三層管鉆具在松散破碎巖層礦區(qū)繩索取心中的應(yīng)用

余 光，趙艷林，張江平

(西南有色昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)(院)股份有限公司，云南 昆明 650214)

緬甸聯(lián)邦共和國某銅礦為露天開采礦山，其工業(yè)銅礦體規(guī)模大，我們西南有色昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)(院)股份有限公司，承擔(dān)了該銅礦山的生產(chǎn)勘探任務(wù)。面對(duì)礦山礦體形態(tài)、產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)、厚度、品位等變化較大，以及礦區(qū)巖層極為破碎的實(shí)際，鉆探施工主要全程運(yùn)用了三層管金剛石鉆探取芯技術(shù)，極大提高了巖心采取率的同時(shí)有效提高了工作效率。為整個(gè)生產(chǎn)勘探任務(wù)的完成打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)

1 礦區(qū)地質(zhì)慨況

1.1 礦區(qū)地層

礦區(qū)出露地層總體較簡單，主要為古近系漸新統(tǒng)達(dá)馬帕拉組(E3d)砂巖、石英砂巖；中新統(tǒng)-上新統(tǒng)(N1-2m)馬吉崗組火山碎屑巖、砂巖；第四系更新統(tǒng)坎崗組Qpk)粉砂巖、泥質(zhì)砂巖、第四系全新統(tǒng)(Qh)殘坡積層、沖洪積層。

礦區(qū)巖漿巖為中新世侵入巖，礦體賦存于安山斑巖體上部0-200m范圍，巖石遭受風(fēng)化淋濾，巖石銅礦化，硅化、赤鐵礦化作用強(qiáng)烈，表現(xiàn)為巖石堅(jiān)硬、性脆，加之礦區(qū)節(jié)理裂隙極為發(fā)育，整個(gè)礦區(qū)(照片1)巖層極為破碎，巖塊完整程度低。下部賦礦斑巖由于泥化、絹云母化、硅化等蝕變作用強(qiáng)烈且蝕變帶不穩(wěn)定，巖性差異明顯，且節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石完整程度更低。

1.2 礦區(qū)巖石工程地質(zhì)特性

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)野外調(diào)查整理、分析礦區(qū)的主要結(jié)構(gòu)面有斷層(Ⅱ級(jí))、風(fēng)化界面(Ⅲ級(jí))、節(jié)理裂隙(Ⅳ級(jí))三種，其特征如下

(1)斷裂-斷層(Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面)：礦區(qū)的Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面主要為北東向斷裂：F1斷層及西側(cè)破碎帶；斷層破碎帶特征明顯，采坑邊坡及鉆孔均有揭露，呈含粘土碎石土狀，較為破碎，蝕變現(xiàn)象較為強(qiáng)烈，遇水極易軟化，暴露后易風(fēng)化，對(duì)巖體穩(wěn)定性影響較大(照片2)。

(2)風(fēng)化界面(Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面)：通過調(diào)查及鉆孔揭露，礦區(qū)內(nèi)基巖風(fēng)化程度主要以強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化為主，地表分布多為強(qiáng)風(fēng)化。強(qiáng)風(fēng)化界面埋深約11.94m～218.24m，厚約10.25m～149.54m，平均51.27m。由于差異風(fēng)化，局部厚度變厚，風(fēng)化界面呈不規(guī)則起伏，且呈漸變過渡，并無統(tǒng)一、規(guī)則的結(jié)構(gòu)面存在(照片3)。因此就風(fēng)化界面來看，其對(duì)礦山邊坡穩(wěn)定性影響程度有限。

照片1 礦區(qū)現(xiàn)狀及鉆探施工照片

照片2 KDDE06揭露的構(gòu)造角礫巖Photo 2.Structure Breccia Achieved by KDDE06

照片3 KDDL03揭露的強(qiáng)風(fēng)化斑巖Photo 3.Intense weathering Porphyry Achieved by KDDL03

(3)節(jié)理裂隙(Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面)：該區(qū)巖體節(jié)理裂隙普遍較為發(fā)育，地表上部以垂直裂隙為主，局部較為密集，相互穿插，呈網(wǎng)脈狀。對(duì)巖體穩(wěn)定存在影響，破壞了巖體的完整性(照片4)，根據(jù)野外調(diào)查主要結(jié)構(gòu)分布方向，礦區(qū)內(nèi)節(jié)理裂隙主要以北東及北西向發(fā)育為主，根據(jù)野外調(diào)查對(duì)礦區(qū)277條節(jié)理裂隙進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其分布情況見節(jié)理裂隙散點(diǎn)分布圖(圖1)及礦區(qū)節(jié)理裂隙傾向等密度圖(圖2)。

從圖1、圖2可以看出，礦區(qū)發(fā)育的節(jié)理裂隙優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面主要有兩組：一組產(chǎn)狀為 145°∠75°、另一組產(chǎn)狀為317°∠80°；但因其接近地表部分多充填褐鐵礦，下部則多充填黃鐵礦，閉合性較好，主要影響是切割巖體呈塊狀、碎塊狀，降低巖體強(qiáng)度和破壞巖體完整性。

總體上看，礦區(qū)巖石堅(jiān)硬、性脆，構(gòu)造發(fā)育。這很大程度上影響到了鉆探施工過程中的巖石采芯質(zhì)量，對(duì)鉆探技術(shù)及工藝的選擇是一大挑戰(zhàn)。

照片4 采坑邊坡出露基巖節(jié)理裂隙發(fā)

圖1 節(jié)理裂隙散點(diǎn)分布圖Fig 1.Disperse Joint Fissure Distribution

圖2 節(jié)理裂隙傾向等密度圖Fig 2.Isodensity of Joint Fissure Dip

2 鉆探設(shè)備選擇

結(jié)合該礦區(qū)道路交通情況，比對(duì)了國內(nèi)鉆探設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益，最終選用了北京天和眾邦勘探技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的CSD1300G和CSD500L型鉆機(jī)各一臺(tái)開展本次勘探工作。兩臺(tái)設(shè)備的主要參數(shù)見表1。

表1 鉆探設(shè)備主要參數(shù)

3 三層管鉆具

為減少巖心在施工過程中的漏失量，最大程度保證樣品品位的真實(shí)性，本次勘查工程采用三層管繩索取心工藝。三層管鉆具選用金石鉆探(唐山)股份有限公司(原唐山市金石超硬材料有限公司)生產(chǎn)的JSC型繩索取心三層管鉆具。繩索取心三層管鉆具與普通繩索取心鉆具相比，大體結(jié)構(gòu)相似，在普通繩索取心鉆具內(nèi)管的基礎(chǔ)上增加了一套半合管。帶半合管的內(nèi)管結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3中A14所示部件即為半合管，半合管與內(nèi)管由A13部件連接，為塞入式銅制柱狀結(jié)構(gòu)，無螺紋連接，取巖心僅需將半合管掰開即可，操作方便實(shí)用。鉆具結(jié)構(gòu)突出的特點(diǎn)如下。

(1)三層滑動(dòng)機(jī)構(gòu)：由于礦區(qū)整體巖性破碎，怕振動(dòng)，易受到機(jī)械磨損，必須保證鉆具的單動(dòng)性能。傳統(tǒng)的鉆具主要是雙動(dòng)雙管結(jié)構(gòu)，使鉆具內(nèi)管與外觀相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而減少鉆具對(duì)巖心的機(jī)械磨損。這種鉆具的單動(dòng)性能用在完整地層時(shí)比較可靠，但在破碎地層鉆進(jìn)時(shí)往往容易因巖心碎粒的塞入，失去保護(hù)效果。為此，在原雙動(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，除外觀與內(nèi)管相互運(yùn)動(dòng)外，又增加了一層單動(dòng)層，與原來的雙動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成了三層滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，強(qiáng)化了鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)巖心的保護(hù)。

(2)隔水防沖刷結(jié)構(gòu)：為了保證內(nèi)管不回轉(zhuǎn)，卡簧座與鉆頭之問必須留有間隙，但由于間隙的存在，沖洗液會(huì)沖刷巖心。為此，一方面采用階梯鉆頭和側(cè)噴水眼結(jié)構(gòu)；另一方面在卡簧座外側(cè)，增加了4～5道環(huán)形槽。階梯鉆頭內(nèi)環(huán)相當(dāng)于超前鉆頭，從而罩住松散的巖樣，使側(cè)噴水眼不能沖刷巖心根部，同時(shí)不容易被封堵，保持沖洗液循環(huán)暢通。卡簧座上的幾道環(huán)形槽，經(jīng)過兒道減壓后，進(jìn)入內(nèi)管的沖洗液的力很小，只起到潤滑防卡的作用。

圖3 三層管鉆具內(nèi)管結(jié)構(gòu)圖

4 鉆進(jìn)工藝

本次生產(chǎn)勘探施工鉆孔終孔孔徑大部分為HQ孔徑，僅少量孔深超過400m、施工難度較大的采用NQ孔徑終孔。

上部淋濾帽段采用PQ三重管鉆具鉆進(jìn)，鉆進(jìn)到砂巖、粉砂巖地層采用HQ三重管鉆具鉆進(jìn)，根據(jù)鉆孔見礦情況及孔深，再?zèng)Q定是HQ或是NQ孔徑終孔。

上部淋濾帽段采用植物膠+聚丙烯酰胺+鈉土粉的混合泥漿，主要加強(qiáng)排粉及護(hù)壁，以鉆孔失水和巖心為依據(jù)觀察地層變化。鉆進(jìn)到砂巖、粉砂巖地層后提鉆，下入套管換HQ三重管鉆具繼續(xù)鉆進(jìn)。

砂巖、粉砂巖段采用植物膠加少量鈉土粉的混合泥漿鉆進(jìn)，主要是加強(qiáng)排粉。在不頻繁升降鉆具的前提下對(duì)孔壁破壞較小，鉆進(jìn)都比較順利。

在鉆進(jìn)過程中，內(nèi)管下節(jié)在鉆進(jìn)取心時(shí)是從動(dòng)保護(hù)半合管，在巖心提取時(shí)，內(nèi)管下節(jié)和爪簧座總成是在自重力作用下通過回轉(zhuǎn)器的軸向滑移作用下滑，包裹住半合管、卡簧座及巖心，此時(shí)爪簧座總成的爪簧片收攏，從而在巖心提取時(shí)對(duì)巖心形成二次保護(hù)，提高巖心的采取率。

在回次工作結(jié)束后，通過繩索取心將內(nèi)管打撈出地面，拆卸下卡簧座、內(nèi)管下節(jié)及內(nèi)管上節(jié)，用人工推力將半合管從內(nèi)管中滑移出來，將半合管的其中一半剝離，即可按鉆進(jìn)方向?qū)r心按順序裝箱保存(照片5)。

照片5 相同礦區(qū)三層管繩索取心工藝施工巖心

從照片5上可以明顯看出三層管所取巖心對(duì)地層節(jié)理、裂隙反應(yīng)清楚、明晰，巖心碎塊、碎屑等也都基本保持原狀，減少了對(duì)地層的機(jī)械破壞，對(duì)巖心的保護(hù)也更完整，更直觀的反應(yīng)了地層情況。

5 孔內(nèi)事故處理

在淋濾帽與砂巖的接觸部位，因鉆孔突然失水，少量鉆孔造成燒鉆，事故位置最深約為160米。因鉆機(jī)的限制，對(duì)此類事故都采用切割的方式進(jìn)行處理。在事故鉆具內(nèi)部下入HQ鉆具帶割刀進(jìn)入事故鉆具鉆頭上方，以水力驅(qū)動(dòng)割刀將事故鉆頭鋸斷，再根據(jù)鉆孔實(shí)際情況選擇選用NQ鉆具繼續(xù)鉆進(jìn)或是PQ鉆具消滅事故鉆頭后繼續(xù)鉆進(jìn)。此種處理方法效果較好，僅有1個(gè)鉆孔因事故處理不當(dāng)挪孔重打。

6 成果介紹

本次鉆探工程共施工鉆孔106個(gè)，有效進(jìn)尺30605.41m，鉆孔傾角為-65°～-90°。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，各鉆孔巖芯采取率為84.2%～100%，圍巖平均采取率98.46%，礦芯采取率99.26%，總采取率98.86%(僅有極個(gè)別回次遇破碎或鉆具故障采取率略低)，采取率較高，滿足合同規(guī)定礦層采取率不低于80%的要求，滿足國內(nèi)規(guī)范規(guī)定全孔采取率不低于65%，礦層采取率不低于75%的要求。經(jīng)岱海湖泊取樣應(yīng)用證明，三層管壓卡取樣鉆具能夠滿足環(huán)境科學(xué)鉆探高質(zhì)量取心的要求，取心率達(dá)到100%，樣品無污染、受擾動(dòng)性小，保持地層原始層狀。而且，同傳統(tǒng)繩索取心相比，三層管鉆具具有以下特點(diǎn)：

(1)單動(dòng)性能靈活活，對(duì)樣品損耗?。?/p>

(2)消除干鉆取心對(duì)樣品的擠壓破壞，取樣質(zhì)量好；

(3)巖心爪可有效保護(hù)巖心，防止脫落丟心，保證樣品的連續(xù)性；

(4)操作簡單，拆卸安裝方便；

(5)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，取樣效果可靠。