工程地質(zhì)鉆探中對(duì)復(fù)雜地層的合理施工方法分析

羅文浩

（安徽省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)，安徽 淮南 232000）

0 引言

機(jī)械中心鉆探是地質(zhì)找礦工程中獲取地下礦場(chǎng)資源真實(shí)數(shù)據(jù)信息資料最為直觀的手段和途徑，也是目前在我國的找礦工程中極為普遍的一種找礦方式。2015 年，有工程隊(duì)伍承接了多金屬礦對(duì)接區(qū)補(bǔ)充勘察項(xiàng)目鉆探施工工程，該工程所在區(qū)域的地質(zhì)條件極為特殊，屬于典型的巖溶發(fā)育地層，特別是在地下700～800m 的深層地層中，巖溶發(fā)育程度更高，最高的巖洞高達(dá)12m，鉆孔過程中極容易發(fā)生坍塌等多種風(fēng)險(xiǎn)事故，其支護(hù)施工難度也相對(duì)較大。此次施工過程中設(shè)計(jì)的鉆孔方式為斜孔，斜孔鉆孔的大角度達(dá)到60 多度，在施工過程中對(duì)于工藝設(shè)備、施工人員的專業(yè)素質(zhì)要求極為嚴(yán)格。因此，為了確保本次施工工程的順利開展，必須要提前對(duì)該區(qū)域的復(fù)雜地層進(jìn)行全面了解，才能在符合復(fù)雜地層要求的條件下找到更加科學(xué)合理的鉆探施工技術(shù)和方法。

1 施工礦區(qū)復(fù)雜地層的概況

1.1 地形地貌特征

以某金屬礦山為例，該金屬礦山所在區(qū)域?qū)儆诘湫偷那鹆旰I地形，而地形的主要構(gòu)造為巖溶地質(zhì)，整個(gè)山林由東北方向向西南方向延伸，而地下礦藏資源的整體構(gòu)造與山林的延伸方向保持一致。在施工所在區(qū)域內(nèi)部，整體的地勢(shì)為西高東低、南高北低，西部、南部為低山河谷區(qū)域，北部和東部為典型的丘陵湖泊區(qū)域。而施工所在區(qū)域的山體走勢(shì)呈東南走向，最高區(qū)域海拔高達(dá)138.2m。

1.2 地質(zhì)特征

（1）地層特征。本次施工所在區(qū)域的地層由南向北、由下而上，依次為滯留系中統(tǒng)羅惹坪組、上統(tǒng)紗帽組、泥盆系上統(tǒng)五通組、石灰系中統(tǒng)黃龍組、二疊系下統(tǒng)梁山組、棲霞組、茅口組、上統(tǒng)龍?zhí)督M、長興組、三疊系下統(tǒng)大冶組、中統(tǒng)嘉陵江組，其中，第四系區(qū)域下廣泛的分布著湖泊區(qū)域。在滯留系中統(tǒng)羅惹坪組高中，整體構(gòu)造主要為海相砂頁巖類復(fù)理石建造，整體厚度超過了300m。而在二疊系地層中，主要的構(gòu)造為碳酸鹽以及海陸交互相含的酶建造層，整體厚度大約為707m。三疊系為碳酸鹽以及濱海頁巖構(gòu)造，厚度超過了700m。而礦區(qū)的滯留關(guān)系到三疊系之間整體的受力并不均勻，不僅會(huì)受到來自鍛煉方向外部作用力的影響，同時(shí)，還會(huì)由于褶皺影響出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的問題。

（2）地質(zhì)構(gòu)造。首先，該礦場(chǎng)開采區(qū)域的褶皺，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造主要呈現(xiàn)出由東北和西南兩個(gè)方向向斜的特征。其中，該區(qū)域東北方向的向軸線呈現(xiàn)出東北45°傾斜，傾斜角度在30°左右。而西北方向的向軸線為西北330°傾斜，并且向斜區(qū)域還出現(xiàn)了翹起現(xiàn)象，有部分的軸面區(qū)域接近于垂直狀態(tài)。由于受到褶皺影響，同地層條件之間的破碎帶還會(huì)相互逆轉(zhuǎn)，而在相互逆轉(zhuǎn)的情況下也有利于該區(qū)域硫化物的聚集。因此，在開采過程中必須要注重破碎帶逆轉(zhuǎn)背景下所涵蓋的硫化物質(zhì)。其次，該開采區(qū)域的斷層現(xiàn)象主要集中在斷裂層上，其斷裂的形勢(shì)總體呈現(xiàn)出切層走滑的斷裂帶形式，這也促使該區(qū)域形成了東西兩個(gè)方向的地塹。其中，該地區(qū)的主斷裂帶，斷裂長度超過了1500m，其斷裂方向主要向東北65°方向傾斜，傾斜角度在70°～83°，再加上上盤的逆沖方向?yàn)橄蛏戏较颍卤P陡立的走向?yàn)橄陆捣较?，因此，在這種情況下，產(chǎn)生了牽引作用力就形成了特殊的褶皺[1]。與此同時(shí)，斷裂層周圍的圍巖結(jié)構(gòu)還會(huì)隨著斷裂處不斷地延伸和拓展，其中，部階段的斷裂層在南北兩個(gè)方向的地層之間反復(fù)橫跳，北部區(qū)域大約提升了160m 的高度，而該區(qū)域的圍巖結(jié)構(gòu)也受到了花崗閃長斑巖的侵入，其斷裂層呈現(xiàn)出70°的陡峭方向，西北方向產(chǎn)生了傾斜角，屬于一種較為典型的逆沖型斷層，受到了本區(qū)域?qū)r導(dǎo)礦構(gòu)造所帶來的影響。在前期的勘察過程中，勘察人員基于力學(xué)物理性質(zhì)等多個(gè)方面進(jìn)行考量，這種斷裂帶的扭曲性極強(qiáng)，其東部區(qū)域的整體下盤已經(jīng)出現(xiàn)了向北遷移的現(xiàn)象[2]。

（3）巖漿巖。該礦產(chǎn)開采區(qū)域內(nèi)部巖漿巖地帶的整體巖層結(jié)構(gòu)性質(zhì)呈現(xiàn)為中酸性質(zhì)，主要是由花崗閃長斑巖以及石英斑巖兩種性質(zhì)的巖層結(jié)構(gòu)相互構(gòu)成的，其中，花崗山常攀巖，該區(qū)域礦產(chǎn)資源的形成和演變之間具有密不可分的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。該礦產(chǎn)開采區(qū)域的成礦巖體屬于同一時(shí)間段多次入侵的同源雜巖體，經(jīng)過了上百年甚至上千年的復(fù)雜演變過程，才形成了豐富的礦產(chǎn)資源[3]。

（4）蝕變分帶。在礦場(chǎng)開采區(qū)域的蝕變帶，主要可以分為接觸蝕變帶、巖體蝕變帶以及層間破碎蝕變帶三大類型。而在本區(qū)開采區(qū)域內(nèi)部主要面對(duì)的蝕變分帶為硅化—絹云母化帶[4]。

2 復(fù)雜地層下地質(zhì)鉆探施工的方法和技術(shù)

2.1 鉆孔設(shè)置

根據(jù)本次施工所在區(qū)域的復(fù)雜地層條件特征來看，在本次施工過程中，共設(shè)計(jì)鉆孔44 個(gè)，考慮到本次開采區(qū)域的地層條件較為復(fù)雜多變，并且地下礦體結(jié)構(gòu)的傾斜角度較大，為了能夠確保鉆孔穿越的礦體夾角超過30°，部分區(qū)域的鉆孔傾斜角度設(shè)計(jì)較大。在鉆孔設(shè)計(jì)過程中，本次施工小于60°的傾斜角鉆孔共一個(gè)，鉆孔深度為460m。60°～75°傾斜角的鉆孔共設(shè)計(jì)24個(gè)，鉆孔深度為14390m。75°～80°傾斜角的鉆孔設(shè)計(jì)共有8 個(gè)，鉆孔深度為5690m。80°～85°傾斜角的鉆孔設(shè)計(jì)共有6 個(gè)，鉆孔深度為5320m。85°～90°的鉆孔共設(shè)計(jì)5 個(gè)，鉆孔深度為3130m[5]。

2.2 鉆孔技術(shù)要求

考慮到鉆探技術(shù)工程在施工過程中必須要嚴(yán)格地執(zhí)行國家規(guī)范的鉆探規(guī)章流程，在施工過程中，必須要滿足巖礦心采取率與調(diào)整規(guī)范率、鉆孔彎曲度測(cè)量規(guī)格性、簡(jiǎn)易水文觀測(cè)、鉆孔深度誤差的測(cè)量與校正等多個(gè)方面的規(guī)范性指標(biāo)。

2.3 施工工藝流程及方法

2.3.1 施工流程

鉆探施工流程如圖1 所示。

圖1 鉆探施工流程

2.3.2 鉆探工藝

考慮到本次礦產(chǎn)所在區(qū)域的地層條件極為復(fù)雜，該區(qū)的地層特征為巖溶發(fā)育特征，尤其是在地下700～800m 的深度下，溶洞發(fā)育極為成熟，在大規(guī)模的溶洞下容易爆發(fā)鉆孔事故。再加上本次施工工程中所在地層的傾斜角度較大，因此，很多鉆孔設(shè)計(jì)為斜孔，甚至還有超過60°且長度超過1000m 的深孔，只有選擇定向鉆探技術(shù)，才能應(yīng)對(duì)施工。在施工過程中，首先，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件狀況以及設(shè)計(jì)要求，需要選擇地質(zhì)巖心鉆機(jī)，采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的方式進(jìn)行操作。其次，考慮到在第四系地層下巖體結(jié)構(gòu)的硬度較強(qiáng)，因此，就要采用硬質(zhì)合金回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的方式，而在基巖部分就可以采用金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。再次，在鉆探過程中，還要持續(xù)對(duì)鉆探器具進(jìn)行沖洗，沖洗液的選擇可以應(yīng)用泥漿，而在完整基巖的鉆探工作中就可以采用清水，并且注意在清洗液中添加一定劑量的潤滑防阻劑，減輕后續(xù)鉆孔的阻力[6]。而此次鉆探過程中，每鉆進(jìn)100m 左右就需要對(duì)孔洞的位置進(jìn)行校正，校正誤差需要控制在合理的范圍之內(nèi)。需要注意的是，在滿足鉆探工作規(guī)章流程的前提條件下，鉆孔在穿越礦體結(jié)構(gòu)時(shí)，必須要滿足終孔偏線距和勘測(cè)線距離偏差不得超過10m 的要求。而在巖礦心采取的過程中，需要在中心區(qū)域和礦體的頂板各五米處設(shè)計(jì)采取率，采取率平均需要超過80%，對(duì)于一些厚度較大的巖層結(jié)構(gòu)，采取率可以低于80%，但是連續(xù)采取的長度不能超過五米。除此之外，在施工過程中還要注意隨時(shí)做好簡(jiǎn)易的水文觀測(cè)工作。在正常的鉆探工作中，每小班組鉆進(jìn)工程完成之后就需要觀測(cè)一次，每次鉆進(jìn)的尺度超過15m 時(shí)，也需要進(jìn)行觀測(cè)。而在鉆孔設(shè)備提取之后，下鉆前每隔十分鐘就要對(duì)鉆探區(qū)域的水文地質(zhì)條件進(jìn)行觀測(cè)。如果在鉆孔過程中遇到涌水問題，就應(yīng)當(dāng)立即停止鉆進(jìn)，并且隨時(shí)監(jiān)測(cè)水位變化的高度，還要記錄孔洞的深度，及時(shí)通知地質(zhì)管理人員，避免發(fā)生水害事故。在必要的情況下，還可以對(duì)鉆進(jìn)區(qū)域采取放水試驗(yàn)的措施，在非孔洞區(qū)域事故內(nèi)，如果停轉(zhuǎn)超過了4h，每一小時(shí)就應(yīng)當(dāng)觀測(cè)一次水位，了解沖洗液的消耗量并且觀察漏水記錄。最后，完成封孔。在鉆孔結(jié)束之后，對(duì)于所有的鉆孔都要采用425 號(hào)的硅酸鹽水泥嚴(yán)格地封堵，注重封堵的嚴(yán)密性，并且對(duì)每一個(gè)封孔區(qū)域都應(yīng)當(dāng)做好表面檢測(cè)工作，詳細(xì)地記錄封孔的水泥牌號(hào)、生產(chǎn)日期、封孔材料的數(shù)量、材料的水灰比等多方面的數(shù)據(jù)信息，然后針對(duì)不同的封孔區(qū)域設(shè)置標(biāo)號(hào)，并且標(biāo)明孔深、開孔日期等相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，為后續(xù)施工留下可參考的數(shù)據(jù)信息。

2.4 鉆孔結(jié)構(gòu)

考慮到本次礦山開采區(qū)域的結(jié)構(gòu)為巖溶發(fā)育結(jié)構(gòu)，年齡發(fā)育深度高達(dá)700～800m，因此，在鉆探過程中極容易發(fā)生漏漿、涌水等事故現(xiàn)象，甚至還可能會(huì)出現(xiàn)孔內(nèi)坍塌等多方面的事故。根據(jù)多年的施工經(jīng)驗(yàn)判斷，這種較為復(fù)雜的地質(zhì)條件下進(jìn)行鉆探工作，最關(guān)鍵的方法就是采用大孔徑開孔的模式，并且隨著鉆探深度的加深，還可以逐漸針對(duì)孔徑進(jìn)行變化，可以在較大的孔徑空間下設(shè)置護(hù)壁套管。而在本次施工過程中，施工設(shè)計(jì)人員原本設(shè)計(jì)的開孔孔徑為直徑130mm，無法達(dá)到此次復(fù)雜地質(zhì)條件下的施工安全要求。因此，需要進(jìn)一步測(cè)試當(dāng)?shù)氐牡貙訝顩r，然后選擇最小孔徑不得低于直徑150mm，最終孔徑不得低于直徑75mm 的孔洞設(shè)計(jì)方法。施工過程中，還必須要應(yīng)用到雙管鉆孔材料器具，確保對(duì)于鉆孔的材料以及規(guī)格進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)。

2.5 鉆進(jìn)操作

考慮到本次施工所在區(qū)域的地層條件較為復(fù)雜，而在不同的地層條件下，所選用的鉆進(jìn)方式也具有較大的差異性，不同底層地鉆進(jìn)方法如表1 所示。

表1 不同底層地鉆進(jìn)方法

在鉆進(jìn)操作過程中，也需要嚴(yán)格地按照國家頒布的《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行操作，在操作過程中也要注意以下內(nèi)容：①復(fù)合片切削工具屬于典型的聚晶金剛石工具，這種工具本身的厚度極薄，屬于一種硬質(zhì)的合金材料，因此，在逐步施工的過程中其抗磨能力有限，在長期施工的條件下會(huì)受到較大的局限性，這種器具只適用于一些地質(zhì)層較硬的區(qū)域。②在選擇鉆壓時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際的鉆進(jìn)情況合理地控制鉆壓。尤其是在鉆頭已經(jīng)進(jìn)入孔內(nèi)之后，鉆壓不得過大，需要循序漸進(jìn)地采用正常的轉(zhuǎn)速加大鉆壓。③在鉆孔結(jié)束之后，必須要確?？锥磧?nèi)部的清潔性，孔洞內(nèi)部的沙塵厚度不得超過0.3m，這時(shí)，在制定清洗液的泵壓時(shí)，就要比通常情況的泵壓再大一些，這樣才能夠有效地提升鉆頭的冷卻性，并且做好對(duì)鉆孔內(nèi)部粉塵的排除工作。④需要做好鉆頭的保養(yǎng)以及輪換工作，在剛開始鉆孔的過程中，可以選擇一些外直徑相對(duì)較大的鉆頭，隨著施工不斷深入，就可以交替使用一些外直徑相對(duì)較小的鉆頭，這樣就可以減輕一些不必要的磨損問題，避免鉆孔設(shè)備出現(xiàn)故障。⑤如果在鉆孔過程中發(fā)現(xiàn)漏失問題，就應(yīng)當(dāng)立刻停止鉆井工作。為了有效地堵漏，可以將鉆具上提到一定高度，此時(shí)立馬停止泵漿，在幾小時(shí)后如果鉆孔孔內(nèi)內(nèi)部的液位不再下降，可以繼續(xù)鉆井工作，然后配合一些惰性材料進(jìn)行堵漏。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著現(xiàn)代前沿科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，地質(zhì)找礦工作的方法也在持續(xù)革新。其中，地質(zhì)鉆探技術(shù)就是最為直觀且最為普遍應(yīng)用的找礦技術(shù)之一，目前，仍然在我國的地質(zhì)找礦行業(yè)中被廣泛地應(yīng)用。而考慮到近年來我國礦產(chǎn)開采工作所在區(qū)域的地層結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，在復(fù)雜的地質(zhì)條件下，對(duì)于地質(zhì)鉆探施工技術(shù)的應(yīng)用也提出了更加嚴(yán)格的要求。因此，施工單位必須要做好前期的鉆孔設(shè)計(jì)、孔洞規(guī)劃、施工材料選擇等方案，在施工過程中，注重針對(duì)漏失情況采取合理的措施進(jìn)行封堵，根據(jù)復(fù)雜地層條件因地制宜的選擇施工方案，才能確保后續(xù)鉆探工作的順利開展。