鈾礦地質(zhì)繩索取芯高效鉆進(jìn)技術(shù)優(yōu)化研究

[摘要]針對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)在鈾礦地質(zhì)繩索取芯鉆進(jìn)施工應(yīng)用中取芯率較低，為此提出鈾礦地質(zhì)繩索取芯高效鉆進(jìn)技術(shù)優(yōu)化研究。通過改良繩索取芯鉆具鉆頭材料、彈卡機(jī)構(gòu)以及鉆桿結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)繩索取芯鉆具優(yōu)化；根據(jù)對(duì)鈾礦地質(zhì)繩索取芯鉆孔進(jìn)行模擬計(jì)算，將鉆孔直徑調(diào)整為150mm；將原來鉆進(jìn)技術(shù)中所使用的定向鉆進(jìn)工藝優(yōu)化為復(fù)合鉆進(jìn)工藝，以此實(shí)現(xiàn)鈾礦地質(zhì)繩索取芯高效鉆進(jìn)技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，優(yōu)化后的繩索取芯高效鉆進(jìn)技術(shù)取芯率高于傳統(tǒng)技術(shù)，更適用于鈾礦地質(zhì)繩索取芯高效鉆進(jìn)施工。

[關(guān)鍵詞]鈾礦；繩索取芯；鉆進(jìn)技術(shù)；復(fù)合鉆進(jìn)工藝；螺桿馬達(dá)

繩索取芯高效鉆進(jìn)技術(shù)是現(xiàn)代地質(zhì)鉆進(jìn)作業(yè)中必不可少的一項(xiàng)鉆取技術(shù)，利用專業(yè)鉆具向地下進(jìn)行鉆孔，當(dāng)鉆芯管內(nèi)充滿巖石后，借助專門的巖石打撈工具，將管內(nèi)巖石取出。正常情況下，當(dāng)鉆具鉆入到巖石內(nèi)部后需要花費(fèi)大量的時(shí)間將巖芯取出，并且?guī)r芯取出的時(shí)間長(zhǎng)短與鉆孔的深度有直接關(guān)系，鉆孔越深，巖心取出的時(shí)間越長(zhǎng)[1]。而繩索取芯高效鉆進(jìn)技術(shù)不同于一般普通的鉆進(jìn)技術(shù)，節(jié)省了繩索取芯鉆具獲取巖芯的步驟，有效提高了繩索取芯鉆進(jìn)效率。由于繩索取芯高效鉆進(jìn)技術(shù)施工步驟簡(jiǎn)單、易于操作，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘查領(lǐng)域中。但是地質(zhì)繩索取芯高效鉆進(jìn)技術(shù)在鈾礦地質(zhì)環(huán)境中，所取得的鉆進(jìn)效果比較差，鈾礦地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，巖石層硬度較高，大多數(shù)情況下鈾礦地質(zhì)鉆進(jìn)作業(yè)對(duì)鉆孔深度要求比較高，而現(xiàn)有的繩索取芯高效鉆進(jìn)技術(shù)在鈾礦地質(zhì)鉆進(jìn)作業(yè)實(shí)際應(yīng)用中，繩索取芯率比較低，已經(jīng)無法滿足鈾礦地質(zhì)鉆進(jìn)需求，為此提出鈾礦地質(zhì)繩索取芯高效鉆進(jìn)技術(shù)優(yōu)化研究。

1.鈾礦地質(zhì)繩索取芯高效鉆進(jìn)技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1繩索取芯鉆具優(yōu)化

根據(jù)鈾礦地質(zhì)取芯鉆進(jìn)作業(yè)需求，首先對(duì)繩索取芯高效鉆進(jìn)技術(shù)的鉆具進(jìn)行優(yōu)化。鈾礦地質(zhì)結(jié)構(gòu)硬度較高，為了方便鉆具更好地切割鈾礦地質(zhì)成功獲取到巖芯，將鉆具鉆頭材料由原來的鉻金屬改為金剛石，金剛石材料制作的鉆頭硬度更高，并且切割面更加鋒利，選擇表面光滑，形狀呈圓形的金剛石制作繩索取芯鉆頭[2]。其次在原有繩索取芯鉆具結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加彈卡定位機(jī)構(gòu)，彈卡定位機(jī)構(gòu)主要由彈卡彈簧、彈卡鉗、扶正器以及彈卡室四部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。

傳統(tǒng)繩索取芯高效鉆具是通過提拉外部的回收管，借助回收管將巖芯固定住，并將施加在回收管上的力通過卡鉗將力轉(zhuǎn)移到巖芯上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)巖芯的提取。在這一過程中回收管的巖芯很容易將卡鉗擋住，此時(shí)繩索取芯鉆具就會(huì)被卡死，無法將巖芯順利從鉆孔中提取上來[3]。為了避免出現(xiàn)這一現(xiàn)象，此次將原有繩索取芯鉆具的卡鉗機(jī)構(gòu)優(yōu)化為彈卡機(jī)構(gòu)，當(dāng)回收管向下提取巖芯時(shí)，借助彈卡彈簧上的力，將彈卡鉗向外張開一定角度，這時(shí)扶正器的管口與回收管的管口重合，巖芯經(jīng)過扶正器扶正，避免回收管中的巖芯擋住卡鉗，彈卡鉗在彈簧的作用下繼續(xù)向外張開，促使回收管內(nèi)的巖芯向上提起，以此可以順利將巖芯取出。

原有繩索取芯鉆進(jìn)技術(shù)在施工作業(yè)時(shí)，采用的是外徑為85.25mm，內(nèi)徑為75.25mm的鉆桿，鉆桿在鉆進(jìn)過程中會(huì)遇到一定的流量，當(dāng)桿內(nèi)流量一定時(shí)，橫截面越小流量的流速越大，此時(shí)會(huì)對(duì)桿內(nèi)產(chǎn)生一定的壓力，如果壓力過大將不利于鉆桿鉆進(jìn)，桿內(nèi)的壓力會(huì)抵消一部分鉆桿鉆進(jìn)的切割力[4]。為了提高鉆桿鉆進(jìn)質(zhì)量，采用一個(gè)外徑為65.25mm的泵送閥片安裝在泵口處，泵送閥片的制作材料選用聚酯樹脂材料，這種材料具有較強(qiáng)的耐熱性，利用聚酯樹脂材料制作泵送閥片，將其安裝在泵口處，當(dāng)繩索取芯鉆進(jìn)設(shè)備在鉆進(jìn)過程中，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)泵送閥片磨損，聚酯樹脂材料制作的泵送閥片高溫后會(huì)發(fā)生膨脹變形，使鉆桿與懸掛環(huán)壓蓋之間不會(huì)產(chǎn)生縫隙，從而減少鉆桿內(nèi)流量壓力的產(chǎn)生，從而確保鉆桿順利完成投送任務(wù)，以此完成繩索取芯鉆進(jìn)優(yōu)化。

1.2鉆孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化

傳統(tǒng)繩索取芯高效鉆進(jìn)技術(shù)的鉆孔直徑為140mm，而鈾礦鉆孔多為高位大直徑定向鉆孔，鉆孔結(jié)構(gòu)要求不同于普通的礦層鉆孔繩索取芯。正常情況下，鈾礦是以露天開采方式為主，鈾礦工作面后方采空區(qū)內(nèi)的鈾礦礦石通過下覆巖層中的縫隙向下運(yùn)動(dòng)，通過繩索取芯高位鉆孔將其抽出地面[5]。鈾礦礦區(qū)工作面上的高位鉆孔相當(dāng)于一條鈾礦取芯通道，孔口連接工作面，孔底連接采空區(qū)，鉆孔內(nèi)的壓力為實(shí)際抽采壓力，繩索取芯鉆孔的直接大小與最終取芯的效果有直接的關(guān)系，在已知鉆孔壓力、鉆孔深度等條件下，利用HISDF軟件對(duì)鈾礦地質(zhì)繩索取芯鉆孔進(jìn)行模擬計(jì)算。經(jīng)過模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨著鈾礦地質(zhì)繩索取芯鉆孔直徑的增大，鉆孔內(nèi)鈾礦抽采壓力也隨之不斷增大，100mm的鉆孔平均鈾礦抽采能力為3.45m/min，而110mm的鉆孔平均鈾礦抽采能力為5.84m/min，同比增長(zhǎng)45%。當(dāng)鉆孔直徑為150mm時(shí)，鉆孔平均鈾礦抽采能力可以達(dá)到12.46m/min，達(dá)到最大值。因此，將鈾礦地質(zhì)繩索取芯鉆孔直徑調(diào)整為150mm，繩索取芯高效鉆進(jìn)技術(shù)中鉆孔最大直徑僅為145mm。采用二次擴(kuò)孔技術(shù)，先用繩索取芯高效鉆進(jìn)技術(shù)以鉆孔直徑為100mm鉆孔鉆進(jìn)，然后再將孔徑增加到150mm，這樣可以提高鈾礦地質(zhì)繩索取芯效率。

1.3鉆進(jìn)工藝優(yōu)化

目前現(xiàn)有的繩索取芯高效鉆進(jìn)技術(shù)在鉆進(jìn)施工中主要是采用定向鉆進(jìn)工藝，這種鉆進(jìn)工藝可控性比較小，主要是依靠高壓泥漿帶動(dòng)繩索取芯鉆具鉆頭高速轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)方向是固定的，但是當(dāng)鉆頭遇到比較硬的巖石時(shí)，鉆頭的鉆進(jìn)方向會(huì)發(fā)生一定的偏差，導(dǎo)致繩索取芯設(shè)備螺桿馬達(dá)工具不能保持穩(wěn)定的方向，鉆取的鉆孔孔壁比較粗糙，并且鉆孔垂直方向會(huì)發(fā)生傾斜，鉆桿在提升過程中會(huì)與鉆孔孔壁發(fā)生摩擦和碰撞，導(dǎo)致鉆桿內(nèi)的巖芯發(fā)生脫落，繩索取芯率嚴(yán)重降低[6]。為了提高鉆孔質(zhì)量，進(jìn)而提高鈾礦地質(zhì)繩索取芯率，此次將傳統(tǒng)的鉆孔定向鉆進(jìn)工藝優(yōu)化為復(fù)合鉆進(jìn)工藝，這種工藝是在繩索取芯鉆進(jìn)初始階段采用鉆孔定向鉆進(jìn)方式鉆進(jìn)，當(dāng)達(dá)到一定深度時(shí)，調(diào)整螺桿馬達(dá)工具面向角來控制鉆具的鉆進(jìn)方向，避免繩索取芯鉆具發(fā)生偏離，擴(kuò)大鉆孔直徑，將繩索取芯鉆孔的傾斜率降到最低。同時(shí)在鉆進(jìn)過程中沿著鉆桿噴水，噴水的作用是減少鉆具與鉆孔孔壁的摩擦，使鉆孔孔壁表面光滑，從而使鈾礦巖芯能夠順利采取上來。通過以上對(duì)鉆具、鉆孔結(jié)構(gòu)以及鉆進(jìn)工藝的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了鈾礦地質(zhì)繩索高效取芯鉆進(jìn)技術(shù)優(yōu)化研究。

2.實(shí)驗(yàn)論證分析

實(shí)驗(yàn)以某鈾礦為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該鈾礦鉆探孔設(shè)計(jì)孔深為1150m，終孔深度為1245.56m，要求每個(gè)鉆孔的直徑不應(yīng)小于130mm，實(shí)驗(yàn)利用傳統(tǒng)技術(shù)與優(yōu)化后的技術(shù)對(duì)該鈾礦地質(zhì)進(jìn)行繩索取芯鉆進(jìn)施工。根據(jù)該鈾礦實(shí)際情況，確定了繩索取芯鉆進(jìn)參數(shù)，如下表所示。

鉆進(jìn)過程中，將全孔鉆壓控制在1250～1350kg范圍內(nèi)，初始階段繩索取芯鉆頭保持勻速鉆進(jìn)，平均線速度保持在2.46～3.56m/s范圍內(nèi)，繩索取芯鉆頭鉆進(jìn)深度達(dá)到200m后提高鉆進(jìn)速度，平均線速度保持在4.52～5.42m/s。并且繩索取芯鉆頭唇面面積沖洗液控制在4.65～6.45L/min，泵量在45～46L/min范圍內(nèi)，按照上述過程進(jìn)行繩索取芯鉆進(jìn)施工。實(shí)驗(yàn)將該鈾礦分成7個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的鉆孔數(shù)量均為300個(gè)，對(duì)每個(gè)鉆孔的取芯質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，計(jì)算每個(gè)鉆進(jìn)區(qū)域的繩索取芯率，將其作為檢驗(yàn)優(yōu)化前后兩種技術(shù)有效性的唯一指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示。

從上表中數(shù)據(jù)可以看出，應(yīng)用優(yōu)化后的繩索取芯高效鉆進(jìn)技術(shù)，鈾礦地質(zhì)繩索取芯率比較高，成功完成了預(yù)定孔深600m，取芯率90%的目標(biāo)，最高取芯率可以達(dá)到99.94%；而應(yīng)用原有技術(shù)，鈾礦地質(zhì)繩索取芯率比較低，雖然成功完成了預(yù)定孔深600m，但是取芯率沒有達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于優(yōu)化后的鈾礦地質(zhì)繩索取芯高效鉆進(jìn)技術(shù)，因此實(shí)驗(yàn)證明了，優(yōu)化后的技術(shù)具有良好的鈾礦地質(zhì)繩索取芯高效鉆進(jìn)效果，技術(shù)性能有了較大的提升，相比較傳統(tǒng)技術(shù)更適用于鈾礦地質(zhì)繩索取芯高效鉆進(jìn)施工作業(yè)。

3.結(jié)束語

此次結(jié)合鈾礦地質(zhì)特征以及鈾礦地質(zhì)繩索取芯鉆進(jìn)需求，對(duì)原有的繩索取芯鉆具、鉆孔結(jié)構(gòu)以及鉆進(jìn)工藝進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了鈾礦地質(zhì)繩索取芯高效鉆進(jìn)技術(shù)優(yōu)化，有效提高了鈾礦地質(zhì)繩索取芯率，有助于提高鈾礦地質(zhì)繩索取芯效率以及質(zhì)量，對(duì)鈾礦地質(zhì)鉆進(jìn)施工提供了有力的技術(shù)支撐，為鈾礦地質(zhì)繩索取芯高效鉆進(jìn)提供了參考依據(jù)。

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