開化外際底礦區(qū)破碎地層鉆探施工及若干技術(shù)問題研究

趙國法，呂新前，熊 偉

(1．浙江省有色金屬地質(zhì)勘查局，浙江 紹興312000;2．河北省地礦局第三地質(zhì)大隊，河北張家口075000)

0 引言

外際底礦區(qū)勘查對象為熱液型含砷硫化物銀礦床。礦體主要賦存于板橋山鈣質(zhì)砂巖、荷塘組的含炭質(zhì)泥巖和北東向?qū)娱g破碎帶內(nèi)，并受褶皺構(gòu)造控制，礦化集中產(chǎn)出背斜部位的裂隙發(fā)育的多孔質(zhì)巖層。鉆探是礦區(qū)勘查的主要手段，但因遇鉆地層復(fù)雜，巖石破碎，前期鉆孔施工中普遍存在淺部鐵帽型礦體采心難、鉆孔彎曲度測量難以把握、沖洗液配制環(huán)保要求高等施工難點問題。要保質(zhì)保量的完成礦區(qū)鉆探施工，除了要根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)和施工條件制定出在復(fù)雜地層條件下的鉆進技術(shù)方案，更重要的是要充分理解鉆探施工的本質(zhì)和質(zhì)量指標的內(nèi)涵，依據(jù)勘查對象的地質(zhì)特點，不斷完善鉆進工藝和操作水平，滿足地質(zhì)對鉆探質(zhì)量的要求，從而提高鉆孔地質(zhì)信息的可靠性。

1 地質(zhì)及施工條件

1．1 施工條件

礦區(qū)位于浙江省西南部開化縣城北西35°，直距約25 km的外際底村西側(cè)，有鄉(xiāng)村公路進村，外部交通條件方便。屬中低山區(qū)，主峰高程達1285 m，大多數(shù)山峰海拔在200～700 m之間，地形切割強烈，地表溝谷縱橫，植被發(fā)育。降雨集中在5—6月份，7—8月份晴熱少雨。機具搬遷和夏季生產(chǎn)用水困難。

1．2 勘查對象特征

礦區(qū)屬揚子地臺東南緣錢塘褶皺帶，華埠—新登坳褶帶(又稱錢塘復(fù)向斜)西南處。地質(zhì)構(gòu)造主要表現(xiàn)為一系列北東向的倒轉(zhuǎn)褶皺、斷裂和東西向、北西向斷裂。地層傾向北西，傾角40～60°，已有鉆孔中地層主要巖性自上而下分別為:浮土(厚度約6 m)、泥巖(厚度約20 m)、破碎帶(厚度約18 m)、硅質(zhì)巖(厚度80 m)、長石石英砂巖(厚度23 m)、黃鐵礦化泥巖(厚度47 m)、鈣質(zhì)泥巖(厚度45 m)、白云巖(厚度119 m)、破碎帶(厚度20 m)、泥巖(厚度80 m)。從巖石強度看，大部分巖石強度＜20 MPa，巖石完整程度位于破碎—較完整之間，屬復(fù)雜地層。易造成巖心采取率偏低、鉆孔彎曲度偏大。

礦區(qū)見有3個礦帶，主要(脈石)礦物為石英和方解石。礦體特征和金屬礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等見表1。其中，Ⅲ礦帶硫化物已氧化成蜂窩狀、土塊狀褐鐵礦，形成較疏松的鐵帽，取心較困難。同時，由于礦石中含有磁性礦物，對測斜有一定的影響;而含有硫酸鹽礦物，對沖洗液的限制較嚴。

表1 外際底礦床地質(zhì)特征

2 鉆孔設(shè)計及主要質(zhì)量要求

礦區(qū)總鉆探工作量為15000 m，前期施工鉆孔孔深多為200 m左右，隨找礦認識的深入，鉆探孔深逐步加深為450～600 m的斜孔。設(shè)計方位320°，天頂角20°，穿礦直徑75 mm。主要質(zhì)量要求如下。

(1)巖礦心采取率:礦層及其頂?shù)装?～5 m內(nèi)礦心、巖心采取率≮80%，圍巖巖心的分層采取率≮70%。

(2)孔斜測量:每50 m測量一次頂角和方位角，換徑、穿礦和終孔加測方位角和頂角，頂角偏斜≯3°/100 m。鉆孔見礦位置偏離勘查線距離不得超過基本工程間距的20%。測斜要使用經(jīng)校正的KXP－2B(D)型數(shù)字羅盤測斜儀。

(3)簡易水文觀測:每班至少觀測水位1～2回次，每觀測回次中提鉆后、下鉆前各測量一次水位，間隔時間＞5 min。有條件時記錄沖洗液消耗量。遇涌水、漏水、坍塌、掉塊、溶洞及鉆具墜落等異?，F(xiàn)象，應(yīng)及時準確記錄其孔深和有關(guān)情況。地下水自流鉆孔，測量水頭高度和涌水量。

3 鉆探技術(shù)方案

3．1 鉆進方案

中深孔鉆進對鉆機動力、穩(wěn)定性、鉆桿強度等都比淺孔要求更高，經(jīng)過對比分析地層特征和市場可供選擇的鉆探設(shè)備，選擇了長沙探礦機械廠生產(chǎn)的XY－4型巖心鉆機。主要參數(shù)為:柴油機功率56 kW，轉(zhuǎn)數(shù)2200 r/min，主軸最大扭矩6500 N·m，液壓系統(tǒng)額定壓力8 MPa，繩索取心鉆桿直徑75 mm。

3．2 鉆進參數(shù)

選擇合理的鉆進參數(shù)在鉆進過程中非常重要。根據(jù)經(jīng)驗并結(jié)合實際鉆孔資料確定:礦區(qū)完整地層鉆壓控制在10～12 kN，破碎地層鉆壓控制在7～9 kN。完整地層轉(zhuǎn)速控制在500～900 r/min，破碎地層轉(zhuǎn)速控制在200～400 r/min。根據(jù)鉆探孔徑及地層情況，沖洗液泵量控制在80～130 L/min。

4 技術(shù)難點和改進措施

巖心鉆探是通過機械方式向縱深切割巖石，獲取巖樣，并提供客觀的地質(zhì)信息。但受地質(zhì)條件和技術(shù)水平的限制，繩索取心鉆探技術(shù)在礦區(qū)實踐中有其局限性。針對礦區(qū)鉆探施工中的難點，依據(jù)對地質(zhì)和鉆探技術(shù)特點的認識，深刻理解鉆探質(zhì)量指標的內(nèi)涵，認真分析產(chǎn)生質(zhì)量問題的地質(zhì)機理，從提高鉆孔地質(zhì)信息的可靠性角度不斷完善鉆探施工方案，最終達到地質(zhì)對鉆探施工的質(zhì)量要求。

4．1 淺部氧化礦體巖心采取率的提高

礦區(qū)0～8線主要出露為荷塘組含炭質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖，構(gòu)造發(fā)育，巖層破碎，礦體出露于層間破碎帶中，呈蜂窩狀、團狀、局部硅化產(chǎn)出。尤其是分布在背斜頂部的礦體多已暴露在地表，成為剝蝕殘留礦床，其中Ⅲ礦帶的硫化物已氧化成蜂窩狀、土塊狀構(gòu)造褐鐵礦，形成較疏松的鐵帽，取心較困難。前期施工的鉆孔在孔深0～80 m的淺部破碎地層的采取率僅為61.3%，礦體已無法辯認，大多當(dāng)作地表浮土層對待，給人造成Ⅲ礦帶已剝蝕殆盡的假象。

經(jīng)對礦區(qū)前期施工資料分析，造成對該礦層采取率普遍低的原因除地質(zhì)條件特殊外，前期大功率鉆機的機械振動對巖石沖擊和雙管單動鉆進時因泵量大對破碎地層的沖蝕大也是重要的因素。為此，首先在鉆機選型上改用GY－300A型鉆機，該型號鉆機在機械操作上與XY－4型鉆機相似，主要鉆具的規(guī)格可以相互通用，能最大限度上不改變制定的礦區(qū)鉆進方案和鉆進參數(shù)。同時，由于最大扭矩和動力系統(tǒng)輸出功率相對較小，能降低施工時機械振動對破碎地層的沖擊。而且，由于鉆機外形尺寸和重量小，也方便淺孔施工坪基和搬遷。鉆機主要參數(shù)對比見表2。

表2 鉆機主要參數(shù)對比

其次，在開孔段和淺部鐵帽部位采用無泵反循環(huán)鉆具，即在鉆進中不用水泵沖洗鉆孔，人工將沖洗液倒入后，低速開動鉆機，利用孔內(nèi)的靜水柱壓力和上下提動鉆具在孔底形成局部反循環(huán)而實現(xiàn)沖洗孔底的鉆進。通過對已完成的ZK802鉆孔淺部進行補孔試驗，結(jié)果十分理想:原先施工的ZK802孔最上部基本采取不到巖心，經(jīng)二次補心無法取得完整的礦心;但在同位置按新工藝施工的淺孔ZK806孔，巖心采取率為87%，而且?guī)r心較為完整，在地質(zhì)設(shè)計預(yù)計見礦部位見厚度達1.97 m的銀多金屬礦體(見圖1)。

同時，嚴格控制鉆速、鉆壓及沖洗液用量。在破碎地層鉆探做到少鉆勤提，回次進尺控制在0.5～1.0 m。巖心要卡牢，防止脫落和殘留，殘留巖心過多影響采取率時應(yīng)特別采取。在破碎地層采取率無法控制孔段采用孔底局部反循環(huán)鉆進取心工藝。

圖1 ZK802孔(上)與ZK806孔(下)淺部巖心對比

采用上述措施對余下鉆孔和部分前期施工的鉆孔進行施工，結(jié)果全礦區(qū)巖心采取率達到了90%以上，礦體巖心采取率達到了93%以上，破碎地層的巖心采取率達到了81%;同時開孔段和淺部鐵帽部位采取率一般為61% ～90%，平均達77.33%，而且?guī)r心相對完整，提供了客觀真實的地質(zhì)信息。根據(jù)新施工鉆孔結(jié)果，結(jié)合前期槽探成果，很快有效控制了礦區(qū)的淺部層狀礦體，估算的資源量有大幅提高，取得了較好的地質(zhì)成果。

4．2 環(huán)保型沖洗液的選定

繩索取心鉆進過程中，因鉆具與孔壁間隙小，孔內(nèi)阻力會隨孔深增大，特別是遇到破碎地層，孔內(nèi)阻力會瞬間增大。要保證優(yōu)質(zhì)快速安全鉆進，正確地選擇、使用沖洗液起著十分重要的作用。性能優(yōu)良的沖洗液能在較長時間內(nèi)保持孔內(nèi)穩(wěn)定，給諸如下套管、灌注水泥護壁創(chuàng)造有利條件，也是提高破碎地層巖心采取率的關(guān)鍵措施之一。然而，由于礦區(qū)所處的開化縣正在開展國家東部公園建設(shè)，對礦區(qū)鉆孔施工有嚴格的環(huán)保要求。如前所述，礦區(qū)礦石中含有較多的硫化物及硫酸鹽礦物，不當(dāng)?shù)臎_洗液可能會引起對地下水的污染。因此，礦區(qū)沖洗液的選擇十分有限。

根據(jù)礦區(qū)地層特點和防止地下水重金屬污染的發(fā)生，經(jīng)中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所專家建議，礦區(qū)沖洗液方案為:

(1)沖洗液使用以對環(huán)境破壞小的清水為主，在鉆進過程中盡量不添加皂化油;

(2)鉆孔深部遇破碎層采用泥漿護壁，1 m3水+100 kg膨潤土+1 kg燒堿;

(3)鉆孔深部遇破碎地層且采取率低時，采用SH膠配制無固相沖洗液護壁，提高巖心采取率，1 m3水+2%SH+0.15%燒堿。

上述配方中，含有燒堿的沖洗液在地下水中有如下化學(xué)反應(yīng)，具有中和酸及抑制重金屬離子形成的作用。

經(jīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門多次對地下水檢測，均符合要求，為礦區(qū)勘查創(chuàng)造了很好的質(zhì)量和社會效益。

4．3 數(shù)字羅盤測斜儀使用和防斜措施

因繩索取心技術(shù)的特點是不提鉆取心，測斜時一般是將測斜儀從鉆桿內(nèi)下入指定的位置完成定測，但KXP－2B(D)型數(shù)字羅盤測斜儀并不防磁干擾，操做不當(dāng)會因鉆桿的影響造成數(shù)據(jù)失真;而且礦區(qū)有多層含有磁黃鐵礦層存在，如何避開這些磁性層也是鉆孔測斜時應(yīng)考慮的問題。

在率先使用KXP－2B(D)型數(shù)字羅盤測斜儀測斜ZK1204孔，其孔斜數(shù)據(jù)與地質(zhì)設(shè)計出現(xiàn)了很大的偏差(見表3)，尤其是方位角數(shù)據(jù)匪夷所思。為此，通過對巖礦心巖性、軸角的觀察，偏斜規(guī)律的研究和地質(zhì)剖面圖的校核，并詳細檢查了測斜時的操作過程，證實引起數(shù)據(jù)混亂的根本原因是測孔斜時測斜儀未穿過鉆桿到達裸眼孔段，鉆桿影響了測斜儀的失真和數(shù)據(jù)混亂。另外在施工工藝上也存在著不合理處，孔徑配比極不合理，采用127 mm鉆頭開孔后直接采用71 mm鉆進，難以保證孔斜達到設(shè)計要求。

表3 ZK1204孔數(shù)字羅盤測斜儀(KXP－2B(D))測斜結(jié)果

通過對比試驗，制定了具體的解決方案。

(1)嚴格按照測斜要求，每50 m按規(guī)范測頂角、方位角，在換徑或見礦層時均應(yīng)加測頂角和方位角，以便發(fā)現(xiàn)鉆孔彎曲度增大時及時處理。

(2)鉆進到達指定深度后，先提3～4根鉆桿，在鋼絲繩上做好標志，用繩卡將數(shù)字電子測斜儀綁定在鋼絲繩上，設(shè)定好測斜儀器測量的時間，測量時間隨著測斜深度的增加而相應(yīng)增加，確保時間充足，最后將數(shù)字電子測斜儀用鋼絲繩下放到指定的測斜深度，儀器必須穿過鉆具，且測斜儀器應(yīng)遠離鉆具6 m以上，這是確保測斜儀器不受鐵器影響的關(guān)鍵。

(3)地質(zhì)技術(shù)人員必須定期對鉆機所用測斜儀進行校正，保證鉆機所用測斜儀器的準確性;且鉆機進行測斜的時候，地質(zhì)技術(shù)人員必須到達現(xiàn)場進行監(jiān)督，防止鉆機編造測斜數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)的不準確，同時對是否有磁性巖層做出判斷，及時找出鉆孔發(fā)生偏斜的原因，及時糾正錯誤，防止不必要的損失。

(4)加強施工管理，地基平整必須按要求開挖，機臺必須坐落在實地上，以防不均勻沉降造成孔斜，并在鉆進過程中實時監(jiān)測。在下75 mm繩索鉆桿時，必須先下91 mm的套管，用以增強鉆進時的導(dǎo)向，防止發(fā)生孔斜事故。

通過上述方案的實施，鉆孔測斜數(shù)據(jù)質(zhì)量有了明顯提高，并較為符合地質(zhì)特征和偏斜規(guī)律，鉆孔彎曲度從原來的施工淺孔的2.93°/100 m，提高到施工孔深達到450 m以深鉆孔時，彎曲度控制在2°/100 m以內(nèi)，達到地質(zhì)設(shè)計的質(zhì)量要求。

5 結(jié)語

鉆探作為傳統(tǒng)的地質(zhì)勘查重要手段，今后仍將發(fā)揮不可替代的作用。鉆探質(zhì)量指標源于鉆探的多變性和地質(zhì)需要的確定性，質(zhì)量指標的核心是為地質(zhì)勘查提供有效的地質(zhì)信息。地質(zhì)人員必須正確把握巖心鉆探的可行性和局限性，了解現(xiàn)有鉆探技術(shù)水平和工藝方法，才能更好地理解鉆孔資料帶來的地質(zhì)信息。鉆探施工人員要充分理解巖心鉆探質(zhì)量指標的內(nèi)涵，盡最大限度來提高鉆探工藝技術(shù)水平，滿足地質(zhì)要求，提高地質(zhì)信息的可靠性。

鉆探施工實踐強，復(fù)雜地層鉆探施工遇到的技術(shù)難點多，解決問題的根本方法是要充分了解礦區(qū)地層的特征，選用合適的施工工藝，采取針對性的措施，預(yù)防質(zhì)量事故的發(fā)生，從而確保鉆孔質(zhì)量達到地質(zhì)要求，這也是達到降低施工成本和提高鉆探效率的最有效途徑。

通過對外際底礦區(qū)鉆探施工的總結(jié)分析，筆者認為:

(1)復(fù)雜地層鉆進中出現(xiàn)質(zhì)量問題的原因主要是對礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和地層等客觀因素及鉆探技術(shù)的局限認識不深，采用了不當(dāng)?shù)氖┕すに嚭筒僮鞣椒?

(2)復(fù)雜地層的表現(xiàn)形式多種多樣，生成質(zhì)量問題的結(jié)果也不一樣，解決問題的手段不能是單一的，必須采取綜合手段。防治質(zhì)量事故必須嚴把地基平整、開孔、測斜、控制鉆速、鉆壓及沖洗液用量等施工環(huán)節(jié)的質(zhì)量關(guān)。

［1］ 賀仁均，烏效鳴，田恒星．易斜地層鉆孔傾斜規(guī)律研究［J］．安全與環(huán)境工程，2012，(4):111 －114．

［2］ 李振學(xué)．南坪礦區(qū)復(fù)雜地層深孔鉆進技術(shù)研究［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(11):12 －15．

［3］ 曾祥熹，等．鉆孔護壁技術(shù)及堵漏原理［M］．北京:地質(zhì)出版社，1986:75－81．

［4］ 尹建國，劉青山，夏文彬，等．寨上礦區(qū)復(fù)雜地層鉆探技術(shù)［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(6):42 －45．

［5］ 趙均文，于志堅，邢運濤，等．承德黑山礦區(qū)鉆孔糾斜技術(shù)及防斜技術(shù)措施［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(5):17－21．

［6］ 翟東旭．嵩縣大西溝礦區(qū)復(fù)雜地層鉆探施工綜合治理［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(10):32 －35．

［7］ 顧軍，向陽，漆萬輝，等．三塘湖盆地地層造斜力學(xué)特性分析與防斜打快對策［J］．探礦工程，2003，2:44 －48．

［8］ 劉廣志．金剛石鉆探手冊［M］．北京:地質(zhì)出版社，1991．

［9］ 湯鳳林，等．巖心鉆探學(xué)［M］．湖北武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1997．