礦山水文地質(zhì)工程鉆探關(guān)鍵技術(shù)研究

任少鵬

（山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟南 250000）

1 礦山水文地質(zhì)工程鉆探關(guān)鍵技術(shù)

針對礦山地下水層發(fā)育特征，對礦山水文地質(zhì)工程鉆探施工對鉆探設(shè)備的需求進行了分析，提出鉆探設(shè)備優(yōu)選方法，并且對鉆孔大小、鉆孔間距等鉆探施工參數(shù)進行設(shè)計；然后針對礦山地下水含水層、隔水層等地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，對含水層壓力進行預(yù)測，為后續(xù)的泥漿技術(shù)開展提供數(shù)據(jù)依據(jù)；最后針對礦山水文地質(zhì)工程鉆探技術(shù)實施過程中可能會出現(xiàn)的事故進行預(yù)防，并對其進行科學(xué)處理，以此完成此次礦山水文地質(zhì)工程鉆探關(guān)鍵技術(shù)的研究。

1.1 鉆探施工設(shè)計與設(shè)備優(yōu)選

鉆探施工設(shè)計與設(shè)備優(yōu)選是鉆探施工的基礎(chǔ)，要實現(xiàn)礦山水文地質(zhì)工程科學(xué)鉆探，首先必須要對鉆孔、鉆具、鉆孔間距等鉆探施工參數(shù)進行合理設(shè)計，對提高鉆探效率、減少鉆探施工事故率具有重要作用，所以鉆探施工設(shè)計和設(shè)備優(yōu)選是鉆探關(guān)鍵技術(shù)的首要內(nèi)容。

在對鉆探施工設(shè)計時必須要結(jié)合工程水文地質(zhì)資料，在保證鉆探施工條件合理的前提下，通過對鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆柱結(jié)構(gòu)、泥漿體系、鉆孔方法、鉆探設(shè)備優(yōu)選、鉆探參數(shù)設(shè)定等設(shè)計，實現(xiàn)對鉆探施工效率、施工質(zhì)量以及施工成本的有效控制[1]。工程的水文地質(zhì)因素對鉆探施工設(shè)計具有重要影響，具有影響因素如下圖1所示。

礦山地層結(jié)構(gòu)是鉆探施工設(shè)計的主要考慮因素，地層結(jié)構(gòu)因素可以為鉆探施工設(shè)計提供待鉆進區(qū)域的水文地質(zhì)巖性單元的構(gòu)造和分布特征[2]。由于工程的地層巖性特征會影響到鉆探施工的取心率和鉆孔作業(yè)，其中包括工程地層的巖石種類、巖石硬度、軸向壓力等，所以在鉆探施工設(shè)計中要綜合掌握工程地層結(jié)構(gòu)，為鉆孔設(shè)計和鉆孔操作提供指導(dǎo)依據(jù)。

圖1 鉆孔設(shè)計地質(zhì)因素

其次鉆探施工設(shè)計時要重點考慮工程水文地質(zhì)的巖石力學(xué)因素。鉆探施工過程中由于會對原有地下巖石結(jié)構(gòu)造成破壞，會產(chǎn)生人工應(yīng)力干預(yù)下的巖石力學(xué)特征，這種巖石力學(xué)特征會對鉆孔工藝產(chǎn)生影響，其巖石硬度和軸向應(yīng)力直接關(guān)系到鉆孔速度和質(zhì)量。

工程地下水構(gòu)造因素包括含水層、隔水層、頂板等，破碎性和溶解性的地下水構(gòu)造會影響到鉆孔穩(wěn)定性以及孔內(nèi)清潔度，所以在對鉆孔軌跡設(shè)計時要以其作為依據(jù)；含水層巖性特征包括巖床分布特征、巖層序列特征以及巖石裂隙特征等，這些特診主要關(guān)系到鉆孔深度設(shè)計以及鉆具的挑選；工程的巖石紋理、巖石種類、顆粒大小以及巖石密度等巖體構(gòu)造特征會影響到鉆速，在對鉆速施工參數(shù)設(shè)計是要重點以其為依據(jù)。礦山水文地質(zhì)工程鉆探施工中不涉及到礦物成分、地質(zhì)構(gòu)造以及地質(zhì)風(fēng)化等因素，所以在此不對其進行過多說明。在對鉆探施工設(shè)計要充分考慮到以上提出的水文地質(zhì)特征，以此保證施工設(shè)計的科學(xué)性和合理性。

鉆探設(shè)備選擇是否合理將直接關(guān)系到鉆探施工效率和質(zhì)量。鉆探設(shè)備主要是指鉆機，在對鉆探設(shè)備選擇時要結(jié)合鉆孔設(shè)計深度、鉆孔傾角以及工程的巖石條件等，其中孔深設(shè)計深度是鉆機選擇的主要依據(jù)，通常情況下鉆機的鉆孔能力要大于原本設(shè)計的孔深，當針對礦山水文地質(zhì)工程這種特殊鉆進條件時，要根據(jù)選擇系數(shù)對鉆機合理選擇，其選擇系數(shù)計算公式如下所示：

公式（1）中，L表示選擇系數(shù)；H為鉆探施工設(shè)計中孔深；N為鉆機能力。選擇系數(shù)取值0.5～1.2之間，當工程水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜時，選擇系數(shù)盡量大一些，取值應(yīng)接近1.2；當工程水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定時，選擇系數(shù)應(yīng)小一些。根據(jù)礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度來確定選擇系數(shù)，得出鉆機能力要求，以此作為依據(jù)選取合理的鉆機。

1.2 地層壓力預(yù)測技術(shù)

根據(jù)鉆探過程中會發(fā)生不同程度的事故，可以將礦山水文地質(zhì)分類，其分類圖如下圖所示。

圖2 礦山水文地質(zhì)分類

地層壓力變化會影響到孔內(nèi)情況復(fù)雜化，所以地層壓力預(yù)測技術(shù)是礦山水文地質(zhì)工程鉆探施工安全、高效完孔的關(guān)鍵技術(shù)，通過精準地預(yù)測礦山地層壓力有助于鉆探過程中保持孔內(nèi)壓力平衡。地層壓力預(yù)測方法有很多，其中包括儀器探測法、現(xiàn)場水壓探測法、超聲探測法以及密度調(diào)整法等，根據(jù)礦山水文地質(zhì)工程鉆探需求，采用密度調(diào)整法作為合適，該方式操作簡單、預(yù)測精準，具體預(yù)測過程如下：將泵以2L/s左右排量進行啟動，向鉆孔內(nèi)注入泥漿，在該過程中要記錄不同時間的孔內(nèi)壓力以及泵量，以此為依據(jù)計算出地層壓力，其計算公式如下所示：

公式（2）中，ρm為泥漿密度，單位為g/cm3；H為預(yù)測層孔深，單位為m；Pt為孔內(nèi)遺失壓力，單位為kPa。通過公式（2）計算出工程地層壓力。

1.3 孔內(nèi)事故預(yù)防與處理技術(shù)

由于鉆探過程中會對原本地質(zhì)結(jié)構(gòu)造成破壞，容易發(fā)生孔內(nèi)事故，所以孔內(nèi)事故預(yù)防與處理技術(shù)也是鉆探關(guān)鍵技術(shù)之一，在鉆探施工過程中通過采取合理預(yù)防措施，可以有效降低孔內(nèi)事故發(fā)生幾率，避免鉆孔報廢發(fā)生，從而減小鉆探施工經(jīng)濟損失。在以往鉆探施工經(jīng)驗中，卡鉆是發(fā)生幾率最高，處理難度做大的孔內(nèi)事故，該事故發(fā)生的原因主要是沉砂卡鉆、坍塌卡鉆、縮徑卡鉆等，對于該事故的預(yù)防及處理主要依據(jù)卡鉆位置，其計算公式如下：

公式（3）中，H為鉆柱最上一個卡點的深度；L為未被卡住部分連續(xù)上提時的平均伸長；P為鉆具未被卡部分連續(xù)上提的平均拉力；k為計算系數(shù)，k取值與繩索取心管的規(guī)格、材質(zhì)、力學(xué)性能息息相關(guān)，繩索取心管規(guī)格及其相應(yīng)的K值取值參見下表。

表1 繩索取心管規(guī)格及K值

以此事先計算出孔內(nèi)卡鉆事故將會發(fā)生的具體位置，進而采取相應(yīng)的處理措施。如果在鉆探過程中出現(xiàn)卡鉆事故，需要對司鉆規(guī)定的噸位范圍進行上提、下放、轉(zhuǎn)動活動鉆具等，設(shè)法建立循環(huán)，以此解決卡鉆問題，保證鉆探施工安全穩(wěn)定進行。

2 結(jié)語

此次針對礦山水文地質(zhì)工程鉆探施工需求，開展鉆探關(guān)鍵技術(shù)研究，充分結(jié)合了國內(nèi)外先進鉆探經(jīng)驗，從鉆探施工設(shè)計與設(shè)備優(yōu)選、地層壓力預(yù)測、泥漿技術(shù)、孔內(nèi)事故預(yù)防與處理技術(shù)等方面開展具體研究，此次研究成果對礦山水文地質(zhì)工程鉆探施工方面具有一定的指導(dǎo)作用。