LZ－73型連續(xù)造斜器在蘭陵鐵礦勘查中的應(yīng)用

劉 治

(山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺(tái)26400)

1 礦區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

蘭陵鐵礦勘查項(xiàng)目位于魯南丘陵區(qū)，地形起伏不大，總體地勢(shì)西高東低。海拔一般在31～37 m，相對(duì)高差較小。

1.1 地質(zhì)條件

礦區(qū)內(nèi)地層系華北地層大區(qū)、晉冀魯豫地層區(qū)、魯西地層分區(qū)之濰坊－臨沂地層小區(qū)，區(qū)域地層除西北部的蘿藤一帶有較大面積出露外，其余地段均被第四系松散沉積物所覆蓋。區(qū)內(nèi)基巖地層由老至新，主要有新太古代泰山巖群山草峪組;新元古代土門(mén)群;古生代長(zhǎng)清群、九龍群。泰山巖群山草峪組變質(zhì)巖層于新興鄉(xiāng)后大窯一帶有少量出露，其余均于鉆孔中所見(jiàn)。區(qū)域內(nèi)的“鞍山式”鐵礦即賦存于該組地層的硅鐵構(gòu)造中，為一特大型深埋藏隱伏礦體。區(qū)內(nèi)蓋層厚度550～800 m，基底變質(zhì)巖系地層巨厚，大于4000 m。巖層走向300°左右，傾角80°～89°，傾向 30°～40°。

1.2 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

礦區(qū)內(nèi)大部分為第四系覆蓋的沖擊平原，水系發(fā)育。

2 ZK61－1孔偏斜情況和糾斜方法

2.1 ZK61－1孔彎曲度的設(shè)計(jì)要求

ZK61－1孔設(shè)計(jì)開(kāi)孔頂角7°，方位角210°，設(shè)計(jì)孔深1550 m?？咨钤?00 m前，頂角每百米上漂不大于1°;深度在800 m以后，每百米上漂不大于2°。全孔孔段頂角不得下垂。方位角在見(jiàn)礦點(diǎn)偏差不大于勘探線間距的1/4。

2.2 ZK61－1孔實(shí)際鉆進(jìn)情況

根據(jù)本礦區(qū)的施工經(jīng)驗(yàn)，為防止鉆孔頂角變小超出要求，實(shí)際開(kāi)孔頂角9°，方位角192°。

該孔在400 m之前頂角和方位角滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，但在400 m以后由于地層軟硬不均，發(fā)生跑斜現(xiàn)象。表1為該孔400～600 m測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。

表1 ZK61－1孔400～600 m測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)

從孔深400 m時(shí)，鉆孔頂角開(kāi)始下垂。至鉆孔鉆進(jìn)到491 m這一期間，我們采用合理組合鉆具(如使用2個(gè)擴(kuò)孔器，上擴(kuò)孔器小，下擴(kuò)孔器大)、調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)等措施，仍無(wú)法遏制頂角下降趨勢(shì)。為避免鉆孔愈加背離探礦需要的設(shè)計(jì)，嚴(yán)重脫靶，必須對(duì)鉆孔進(jìn)行糾斜，才能達(dá)到地質(zhì)設(shè)計(jì)要求。于是，我們使用了LZ－75型連續(xù)造斜器進(jìn)行孔內(nèi)造斜，并使用TYD－3型鉆孔定向儀對(duì)其定向。造斜情況見(jiàn)表2。

表2 LZ－73型孔內(nèi)連續(xù)造斜器造斜統(tǒng)計(jì)

經(jīng)過(guò)兩次定向造斜后，鉆孔的頂角有很大的改觀，但方位超出了設(shè)計(jì)的極限要求。在考慮到方位角糾斜比較困難，決定用425水泥封孔至420 m，建立人工孔底后，再選擇在425～440 m處進(jìn)行定向糾斜。

2.3 ZK61－1孔偏斜問(wèn)題分析

ZK61－1孔造斜地層屬新元古代土門(mén)群二青山組、黑山關(guān)組、浮來(lái)山組、佟家莊組、石旺莊組，古生代寒武系長(zhǎng)清群饅頭組、朱砂洞組、李官組及新太古代泰山巖群山草峪組，蓋層巖性主要為泥巖、泥灰?guī)r，石英砂巖(造斜能力較弱)，變質(zhì)基底巖性以黑云變粒巖為主，夾黑云角閃片巖、角閃石巖等。

其中泥巖、泥灰?guī)r層理發(fā)育，變換頻繁，顆粒較細(xì)，硬度較低，容易造成方位西偏及頂角下垂;而變質(zhì)巖系云母含量較高，石英含量忽高忽低，巖石綠泥石化，斷層較多且深，容易造成方位繼續(xù)西偏或者東偏及頂角下垂。

2.4 ZK61－1孔造斜設(shè)計(jì)

2.4.1 造斜鉆具的組合

定向儀的組合(從上往下):地面顯示器—雙股導(dǎo)線—定向儀。

2.4.2 LZ造斜器結(jié)構(gòu)及工作原理

2.4.2.1 結(jié)構(gòu)

LZ－73型連續(xù)造斜器由定子和轉(zhuǎn)子2部分組成(如圖1所示)。定子部分包括單動(dòng)外殼、工作彈簧、定子外殼、定位套、上半楔、滑塊和下半楔。轉(zhuǎn)子部分包括主動(dòng)軸、定位接頭、花鍵軸、花鍵套、被動(dòng)軸、短管和鉆頭。

圖1 LZ型造斜器結(jié)構(gòu)

當(dāng)造斜器處于自由狀態(tài)時(shí)(如圖1a所示)，滑塊處于回收狀態(tài)，且定子與轉(zhuǎn)子由于定位套與定位鍵相互鎖緊而不發(fā)生相對(duì)位移。這就為造斜器在孔底定向的準(zhǔn)確性提供了必要的條件。

當(dāng)對(duì)造斜器施加壓力時(shí)(如圖1b所示)，定位鍵脫開(kāi)，定子與轉(zhuǎn)子解卡，轉(zhuǎn)子恢復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，定子不轉(zhuǎn)動(dòng)，只是在鉆壓作用下利用滑塊上的滑輪沿鉆孔延伸方向做直線運(yùn)動(dòng)。另一方面定子部分滑塊由于鉆壓作用產(chǎn)生橫向位移，抵在孔壁，孔壁產(chǎn)生的反作用力促使鉆頭切削對(duì)面的孔壁，從而造成孔斜。

LZ－73型連續(xù)造斜器的主要技術(shù)參數(shù)為:適用孔徑75～88 mm;滑塊徑向最大延伸25 mm;允許鉆孔超徑15 mm;造斜強(qiáng)度0.3～0.8°/m;鉆進(jìn)規(guī)程(配不取心金剛石鉆頭時(shí))鉆壓25～28 kN，轉(zhuǎn)速100～200 r/min，鉆井液量50～70 L/min;鉆具外徑73 mm;壽命 ＞80 h。

2.4.2.2 工作原理

LZ連續(xù)造斜器在孔底安裝方位不同，所產(chǎn)生的糾、造斜效果也不同，其基本原理和偏斜結(jié)果如圖2所示。

2.4.3.2 地面定位

假設(shè)LZ系列連續(xù)造斜器的造斜強(qiáng)度為i，單位為°/m。

則其對(duì)頂角的造斜效果為 βi，βi=i|cosγ|。

對(duì)方位角的造斜效果為 αi，αi=i|sinγ|。

順著鉆孔延深方向觀察，連續(xù)造斜器造斜效果具體為:

E安裝于A點(diǎn)，增大頂角，安裝于C點(diǎn)，則降低頂角;

安裝于B點(diǎn)，使方位角減小，安裝于D點(diǎn)，使方位角增大。

安裝于A、B之間，頂角增大，方位角減小;

安裝于B、C之間，頂角減小，方位角減小;

安裝于C、D之間，頂角減小，方位角增大;

安裝于D、A之間，頂角增大，方位角增大。

2.4.3 造斜過(guò)程

2.4.3.1 LZ －73 型連續(xù)造斜器使用前的檢查

(1)各部件檢查，尤其是要保證造斜部件(上半楔、下半楔及中心滑塊)連接緊湊、滑動(dòng)靈活。

(2)保證中心滑塊上的滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，盡可能換用新輪，以便造斜結(jié)束后對(duì)照，以判斷造斜部件工作情況。(若滑塊打開(kāi)，滾輪只是滾動(dòng)磨損，磨損較輕，磨損比較均勻;若滑塊未打開(kāi)，則滾輪隨鉆桿一起圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，滾輪磨損一半，滾輪外側(cè)磨損較內(nèi)側(cè)嚴(yán)重)。

(3)定位鍵與定位套與其他部件連接要符合要求?？赏ㄟ^(guò)對(duì)比定位鍵和定位套使用前與使用后的外觀情況，判斷滑塊在孔里是否工作。

(4)定位接頭內(nèi)的定位銷(xiāo)涂抹紅漆，判斷定位儀下放到鉆具內(nèi)是否到位。

LZ－73型連續(xù)造斜器地面定位有2種情況:

(1)通過(guò)計(jì)算，計(jì)算出造斜器面向在孔底的安裝角β，測(cè)量出定向接頭母線與滑塊母線的初始扭轉(zhuǎn)角φ。按公式α=φ－β調(diào)整定向儀引鞋刻線與定向儀探管的夾角α。

(2)將LZ－73型連續(xù)造斜器在地面豎起，模擬下放到孔底時(shí)鉆具所處的頂角和方位角。之后根據(jù)造斜需要，調(diào)整連續(xù)造斜器滑塊母線所應(yīng)對(duì)的方向。再以方向調(diào)整定向儀引鞋刻線與定向儀探管母線的夾角。

ZK61－1孔造斜，我們選用的第2種方法。

2.4.3.3 孔內(nèi)定向

(1)下鉆時(shí)盡量使每根立根的絲扣旋緊，下鉆要慢、要穩(wěn)。

(2)無(wú)論何時(shí)在沒(méi)有加夠額定鉆壓的情況下，都不允許強(qiáng)力扭動(dòng)鉆具和開(kāi)車(chē)。

(3)下鉆離孔底0.3～0.6 m時(shí)停止，用墊叉把鉆具卡在孔口，準(zhǔn)備定向。

(4)通過(guò)地面儀找準(zhǔn)位置后，用紅漆在鉆機(jī)與鉆桿上做好記號(hào)，然后下放鉆具(這個(gè)過(guò)程一定要緩慢，避免孔內(nèi)的靜液壓柱將定向儀頂出)，觀察地面儀的變化。

(5)重復(fù)步驟(4)多次，若地面儀變化不大，則可確定定向位置，若變化大，則以下入孔底的變化為準(zhǔn)，進(jìn)行校正。

圖3 定向儀示數(shù)區(qū)

如ZK61－1孔現(xiàn)在所面臨的問(wèn)題是頂角下垂、方位角偏大的問(wèn)題。這就要求連續(xù)造斜器安裝位置為造斜滑塊中心線介于鉆孔底幫與右側(cè)幫。而我們使用的定向儀示數(shù)存在4個(gè)分區(qū):長(zhǎng)零區(qū)、短零區(qū)、正數(shù)區(qū)、負(fù)數(shù)區(qū)，如圖3所示。短零區(qū)大約的范圍在15°左右。如果要取得造斜的理想效果，那么可認(rèn)為必須將這個(gè)范圍處在鉆孔的底幫和左側(cè)幫。在通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿確定定向儀示數(shù)正數(shù)區(qū)到短零區(qū)的零界點(diǎn)A與短零區(qū)到負(fù)數(shù)區(qū)的零界點(diǎn)B之后，再通過(guò)多次驗(yàn)證找到最理想的造斜位置C。這樣的目的是使定位不再是單獨(dú)一個(gè)點(diǎn)的控制，而是先找2點(diǎn)再精確找最理想的第3個(gè)點(diǎn)，取得孔內(nèi)定向更加準(zhǔn)確的效果，避免了較大的誤差出現(xiàn)。

2.4.3.4 定向鉆進(jìn)

(1)孔內(nèi)定向結(jié)束后，通過(guò)倒桿的方式，將鉆具放到孔底。

(2)打開(kāi)水泵，沖孔5～10 min后，進(jìn)行稱(chēng)重。(3)根據(jù)稱(chēng)重結(jié)果，適當(dāng)加壓或減壓，使鉆壓在連續(xù)造斜器的額定要求范圍之內(nèi)。

(4)在施加壓力確保造斜部分滑塊打開(kāi)之后，緩慢松開(kāi)離合器，使鉆機(jī)慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)。

(5)在靜待幾分鐘觀察鉆進(jìn)無(wú)異常情況后，將手柄打到鉆進(jìn)位置，進(jìn)行造斜鉆進(jìn)。

(6)進(jìn)行倒桿時(shí)，要先停車(chē)后松開(kāi)卡頭進(jìn)行倒桿，避免連續(xù)造斜器在孔底安裝位置發(fā)生變化。

2.4.4 造斜結(jié)果

ZK61－1孔在封孔人工造孔底后，又進(jìn)行了5次糾斜。在此過(guò)程中一系列的糾斜數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 LZ－75孔內(nèi)連續(xù)造斜器封孔后造斜統(tǒng)計(jì)

由表3可以看出，除了第三次糾斜效果不太明顯外，其他幾次都有顯著的效果，尤其是頂角變化。通過(guò)對(duì)第二次糾斜與第3～5次糾斜結(jié)果的對(duì)比，可以看出后幾次的糾斜對(duì)于方位角的增大趨勢(shì)有一定的抑制作用。其糾斜所產(chǎn)生的造斜趨勢(shì)最終在650 m后發(fā)揮效果，慢慢使方位角向西減小，保證了地質(zhì)找礦對(duì)方位角的要求。

2.4.5 造斜注意事項(xiàng)

(1)地面定位時(shí)要盡量模擬孔內(nèi)情況，確定2個(gè)臨界點(diǎn)的精確位置。

(2)孔內(nèi)定位時(shí)，盡量使鉆具接近孔底。鉆桿旋轉(zhuǎn)一段時(shí)間后方可定位。定位要多次試驗(yàn)，基本相同時(shí)才可標(biāo)定位置。

(3)送水稱(chēng)重要準(zhǔn)確，保證孔底所施加的壓力在儀器的額定使用壓力范圍，避免軸承人為損壞。

(4)所使用的鉆頭應(yīng)選用外出刃較大的表鑲金剛石鉆頭或PDC鉆頭。

(5)造斜一段后要及時(shí)測(cè)斜，觀察情況。有時(shí)候糾斜的效果是制造一個(gè)趨勢(shì)，所以需要常規(guī)鉆進(jìn)一段距離后才能顯現(xiàn)效果。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)LZ連續(xù)造斜器在較淺的孔內(nèi)可以起到良好的人為造斜效果。

(2)鉆孔較大的頂角可以抑制方位角的變化。但在頂角較大的情況下，方位角的糾正是相當(dāng)困難的。

(3)及時(shí)、規(guī)范的測(cè)斜，是預(yù)防與處理孔斜事故的必要條件。

(4)任何一種儀器的使用，其每一步的操作都是至關(guān)重要的，需要認(rèn)真仔細(xì)對(duì)待。

［1］任攀攀，陳曉琳，林修闊.連續(xù)造斜繩索取心鉆具造斜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(1):35－36.

［2］趙燕來(lái).LZ型連續(xù)造斜器在四川某鈾礦區(qū)詳勘中的應(yīng)用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(7):84 －86.

［3］郭紹什，馮德強(qiáng)，楊凱華，等.鉆探手冊(cè)［M］.湖北武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1993.

［4］張文慶.孫家莊鐵礦初級(jí)定向鉆進(jìn)及防斜措施［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(12):22 －24.

［5］葉友仁，陳洋.湖南郴縣紅旗嶺鎢錫礦多金屬礦區(qū)鉆探施工措施分析［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(9):6 －9.