試析深部找礦鉆探施工技術(shù)要點(diǎn)

宋彬?yàn)I

（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第七地質(zhì)大隊(duì)，山東 臨沂 276002）

深部鉆探施工不僅對(duì)施工技術(shù)有較高要求，而且對(duì)設(shè)備能力、工藝水平以及技術(shù)要點(diǎn)等方面也有很高的要求。因此，合理的施工技術(shù)以及儲(chǔ)備處理事故的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)對(duì)于鉆探施工至關(guān)重要[1，2]。

1 鉆探施工技術(shù)發(fā)展概述

鉆探技術(shù)作為地下資源勘探和開采的技術(shù)手段，在古埃及和歐洲早有應(yīng)用。至今在埃及尼羅河谷地還保留下來許多古人鉆成的水井，有的至今仍在為沙漠中的人們提供水源。歐洲有記載的第一口水井是1126年在法國(guó)南部鉆成的，從此誕生了一個(gè)現(xiàn)代名詞“自噴井”。1818年法國(guó)農(nóng)業(yè)部創(chuàng)立了鉆探基金，1830年巴黎鉆探技師杰古謝在圖爾地區(qū)鉆成了第一口120m深的自噴井。到1839年后開始用套管加固孔壁，從而進(jìn)一步加深了鉆孔深度。1855年在巴黎鉆成528m深的水井，日產(chǎn)水量1.5萬m3。其他國(guó)家也在工業(yè)化之前開始了地下水的鉆探工作。俄羅斯還通過改善水井鉆探工藝并用于其他工程目的——開采巖鹽礦床。俄羅斯人于17世紀(jì)完成了第一部關(guān)于勘探與開采巖鹽的鉆探工藝手稿，詳細(xì)的描述了所用鉆探工具、設(shè)備和工藝。該手稿中首次出現(xiàn)了起源于俄羅斯的128個(gè)鉆探專用術(shù)語，表明當(dāng)時(shí)其鉆探技術(shù)達(dá)到了相當(dāng)高的水平。1859年美國(guó)的塞尼加石油公司用機(jī)械鉆探方法打成了第一口石油開發(fā)井，位于賓夕法尼亞州泰特斯沃爾鎮(zhèn)（鉆孔深約21m，每日產(chǎn)油4.8t）。

直到上世紀(jì)50年代，由于鉆探技術(shù)在開發(fā)地下礦產(chǎn)資源方面的不可或缺性，同時(shí)對(duì)礦產(chǎn)資源的需求日益增大，西方發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)，從二戰(zhàn)的陰霆中復(fù)蘇并強(qiáng)勢(shì)崛起，并開始進(jìn)行深部地質(zhì)勘探計(jì)劃。深部地質(zhì)勘探對(duì)于研發(fā)鉆探機(jī)具、配置鉆探裝備以及研究鉆進(jìn)工藝等多方面有了更高的新要求?，F(xiàn)階段發(fā)達(dá)國(guó)家通過多年對(duì)鉆探技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)研究以及突破，己經(jīng)研制出一套完備的技術(shù)手段與裝備體系，不管是鉆探工藝或泥漿技術(shù)，還是鉆探設(shè)備以及鉆探工具應(yīng)用等方面均日趨完善。

2 深部找礦鉆探施工技術(shù)要點(diǎn)

2.1 深部用水泥漿技術(shù)要點(diǎn)

水泥漿流變性：良好的流變性是設(shè)計(jì)水泥漿配方要考慮的主要問題，同時(shí)也是灌注水泥漿進(jìn)行固孔、堵漏的前提，尤其是在深部堵漏施工中，要求灌注的水泥漿在可泵期內(nèi)具有良好的流動(dòng)性。常用的硅酸鹽水泥，主要成分是硅酸鹽化合物，包括硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣，與水混合后發(fā)生強(qiáng)烈水化作用，粘度逐步增加，流動(dòng)性逐漸變差，隨時(shí)間發(fā)展水泥漿逐漸開始喪失流動(dòng)性，最終凝固成為整體。

影響水泥漿的流變特性因素主要有溫度、水灰比以及各類添加劑，準(zhǔn)確把握個(gè)因素對(duì)水泥漿流動(dòng)性影響對(duì)于水泥漿的設(shè)計(jì)具有重要意義。

2.2 影響水泥漿的流變特性因素

2.2.1 溫度對(duì)水泥漿流變特性影響

水泥漿在不同溫度條件下流變性變化差異較大，同時(shí)溫度也會(huì)對(duì)固結(jié)速率產(chǎn)生一定影響，主要表現(xiàn)在水泥漿的流行指數(shù)n以及稠度系數(shù)K值，在一定的溫度范圍內(nèi)，溫度的升高會(huì)導(dǎo)致流性指數(shù)n逐漸增大，并使稠度系數(shù)K逐漸減小，流變特性曲線如圖1所示。由圖可以看出50℃以下流性指數(shù)n以及稠度系數(shù)K變化幅度??；溫度高于50℃時(shí)，水泥漿內(nèi)部水化速度變快，水泥漿體系具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)能力，因此流變參數(shù)變化幅度較大，導(dǎo)致流變性急劇下降。

2.2.2 水灰比對(duì)水泥漿流變特性影響

水泥漿的水灰比的不同主要決定體系中各組分離子的濃度、密度的不同，從而影響水泥漿水化作用，導(dǎo)致水泥漿流動(dòng)性與固結(jié)速率的變化，水灰比對(duì)水泥漿流變特性影響曲線如圖2所示。水灰比的增大，會(huì)使水泥漿在一定時(shí)間內(nèi)具有較好的流動(dòng)性，改善水泥漿的可泵性。但水灰比的增大還會(huì)使水泥漿的凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)。特別對(duì)于深部施工，事故孔段位置較深時(shí)，候凝時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)嚴(yán)重影響鉆進(jìn)效率。因此在保證水泥漿具有良好流動(dòng)性的同時(shí)，盡量控制水灰比在合理的范圍內(nèi)。

圖2 水灰比對(duì)水泥漿流變特性影響曲線

2.2.3 添加劑對(duì)水泥漿流變特性影響

為加速水泥漿的凝固，縮短候凝時(shí)間，提高鉆探施工效率，在配置固孔、堵漏水泥漿時(shí)加入一定量的速凝劑，速凝劑的加入會(huì)影響水泥漿內(nèi)各組分間的反應(yīng)。其中以CaCl2作為速凝劑配置水泥漿，在形成新的水泥孰料礦物后，能夠增加水化作用生成物的溶解度，同時(shí)使水泥水化速度以及硬化速度得到提高。水泥漿體系中生成的AICI3.nH2O，會(huì)減少自由水的存在，并使水分子更多的以化學(xué)結(jié)合水形式存在，從而保證水泥具有良好的不透水性、早期強(qiáng)度以及密實(shí)度。

2.2.4 水泥漿固結(jié)時(shí)間與后期強(qiáng)度

固孔、堵漏處理使用的速凝水泥漿應(yīng)具有初始流動(dòng)性好、初終凝時(shí)間間隔短以及安全施工等特點(diǎn)。水泥漿的可泵期以及凝結(jié)時(shí)間需依據(jù)事故孔段深度、灌注方法等情況進(jìn)行合理選擇，以滿足施工要求，并提高事故處理效率。

對(duì)于水泥漿固結(jié)后強(qiáng)度要求，隨著水泥漿固結(jié)反應(yīng)的發(fā)生，至水泥漿達(dá)到終凝失去塑性，此時(shí)水泥具有的早期強(qiáng)度不足以滿足固孔要求，一般需再進(jìn)行養(yǎng)護(hù)20～24小時(shí)，使水泥獲得足夠強(qiáng)度方能進(jìn)行透孔施工。另外為避免水泥強(qiáng)度過高導(dǎo)致透孔過程中發(fā)生孔斜事故，應(yīng)在適當(dāng)抗壓強(qiáng)度范圍內(nèi)以及水泥早期強(qiáng)度增長(zhǎng)過程中鉆取水泥塞。

3 固孔、堵漏水泥漿技術(shù)要點(diǎn)

固孔、堵漏時(shí)應(yīng)根據(jù)具體事故情況，配置滿足處理要求、性能良好的水泥漿。深部灌注使用的水泥漿應(yīng)保證初始狀態(tài)流動(dòng)性能良好，初凝與終凝時(shí)間間隔較短，強(qiáng)度符合要求。

針對(duì)礦區(qū)破碎坍塌孔段的漏失及地層情況，對(duì)水泥漿的配方進(jìn)行試驗(yàn)研究，水泥漿主要采用CaCl2作為速凝劑，試驗(yàn)用水泥為800型超細(xì)硅酸鹽水泥，灌注方法利用鉆桿通過泵送方法進(jìn)行注漿。根據(jù)深部固孔堵漏水泥漿的流變特性、孔內(nèi)溫度情況以及后期強(qiáng)度要求，通過試驗(yàn)對(duì)不同水灰比以及添加劑加量情況下，水泥漿的可泵時(shí)間、初凝時(shí)間、終凝時(shí)間與后期強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行分析，選擇性能良好的水泥漿配方用于施工處理。

4 注漿施工技術(shù)要點(diǎn)

（1）應(yīng)仔細(xì)查看孔內(nèi)提取巖心，分析巖石破碎程度，即破碎地層孔隙以及裂隙大小等，計(jì)算事故孔段的深度以及漏失坍塌地層厚度。

（2）為防止孔內(nèi)原有沖洗液中化學(xué)材料對(duì)速凝水泥漿的性能造成影響，以及保證事故段孔內(nèi)清潔，需反復(fù)掃孔，用清水換漿1～2小時(shí)，替換孔內(nèi)原有沖洗液。

（3）對(duì)灌漿設(shè)備進(jìn)行仔細(xì)檢查，確保其完整性與安全性。

（4）嚴(yán)格按照配比配置水泥漿，并用過濾網(wǎng)，去除大顆粒物塊，預(yù)制好的水泥漿需要不停攪拌，避免水泥凝固。

（5）使用清水替漿后，盡量在不停泵的狀態(tài)下，直接將水泥漿泵送至孔內(nèi)。灌注結(jié)束后，將預(yù)先計(jì)算好的替漿水壓入孔內(nèi)，停泵后，卸開連接鉆桿，使鉆桿內(nèi)外壓差保持平衡，保證水泥漿順利壓入事故段。最后緩慢提升鉆桿，防止抽吸作用的發(fā)生。

（6）灌注后，每隔一定時(shí)間測(cè)定漿面位置，預(yù)防水泥漿滲入裂隙大量流失。針對(duì)大裂隙地層，配置水泥漿時(shí)可加入適量細(xì)粒材料，會(huì)取得更好的封堵效果。

5 結(jié)語

目前來說，正在開采的礦山的礦產(chǎn)資源已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到工業(yè)和生活的需求量了，迫使礦山開采公司不得不去勘測(cè)和尋找出更多的礦產(chǎn)資源的礦山。開采公司要不斷地去改革、創(chuàng)新勘測(cè)和找礦技術(shù)，從而幫助開采公司可更為有效的勘測(cè)和開采礦產(chǎn)資源，推動(dòng)礦業(yè)公司可以更好的發(fā)展。