液動錘鉆進工藝后，在提高了鉆進效率的同時，有效解決了巖心采取率低、打滑、跑斜現象。鉆進效率大幅度提升，同時減少了孔內事故的發(fā)生，施工成本也有所降低，鉆頭消耗大幅度下降。對比情況見表1，對比巖心見圖2。

表1 普通繩索取心鉆進與繩索取心液動錘鉆進孔段技術指標對比

圖2 普通回轉鉆進巖心和繩索取心液動錘鉆進巖心對比

5 結語

繩索取心液動錘鉆進在復雜地層施工過程中有良好的表現，施工中根據地層特點，選擇合理的鉆進參數，可使鉆進效率大幅度提升，繩索取心液動錘鉆進方法在該類地層中有廣泛的推廣使用前景。

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