繩索取芯液動錘在新疆和靜縣鐵銅多金屬礦復(fù)雜地層鉆探中的應(yīng)用

余桂紅，趙尊亭，余東山，李曉丹

（河南地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)勘查院，河南洛陽471000）

繩索取芯液動錘在新疆和靜縣鐵銅多金屬礦復(fù)雜地層鉆探中的應(yīng)用

余桂紅*，趙尊亭，余東山，李曉丹

（河南地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)勘查院，河南洛陽471000）

新疆和靜縣鐵銅多金屬礦區(qū)巖石破碎強烈，繩索回轉(zhuǎn)鉆進經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)管巖芯堵塞，打撈頻繁現(xiàn)象，造成鉆探效率低下。采用繩索液動錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆進，不但提高了鉆探效率，而且鉆孔質(zhì)量好，鉆頭壽命長，取得了良好的經(jīng)濟與社會效益。

巖石破碎；繩索取芯液動錘；沖擊回轉(zhuǎn)鉆進

新疆和靜縣鐵銅多金屬礦預(yù)詳查項目是新疆新興鑄管巴州兆融礦業(yè)公司投資的地勘項目，地質(zhì)勘查工作河南省地質(zhì)科學(xué)研究所承擔(dān)，鉆探施工任務(wù)由河南地礦局地勘三院承擔(dān)。其中鉆探設(shè)計工作量3480m，鉆孔6個，設(shè)計最深孔850m。

1 礦區(qū)概況

1.1 交通與地理位置

主要施工區(qū)位于和靜縣鞏乃斯鎮(zhèn)阿爾先溝村，距離縣城較遠(yuǎn)，出村為砂石公路，砂石公路向南20km與G218國道相連，但到工區(qū)仍有10km陡峻山丘，無路可行，給施工帶來不便。

1.2 地層與構(gòu)造

該礦區(qū)巖石破碎強烈，多呈裙?fàn)罘植加诙盖偷纳椒迥_下。區(qū)域上斷裂構(gòu)造發(fā)育，斷裂主要呈北西西—南東東向展布。礦區(qū)內(nèi)以閃長巖，石英巖和二長花崗巖為主要巖體，巖石硬度達到Ⅷ級以上。

礦區(qū)地層由老到新依次有：下石炭統(tǒng)大哈拉軍山組（C1d）、艾肯達坂組C1ak）、阿克沙克組（C1a），上石炭統(tǒng)伊什基里克組（C2y），上二疊統(tǒng)鐵木里克組（P2tm）以及早侏羅統(tǒng)八道灣組（J1b）。

第四系：在工作區(qū)山前、溝谷及高山地帶分布，主要有更新統(tǒng)殘坡積層（Qpesl）、更新統(tǒng)冰川沉積層（Qpgl）、全新統(tǒng)沖洪積物（Qhpal）等。

2 繩索鉆進中存在的問題

因地層破碎強烈，導(dǎo)致繩索鉆進施工中出現(xiàn)以下問題，這些問題也是重點解決問題，同時也是采用繩索取芯液動錘鉆進的合理理由。

（1）鉆探效率低：因地層破碎強烈，用繩索回轉(zhuǎn)鉆進經(jīng)常出現(xiàn)堵芯現(xiàn)象，回次進尺少，打撈頻繁，純鉆進時間低，臺鉆效率低，巖芯采取率低。繩索取芯鉆探用的鉆頭底唇面較厚，克取巖石面積較大，鉆進效率相對較低，尤其在堅硬致密打滑地層，鉆進效率尤其低下。

（2）鉆頭壽命短：因地層破碎，回轉(zhuǎn)鉆進鉆頭磨損大，從而壽命短。

3 SYZX75繩索取芯液動錘的成功應(yīng)用

3.1 SYZX75繩索取芯液動錘結(jié)構(gòu)

該工區(qū)采用中國地質(zhì)科學(xué)研究院勘探技術(shù)研究所生產(chǎn)的SYZX75型繩索取芯液動錘。鉆具分為雙管和打撈器2部分（見圖1）。

（1）雙管部分：雙管包括外管總成和內(nèi)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(nèi)裝承沖環(huán)）、下外管、下擴孔器（內(nèi)裝下扶正環(huán)）和鉆頭等；內(nèi)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(diào)節(jié)、巖芯容納及卡取巖芯和扶正等機構(gòu)。

（2）打撈器部分：打撈器與同規(guī)格繩索取芯打撈器相同，故略去。

3.2 SYZX75繩索取芯液動錘工作原理

由水泵送入的沖洗液經(jīng)由鉆桿內(nèi)孔流入內(nèi)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(zhì)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(jīng)下噴嘴高速噴出，同樣由于卷吸作用使沖錘（上活塞、下活塞和沖垂體三件的組合體簡稱沖錘）腔內(nèi)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(guān)閉水路，至此回程結(jié)束。水路關(guān)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。傳功機構(gòu)將沖擊功傳到鉆頭上，提高鉆進效率。

圖1 SYZX75型繩索取芯液動錘結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 繩索取芯液動錘破巖機理與優(yōu)點

3.3.1 提高鉆探效率 鉆孔質(zhì)量好

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進是在鉆頭承受一定靜荷載的基礎(chǔ)上，以縱向沖擊力和回轉(zhuǎn)切削力共同破碎巖石的方法。沖擊使接觸應(yīng)力瞬間達極限，應(yīng)力集中，巖石產(chǎn)生裂紋，沖擊速度快，巖石脆性強，裂紋發(fā)育就越大。因此面對堅硬地層和致密打滑地層可提高鉆進效率。另外被破碎的巖石在高頻沖擊力作用下能迅速、順利、較完全地通過卡簧進入內(nèi)管，防止巖芯堵塞，回次進尺高，純鉆時間長，輔助時間短，巖芯采取率高，鉆孔質(zhì)量好。

3.3.2 鉆頭壽命長

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進，巖石體積破碎下來的巖粉顆粒較大，并且有棱角，對胎體具有研磨性磨損；還由于沖擊回轉(zhuǎn)鉆進泵量大，沖洗液對鉆頭具有較強的沖飾性；高頻脈動沖擊載荷是金剛石切削刃“吃入”巖石，破碎的巖石對金剛石出刃的根部胎體有破壞作用，致使金剛石鉆頭出刃后面的胎體凸起高度比回轉(zhuǎn)鉆進時低，造成金剛石出刃比回轉(zhuǎn)鉆進時大，一方面有利于載荷“吃入”巖石，提高碎巖效果；另一方面造成回轉(zhuǎn)切削碎巖過程中金剛石脆斷。但由于沖擊載荷的作用，減少巖石的抗破碎阻力，從而彌補了金剛石出刃量大，支撐胎體減弱所產(chǎn)生弊端。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進，孔底沖洗液流量大，呈高頻脈動沖擊流動狀態(tài)，鉆頭唇面與巖石表面間隙是高頻變化的，致使孕鑲金剛石鉆頭唇面沖洗液漫流面擴大，攜帶巖粉、冷卻鉆頭能力強，減少了巖粉粘附和重復(fù)破碎，也有利于提高效率和鉆頭壽命。此外，孔底鉆具受高頻沖擊作用而隨之震動，巖芯順利進入內(nèi)管，使鉆壓有效地作用于鉆頭上，防止鉆頭唇面的金剛石拋光。因此，只要液動錘工作正常，參數(shù)匹配合理，用常規(guī)鉆頭就能獲得理想的鉆進效果，鉆頭不會因高頻脈動沖擊載荷而發(fā)生磨損和損壞。

3.4 繩索鉆進與繩索液動錘鉆進應(yīng)用效果對比

3.4.1 鉆進效率大幅提高

由于首次在該礦區(qū)施工，對地層了解少，前期施工鉆孔采用繩索鉆進，鉆進效率較低，后來采用繩索取芯液動錘（SYZX75）后，效率大大提高。各孔鉆進方法與 工期對比如表1所示。

表1 鉆孔鉆進方法與工期統(tǒng)計表

從表1可以看出，同樣破碎地層，粗略計算，ZK1600孔采用繩索液動錘鉆進，用48d就完成了800.98米的孔深，平均每天進尺16m；而ZK1505孔單純采用繩索鉆進，854.53m的孔深用了87d完成，平均每天進尺10m。效率方面，前者是后者的1.6倍，所以，采用繩索液動錘鉆進，純鉆時間長，輔助時間短，打撈次數(shù)少，鉆進效率大大提高，能提高60%左右。

3.4.2 鉆孔質(zhì)量好鉆頭壽命長

以ZK1600鉆孔為例說明。

該孔處在多發(fā)地震帶上，地層破碎、坍塌并且漏水嚴(yán)重，給施工帶來極大的不便。施工前18d（2013-07-21～08-07），繩索鉆進鉆遇破碎巖層,巖芯易堵塞,在后續(xù)鉆進中,如果還用繩索鉆進,必將出現(xiàn)頻繁撈取內(nèi)管現(xiàn)象,這樣會使輔助時間大量增加,純鉆進時間少,嚴(yán)重影響鉆探效率;同時巖芯采取率低，影響鉆孔的質(zhì)量;另外鉆頭承受較大壓力與較高轉(zhuǎn)速,再加上粗顆粒的磨損，鉆頭壽命短。針對上述情況，項目部決定采用繩索取芯液動錘鉆進方法。

該孔2013年8月8日改用繩索取芯液動錘鉆進工藝，施工中鉆進時效與回次進尺大幅提高，單班進尺最低鉆進15m，最高單班進尺23m（12小時制）；取芯率也達到95%以上（見圖3）；另外鉆頭壽命也提高了70%（見表2）。該孔于2013年9月7日終孔，鉆孔質(zhì)量被評為優(yōu)質(zhì)孔，獲得了甲方好評。

表2 ZK1600鉆孔繩索和繩索液動錘鉆進施工效果對比表

3.5 繩索液動錘鉆進注意事項

（1）液動錘各部件制造精細(xì)，易磨損件多，因此，要求泥漿含砂量低。施工中應(yīng)加長泥漿循環(huán)槽，在循環(huán)槽中間多做幾個沉淀坑，勤撈砂，最好配備除砂器。

（2）每次提鉆一定要認(rèn)真檢查液動錘各零部件，及時更換易損件。

（3）為了減少磨損，在投入內(nèi)管總成前，應(yīng)在上、下活塞密封處涂抹黃油。

（4）定期檢查傳動環(huán)外徑、承沖環(huán)內(nèi)徑的磨損情況，比設(shè)計尺寸間隙（0.05～0.15mm）大0.2～0.3mm時應(yīng)予以更換。

（5）定期檢查下活塞沖擊面上的4個起振槽深度，若磨損變淺后，應(yīng)用砂輪加深加寬，否則會影響液動錘啟動。

（6）檢查繩索取芯液動錘的絲扣連接情況：由于液動錘傳遞的是高頻脈動載荷，內(nèi)管總成各絲扣連接部分容縣出現(xiàn)倒扣或者松動，引起內(nèi)管總成彈卡鉗與彈卡室的間隙變小或變無，極易引起拉不動內(nèi)管情況，造成提大鉆或其它孔內(nèi)事故的發(fā)生。在每個回次撈出內(nèi)管總成后，下入之前，都要認(rèn)真檢查內(nèi)管總成各個連接部位的絲扣連接情況。

圖2 繩索鉆進巖芯

圖3 繩索液動錘鉆進巖芯

（7）不進尺時要及時取芯：在破碎地層中鉆進，破碎巖芯經(jīng)常容易卡在卡簧處，即便高頻脈動載荷的液動錘敲擊振動作用也不能及時解卡。如不及時取芯，在長時間孔底回轉(zhuǎn)和沖擊作用下，極易引起卡簧座的碎裂和斷開，從而引起提大鉆情況發(fā)生。在遇到約10min左右不進尺的情況，或者瞬時更換為較大泵量仍然不進尺的情況，要及時打撈內(nèi)管。

（8）避免繩索取芯液動錘較長時間空打：由于液動錘沖擊功是經(jīng)承沖環(huán)與傳功環(huán)傳遞到外管鉆具和鉆頭上，所以當(dāng)孔內(nèi)鉆具懸空時或是未接觸孔底大泵量沖孔時，液動錘長時間的進行空打工作，容易引起液動錘內(nèi)部錘體的磨損和斷裂，較大沖擊功甚至?xí)⒁簞渝N鉆具外管與承沖環(huán)接頭的連接處打脫。

（9）卡簧座、內(nèi)管和內(nèi)管總成的上部連接必須同軸；內(nèi)管應(yīng)光滑平直，不得有彎曲或局部出現(xiàn)凹坑等現(xiàn)象。

（10）在漏失地層鉆進時，應(yīng)先往孔內(nèi)注入沖洗液，等液面升到正常位置時再投放。如果鉆孔嚴(yán)重漏失，孔內(nèi)無沖洗液（干孔）或液面很低（半干孔），應(yīng)用打撈器將內(nèi)管總成送入，以免撞壞鉆具和鉆頭，造成事故。

4 結(jié)語

該礦區(qū)巖層極為破碎，成功應(yīng)用繩索液動錘鉆進工藝后,不但大大提高了鉆探效率與鉆孔質(zhì)量,降低了鉆探成本，而且也取得了良好的經(jīng)濟與社會效益。值得在硬、脆、碎地層以及致密打滑地層中推廣與應(yīng)用。

[1]趙華.SYZX系列繩索取心液動錘在新余梅山煤礦易斜深孔防斜鉆進中的應(yīng)用[J].探礦工程（巖土鉆掘工程）,2011,38(9): 27-29.

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[5]中國地質(zhì)科學(xué)研究院勘探技術(shù)研究所.繩索取心液動錘使用指南[E].

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1004-5716(2015)08-0056-04

2014-09-05

余桂紅（1968-），女（漢族），河南平頂山人，高級工程師，現(xiàn)從事鉆探技術(shù)與管理工作。