淺談立軸繩索鉆機(jī)在復(fù)雜地層探礦鉆探中的應(yīng)用

張芳寅，楊軍彥，聞 義

（江西省地質(zhì)局第三地質(zhì)大隊(duì)，江西 九江 332000）

近年來(lái)，我國(guó)礦產(chǎn)行業(yè)經(jīng)濟(jì)形式復(fù)蘇，時(shí)代不斷進(jìn)步，人力資源相對(duì)緊缺的環(huán)境下，對(duì)探礦工程的要求也不斷提高。在探礦施工中立軸普通鉆探的缺點(diǎn)越凸明顯，在較復(fù)雜的巖層中巖芯采取率低、鉆進(jìn)進(jìn)尺慢、鉆工十分辛苦，已基本淘汰，只在路勘、房勘中繼續(xù)存在。即使現(xiàn)在有便攜式全液壓鉆機(jī)的更新使用，但它只在較完整的地層中施工效果確明顯，鉆機(jī)速度很快，卻在灰?guī)r溶洞區(qū)及其他復(fù)雜地層中使用，鉆孔報(bào)廢率很高，因?yàn)樗目趶郊皠?dòng)力都跟不上孔內(nèi)事故的處理要求。

在這種環(huán)境下立軸式繩索取芯鉆機(jī)就必不可少，取芯率高、動(dòng)力強(qiáng)、鉆進(jìn)深度大、施工技術(shù)簡(jiǎn)單等等。但在溶洞發(fā)育及復(fù)雜巖層中施工，沒(méi)有好的方法也會(huì)出現(xiàn)各種孔內(nèi)事故，導(dǎo)致施工速度慢，鉆探材料消耗大等增加施工成本。探礦工程為了在復(fù)雜巖層中提高效率，降低成本，我們就得研究更好的施工方法來(lái)適應(yīng)各種復(fù)雜的巖層。

1 復(fù)雜巖層的分類(lèi)

1.1 鹽類(lèi)地層

為水溶性地層，會(huì)造成鉆孔超徑、污染泥漿、孔壁掉塊及坍塌。

1.2 粘土、泥巖、頁(yè)巖地層

為水敏性地層，會(huì)導(dǎo)致膨脹縮徑、泥漿增稠、孔壁剝落等。

1.3 流砂、砂礫、松散破碎地層

包括松散孔隙性地層、風(fēng)化裂隙發(fā)育地層、未膠結(jié)的構(gòu)造破碎帶。極易發(fā)生漏水、涌水、涌砂、孔壁垮塌、鉆孔超徑等，給鉆探施工造成極大困難。

1.4 巖溶地層

溶隙、溶洞發(fā)育地層，比如石灰?guī)r、大理巖等地層，易發(fā)生漏水、涌水、坍塌等現(xiàn)象，給鉆探施工造成不可小覷的困難，有效的進(jìn)行護(hù)壁堵漏也是我們?cè)谑┕ぶ羞M(jìn)行研究的重要方面。

2 復(fù)雜巖層鉆探施工中的主要工藝方法

2.1 選擇合理的泥漿配方

在復(fù)雜巖層中進(jìn)行鉆探施工，在基本的操作規(guī)范施工外，一定要針對(duì)不同的巖層調(diào)配好相應(yīng)的泥漿，是安全鉆探中的必要措施。

破碎帶巖層處使用合理的泥漿配比可使巖芯更加完整，不易破損，如下圖1、圖2，為同等地層處一般泥漿配比和合理泥漿配比所取復(fù)雜巖層巖芯的效果。固體礦產(chǎn)勘查中復(fù)雜巖層泥漿一般分為三類(lèi)：①松散層泥漿，用于沙層、礫卵石層、破碎帶等機(jī)械性分散等地層泥漿；②水敏抑制性泥漿，用于土層、泥巖、頁(yè)巖等水敏性地層的泥漿；③水溶抑制性泥漿，用于巖鹽、鉀鹽、天然堿等水溶性地層的泥漿。

圖1 使用一般泥漿所取巖芯

圖2 使用合理泥漿所取巖芯

案例：青羊場(chǎng)銅礦詳查。地層為含泥紅砂巖，裂隙發(fā)育，上部風(fēng)化層厚，深部破碎強(qiáng)烈，在剛開(kāi)始的施工中由于泥漿配方的不合理，使得孔內(nèi)沉積大量泥沙，在孔深500多米時(shí)導(dǎo)致埋鉆，處理結(jié)果是丟失鉆桿400多米，沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)孔深的要求。后經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，根據(jù)巖層本身含有泥質(zhì)的特點(diǎn)，利用植物膠、聚丙烯胺、純堿、低熒光防塌劑制作配方。配方為一立方米的水加植物膠5Kg、聚丙烯胺2Kg、純堿1.5Kg、低熒光防塌劑3Kg進(jìn)行調(diào)配，泥漿比重1.1，粘度25s～30s，失水量10ml/30min,pH值8.5。并且在鉆進(jìn)中要及時(shí)清換泥漿池泥漿，保證泥漿的比例純度，最終高效的完成該礦區(qū)的鉆探施工。

合理的泥漿配置，是鉆探施工中重要的工藝方法，不僅能保持孔內(nèi)干凈，同時(shí)又可以進(jìn)行堵漏護(hù)壁，防止孔內(nèi)事故的發(fā)生，才能安全順利的完成鉆探施工。

2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在復(fù)雜地層中進(jìn)行鉆探施工，首先要設(shè)計(jì)合理的鉆孔結(jié)構(gòu)，針對(duì)地層的復(fù)雜程度及設(shè)計(jì)的鉆孔深度進(jìn)行合理且留有余地的孔徑變化設(shè)計(jì)。

一般采用多徑成孔。一般選擇較大口徑Ф127開(kāi)孔，穿過(guò)地表風(fēng)化層后直接下Ф127套管進(jìn)行護(hù)壁，防止坍塌導(dǎo)致埋鉆。然后換Ф110鉆具鉆進(jìn)，過(guò)了破碎段后下Ф110套管，換Ф91鉆具鉆進(jìn)，等巖層完整后可換Ф75鉆具一直到終孔。這樣可以對(duì)孔內(nèi)深部發(fā)生的漏水、破碎、易垮塌部位進(jìn)行及時(shí)有效的護(hù)壁處理，也可以在出現(xiàn)孔內(nèi)事故后方便處理事故。

2.3 水泥在復(fù)雜地層中的運(yùn)用

在一些特別復(fù)雜的地層中進(jìn)行鉆探施工，水泥的運(yùn)用有時(shí)是不可替代的，多用于碎石層、有溶洞地層，合理的使用可以進(jìn)行有效的防塌堵漏，防止孔內(nèi)事故的出現(xiàn)。

案例：廣令坡金礦詳查。該區(qū)地層為灰?guī)r，巖層中由于構(gòu)造帶極為發(fā)育，破碎強(qiáng)烈且膠結(jié)很差，充填大量砂層，施工段地表覆蓋幾十米厚的礦渣，施工鉆孔80%以上為75°斜孔，施工難度極大。特別是在碎石層上開(kāi)孔，套管都無(wú)法下到位，垮孔程度難以想象。只有利用快干水泥進(jìn)行封孔，再鉆進(jìn)，再封孔的辦法進(jìn)行施工。

2.4 鉆頭的使用技巧

在復(fù)雜巖層中鉆進(jìn)時(shí)，要根據(jù)巖層的軟硬變化及時(shí)更換相對(duì)應(yīng)硬度的鉆頭，才能有效的達(dá)到理想進(jìn)尺。一般遵循以柔克剛的原則，如果巖石為花崗巖、石英以及硅化較強(qiáng)的時(shí)候，鉆頭則選擇硬度在15°以下的金剛石；如果巖石為泥板巖、含泥砂巖等較軟地層時(shí)，鉆頭一般應(yīng)該選擇硬度在25°以上的金剛石；如果巖石為細(xì)?；◢弾r或石英巖時(shí)，鉆進(jìn)進(jìn)尺極慢且鉆探消耗大的情況下，可以在孔內(nèi)丟人石英小顆粒將鉆頭進(jìn)行有意的打磨，使得鉆探更加鋒利，可以提高鉆進(jìn)速度。

在松散的破碎地層中鉆進(jìn)時(shí)，在鉆頭的配置上可以讓鉆頭外徑大鉆具1mm～2mm，比如Ф75鉆具配Ф76鉆頭。這樣鉆桿和鉆具與孔壁之間有了一定的間隙，可以防止掉渣卡鉆，泥漿反渣效果更好，緩解泥漿泵壓力，從而防止了堵鉆事故的發(fā)生。

2.5 雙管鉆具的使用

針對(duì)云南芒市上芒崗金礦鉆進(jìn)中含礦層破碎，取芯要求高，采用∮110單管鉆進(jìn)時(shí)巖心采取率，孔內(nèi)事故頻發(fā)的現(xiàn)象，探索研究出一套可成功將∮110和∮95雙管鉆進(jìn)與繩索取芯鉆進(jìn)完美結(jié)合的鉆探施工工藝(見(jiàn)圖3雙管鉆具簡(jiǎn)易剖面示意圖），較好地解決了破碎含礦地層的鉆進(jìn)施工難題，保證了含礦地層的取芯率。

圖3 雙管鉆具簡(jiǎn)易剖面示意圖

2.5.1 雙管鉆具的配制

（1）組合雙管變徑短接手，在加工時(shí)保證內(nèi)孔和外絲較高的同心度。

（2）內(nèi)孔與鉆桿外徑有較小的間隙配合，使復(fù)合雙管變徑短接手與鉆桿焊接不產(chǎn)生變形和扭曲，保證∮110單管鉆具和HQ95繩索取芯鉆具的同心度。

（3）焊接部位牢固。在現(xiàn)場(chǎng)要求具有較好焊接水平的人員進(jìn)行焊接，焊接時(shí)應(yīng)做好各部位的冷卻處理工作，保證各部件不因焊接高溫產(chǎn)生脆變，影響使用效果或產(chǎn)生脫焊，扭斷等事故發(fā)生。

（4）∮110單管鉆頭與HQ95繩索取芯鉆頭配合距離間隙不易過(guò)大或過(guò)小，一般控制在9mm～10mm，這樣能保證鉆井過(guò)程中邊打過(guò)擴(kuò)，鉆孔和擴(kuò)孔同時(shí)進(jìn)行有利于保證鉆孔的同心度，又利于鉆頭的冷卻和排除巖屑。

（5）∮110單管鉆頭具有鉆孔和擴(kuò)孔作用，但主要作用是擴(kuò)孔，所以∮110單管鉆頭選用胎體硬度35～40目，金剛石濃度65%～80%?！?10單管鉆具外管選用厚壁鋼管，保證其材質(zhì)的剛度。

（6）設(shè)計(jì)加工復(fù)合雙管鉆具務(wù)必保持精準(zhǔn)的同心度，保證主動(dòng)鉆桿、HQ95繩索鉆桿、復(fù)合雙管鉆具三者在一條軸心線上。

2.5.2 雙管鉆具鉆進(jìn)技術(shù)

（1）上部覆蓋層和不穩(wěn)定地層，∮127開(kāi)孔，采用干鉆或控制泵量保濕狀態(tài)鉆進(jìn)，保證巖心采取率85%以上。

（2）安裝好第一級(jí)∮127套管后，做好孔口封閉工作，然后直接采用∮110-HQ95組合繩索鉆具鉆進(jìn)，要求開(kāi)孔時(shí)一律采用全新∮110鉆頭和∮95鉆頭和擴(kuò)孔器，避免后期更換鉆頭掃孔現(xiàn)象，鉆具入孔前應(yīng)認(rèn)真仔細(xì)檢查各部件的連接、鉆桿和內(nèi)管彎曲和磨損量、鉆頭間隙及牢固程度。

（3）復(fù)合繩索鉆具入孔前，應(yīng)培制好鉆孔沖洗液，首先進(jìn)行鉆孔沖冼，待孔內(nèi)干凈后再觸底輕掃，不可一桿到底加壓鉆進(jìn)，避免鉆頭損壞。

（4）掃孔接觸新層面后，開(kāi)始應(yīng)輕壓慢速鉆進(jìn)，保證鉆孔的方位和頂角不偏斜。

（5）隨著鉆孔深度不斷增加，可適當(dāng)調(diào)整鉆進(jìn)壓力和鉆進(jìn)速度，考慮該礦區(qū)淺部地層較破碎，沖洗液漏失嚴(yán)重，故建議鉆進(jìn)速度不宜過(guò)高。

（6）鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)隨時(shí)觀察鉆進(jìn)進(jìn)尺變化，熟悉掌握各巖層分布規(guī)律，把控好巖心采取率，當(dāng)鉆進(jìn)速度過(guò)快時(shí)應(yīng)立即提內(nèi)管取心觀察，若巖心采取率偏低，應(yīng)減少泵量，縮短鉆進(jìn)進(jìn)尺，避免盲目快速而漏失地層。當(dāng)鉆進(jìn)緩慢或不進(jìn)尺時(shí)也應(yīng)立即提內(nèi)管取心觀察，分析清楚原因后再下鉆施工，避免巖心堵塞而造成巖心磨損，禁止鉆進(jìn)緩慢時(shí)上下?lián)v桿行為。

（7）當(dāng)鉆進(jìn)至穩(wěn)定地層后，安裝∮108套管，做好孔口和孔底的封閉工作，改用HQ95繩索鉆具鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過(guò)程盡量保證三級(jí)口徑終孔。

2.5.3 組合雙管繩索鉆具優(yōu)點(diǎn)

（1）組合雙管變徑短接手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，投入成本低，整體重量輕，便以安裝與拆解。

（2）組合雙管繩索鉆具使用優(yōu)化了施工程序，減少了起下套管次數(shù)，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

（3）復(fù)合雙管繩索鉆具具有一定剛度，鉆孔不易偏斜。也避免了鉆孔換徑后擴(kuò)孔不使用導(dǎo)正的鉆具或?qū)д@具擴(kuò)孔都容易造成的第二次偏斜，保障了鉆孔的成功率。

（4）組合雙管繩索鉆具使用增大了鉆孔與鉆桿之間環(huán)狀間隙，減少了鉆進(jìn)時(shí)對(duì)孔壁的破壞，同時(shí)有利于沖洗液流動(dòng)，排除巖粉巖渣干凈，從而減少了掉塊卡鉆，鉆孔坍塌、埋鉆事故。

（5）組合雙管繩索鉆具使用提高了鉆進(jìn)效益，鉆機(jī)臺(tái)效明顯提高，降低了材料成本，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)效益和地質(zhì)效益。

（6）組合雙管繩索鉆具使用提高了巖心采取率，達(dá)到并滿足地質(zhì)技術(shù)要求。由于巖心采取率高，找礦成果質(zhì)量高，產(chǎn)生了良好的社會(huì)效益。

3 結(jié)語(yǔ)

目前大部分探礦鉆探施工都用繩索取芯鉆機(jī)，如XY-2、XY-4、XY-5等立軸式鉆機(jī)設(shè)備以及便攜式全液壓繩索取芯鉆探設(shè)備等。在此只是通過(guò)在多個(gè)礦山的施工過(guò)程遇到復(fù)雜的地層，給我們施工造成的困難，淺談了自己的一些經(jīng)驗(yàn)。由于在這些復(fù)雜的地層中，繩索取芯鉆機(jī)施工還是有一定相應(yīng)的弊端，所以我們應(yīng)盡可能的運(yùn)用其它相關(guān)輔助材料及科學(xué)的施工方法來(lái)配合施工，才能有效的達(dá)到地質(zhì)目的并降低施工成本。

組合雙管繩索鉆具的改良，讓項(xiàng)目部走出施工復(fù)雜地層的陰影，培養(yǎng)增強(qiáng)施工工人和技術(shù)人員的信心，樹(shù)立科學(xué)鉆探理念，探索日益成熟的鉆探工藝，贏得探礦工程的市場(chǎng)奠定了基礎(chǔ)。

隨著鉆探設(shè)備及施工技術(shù)的逐步發(fā)展，面對(duì)復(fù)雜的巖層及孔內(nèi)情況的多變性，單靠現(xiàn)有的鉆探設(shè)備和以往的工作經(jīng)驗(yàn)是無(wú)法滿足未來(lái)探礦行業(yè)的需求，因此，必須在全面了解地質(zhì)環(huán)境的基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的鉆探設(shè)備和技術(shù)才能更好的實(shí)現(xiàn)探礦目的和經(jīng)濟(jì)效益。