嵩縣大西溝礦區(qū)復(fù)雜地層鉆探施工綜合治理

翟東旭

(河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第一地質(zhì)大隊(duì)，河南鄭州 450016）

嵩縣大西溝礦區(qū)復(fù)雜地層鉆探施工綜合治理

翟東旭

(河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第一地質(zhì)大隊(duì)，河南鄭州 450016）

河南省嵩縣大西溝礦區(qū)地層復(fù)雜，構(gòu)造多，巖層“破、脆、碎”，鉆探施工非常困難，涌水、漏水、縮徑、掉塊現(xiàn)象頻發(fā)，不少鉆孔報(bào)廢。針對(duì)該礦區(qū)地層特點(diǎn)及施工難點(diǎn)，從設(shè)備選擇、鉆孔結(jié)構(gòu)、沖洗液以及水泥堵漏等方面采取有針對(duì)性的技術(shù)措施，取得了較好的效果?？偨Y(jié)了鉆探施工的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)。

復(fù)雜地層;涌水;漏水;縮徑;水泥堵漏;沖洗液;大西溝礦區(qū)

1 概述

河南省嵩縣礦產(chǎn)豐富，多為金礦、銀鉛鋅礦和鉬礦等金屬礦床，地層復(fù)雜，構(gòu)造帶多，巖層“破、脆、碎”，大部分鉆孔整孔破碎。以嵩縣大西溝礦區(qū)為例，前后共施工23個(gè)鉆孔，報(bào)廢8個(gè)鉆孔，報(bào)廢率高達(dá)35%。深度＜300 m的鉆孔平均施工時(shí)間43天，月平均臺(tái)效率82 m，深度＞300 m的鉆孔平均施工時(shí)間86天，其中5個(gè)鉆孔施工時(shí)間超過半年，特別是ZK0023鉆孔，施工時(shí)間10個(gè)月，先后2次報(bào)廢，最后以 60 mm孔徑終孔，終孔深度476.29 m。

嵩縣大西溝礦區(qū)位于河南省嵩縣縣城南南西直線距離約17 km上秋盤村，隸屬嵩縣紙房鄉(xiāng)管轄。地處外方山和伊河斷陷盆地的接觸帶南側(cè)的淮河、黃河分水嶺附近北坡一側(cè)，區(qū)內(nèi)次級(jí)水系發(fā)育，匯水經(jīng)五道溝(季節(jié)性河流）向北流入伊河，屬黃河流域。海拔680～1302 m，最高峰1302.4 m，高差622 m，屬中、低山區(qū)，地形切割強(qiáng)烈，山高坡陡，植被茂盛，V字形溝谷發(fā)育。

礦區(qū)內(nèi)有新建“村村通”水泥公路與嵩縣縣城相連，嵩縣向北到洛陽約90 km，分別與國道G310、連霍高速、二廣高速及隴海鐵路、焦枝鐵路相通;向南直達(dá)欒川，與國道G311相接;區(qū)內(nèi)交通主要為水泥公路和砂石路，交通條件較為便利。

我隊(duì)近年一直在該礦區(qū)施工，積累了一些在此類地層鉆探施工的心得體會(huì)，本文對(duì)此進(jìn)行總結(jié)，與大家共同探討。

2 礦區(qū)地層簡況

2.1 地層

該區(qū)大地構(gòu)造位置處于華北陸塊南緣褶皺帶華熊臺(tái)隆外方山斷隆區(qū)。區(qū)內(nèi)出露地層簡單，斷裂構(gòu)造發(fā)育，巖漿活動(dòng)頻繁，有色、貴金屬及非金屬礦產(chǎn)資源豐富，成礦地質(zhì)條件十分有利。

區(qū)域地層劃屬華北區(qū)豫西分區(qū)熊耳山小區(qū)，出露地層有太古宇太華群、中元古界熊耳群、古近系、新近系和第四系。

中元古界熊耳群(Pt2x）:區(qū)域內(nèi)大面積出露，為一套厚達(dá)5771 m的古老的巨厚層中基性～中酸性火山噴發(fā)巖夾火山碎屑巖、沉積巖系，不整合覆蓋于太華群之上。區(qū)域內(nèi)出露地層主要為雞蛋坪組、馬家河組。大西溝礦區(qū)內(nèi)主要出露為雞蛋坪組。

雞蛋坪組(Pt2j）:區(qū)域內(nèi)大面積出露，主要分布于東部，為一套以中酸性、酸性熔巖為主夾中性熔巖及火山碎屑巖的巖石組合。

馬家河組(Pt2m）:主要出露于馬超營斷裂帶以北大魚溝一帶，石家?guī)X以北、以東也有零星出露。以中性熔巖為主，夾多層凝灰?guī)r。底部與下伏雞蛋坪組呈噴發(fā)不整合接觸，接觸界面呈穹凹狀。

古近系(E）:主要分布于譚頭－大章斷陷盆地中，為一套斷陷盆地形成的河湖相沉積物。上部為雜色、紫紅色厚層砂質(zhì)礫巖夾粘土巖，局部夾透鏡狀鈣質(zhì)結(jié)核，層厚約235～904 m;下部為灰黃色厚層狀砂質(zhì)礫巖與泥灰?guī)r互層，局部夾砂質(zhì)粘土巖，層厚約1500～2770 m。

新近系(N）:沿伊河兩岸山梁、山坡上零星分布。上部為灰白色中～厚層狀含鈣質(zhì)結(jié)核砂質(zhì)粘土巖;下部為紫紅色砂質(zhì)粘土巖與灰白色薄層狀砂礫巖互層、砂礫巖夾薄層泥質(zhì)粗砂巖及紅色砂質(zhì)粘土巖，層厚約150 m。

第四系(Q）:沿河流溝谷分布，為現(xiàn)代河床及河漫灘沖積砂礫石層和黃土層，層厚約0～32 m。

2.2 巖性

巖性主要為灰、灰紫色流紋巖、球粒流紋巖，少量安山巖及粗面巖。

流紋巖:主要為灰色，礦區(qū)南部見少量灰紫色，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，斑晶含量占5%～10%，斑晶主要為斜長石、鉀長石及少量石英、角閃石。

球粒流紋巖:灰色，斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶含量較少，占5%左右，主要為透長石及石英。

安山巖:灰色，斑晶含量極少，基質(zhì)為?；豢椊Y(jié)構(gòu)，斜長石微晶呈雜亂排列，含有較多的玻璃質(zhì)和隱晶質(zhì)，具絹云母化現(xiàn)象，石英含量極少。

粗面巖:淺肉紅色，斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶含量5%～15%，主要為正長石、透長石、鉀長石，暗色礦物斑晶碳酸鹽化，并有鐵質(zhì)析出。基質(zhì)主要由正長石微晶組成的微晶結(jié)構(gòu)，正長石微晶呈雜亂或略具定向構(gòu)造，石英少見。

2.3 構(gòu)造

該區(qū)地處華北陸塊南緣褶皺帶，近東西向的馬超營大斷裂橫貫全區(qū)，不同方位的次級(jí)斷裂構(gòu)造均有產(chǎn)出，北東、北西兩組斷裂互相交切，形成了區(qū)內(nèi)復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造格局。

馬超營斷裂帶從西南部穿過，向東呈帚狀逐漸散開，為該區(qū)重要的控礦、導(dǎo)礦構(gòu)造。區(qū)內(nèi)規(guī)模較大斷裂還有:北西西向的石架梁斷裂、燒瓦窯斷裂、板廟－呂屯斷裂，北東向的桑坪－蒼房溝斷裂、西坪－張槐斷裂、上秋盤斷裂、劉家坪斷裂等，北北東向和近南北向的構(gòu)造也有產(chǎn)出，這些構(gòu)造多為張性、張扭性、壓扭性斷裂。

節(jié)理構(gòu)造發(fā)育，節(jié)理縫內(nèi)多被石英脈充填，根據(jù)地表及巖心觀察，節(jié)理面被石英細(xì)脈、重晶石、方解石及絹云母充填。

2.4 巖漿巖

區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)頻繁，巖漿巖發(fā)育，巖體主要為斑狀黑云二長花崗巖巖體，，巖體及圍巖中發(fā)育有派生的細(xì)?；◢弾r脈及偉晶巖脈。巖體外接觸帶圍巖常有不同程度的蝕變，主要有絹云母化、鉀長石化和綠泥石化等，局部圍巖發(fā)生角巖化。

3 鉆孔設(shè)計(jì)及技術(shù)要求

2011年設(shè)計(jì)鉆孔全部為直孔，穿礦孔徑≮75 mm，孔深在500～700 m之間。鉆孔技術(shù)要求如下。

(1）不經(jīng)現(xiàn)場地質(zhì)技術(shù)人員同意，鉆孔的孔位不得移動(dòng)，移動(dòng)大于20 m需請(qǐng)示項(xiàng)目主管部門同意。

(2）礦化帶重要標(biāo)志層以及礦體和礦體頂?shù)装鍑鷰r5 m范圍內(nèi)的采取率≮80%。在礦層中鉆進(jìn)時(shí)，回次進(jìn)尺一般不大于2 m，若連續(xù)2個(gè)回次或進(jìn)尺1～2 m礦心采取率＜80%，要及時(shí)采取補(bǔ)救措施。全孔巖層平均采取率≮65%，穿礦孔徑≮75 mm。

(3）其他技術(shù)要求嚴(yán)格按照《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》(DZ/T 0227－2010）執(zhí)行。

4 鉆探難題

地表巖石風(fēng)化強(qiáng)，裂隙發(fā)育，較破碎，極大的降低了巖石的強(qiáng)度和穩(wěn)定性;中深部巖石致密堅(jiān)硬，裂隙不發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)類型為塊狀結(jié)構(gòu)，巖體完整，強(qiáng)度大，礦區(qū)內(nèi)巖石可鉆性為8～10級(jí)。主要鉆探難題如下。

(1）地表覆蓋層巖石風(fēng)化強(qiáng)，裂隙發(fā)育，比較破碎，巖心采取困難，掉塊嚴(yán)重、漏水;

(2）根據(jù)以前施工經(jīng)驗(yàn)，地下水比較豐富，水位在240～260 m之間，存有涌水地層，涌水嚴(yán)重時(shí)地下水能從孔內(nèi)沖出地表;

(3）在270～290 m之間有斷裂構(gòu)造，斷層內(nèi)構(gòu)造片巖發(fā)育，黃褐色，褐鐵礦化明顯，長石高嶺土化，局部硅化較強(qiáng)，充填物遇水膨脹，為典型斷層泥，造成鉆孔縮頸、坍塌。

5 鉆探技術(shù)

根據(jù)地層特點(diǎn)和以往施工經(jīng)驗(yàn)，無論在設(shè)備的選擇、鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、鉆探工藝還是泥漿的配方和原材料的選購上都經(jīng)過優(yōu)化選擇，確定最佳方案。

5.1 鉆探設(shè)備的選擇

此次設(shè)計(jì)鉆孔均為直孔，孔深在500～700 m，終孔直徑75 mm。故選擇打中深孔且實(shí)用性強(qiáng)的XY－44型鉆機(jī)，配SGZ－18型鉆塔;選用泵量調(diào)節(jié)范圍大且堅(jiān)固耐用易于修理的BW－250型泥漿泵，配1.2 in( 30.5 mm）無縫鋼水管供水;SJ－1000型絞車。

5.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

由于上部巖層破碎，為易下套管，采用 113 mm口徑金剛石鉆頭開孔，鉆至20～50 m處時(shí)(至完整基巖）下入 108 mm套管，再用繩索取心鉆具穿過涌水地層及構(gòu)造帶“斷層泥”后下入 89 mm套管，最后換用 77 mm口徑繩索取心鉆具鉆進(jìn)至終孔。

5.3 鉆探工藝(以ZK0400鉆孔為例）

ZK0400鉆孔為2011年該礦區(qū)施工的第一個(gè)鉆孔，也是設(shè)計(jì)孔深最深的鉆孔(設(shè)計(jì)孔深665 m）。為此開鉆前進(jìn)行了充分準(zhǔn)備，備齊了處理事故用的各類公、母絲錐、反絲鉆桿，透孔、磨鐵鉆頭以及優(yōu)質(zhì)膨潤土和泥漿處理劑。

(1）開孔地層巖石嚴(yán)重風(fēng)化，松散破碎，但夾有硬層，用普通金剛石鉆頭(胎體硬度HRC25～30）單管鉆進(jìn)。優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁，遇到風(fēng)化嚴(yán)重地層，無泵鉆進(jìn)，保證鉆孔巖心采取率在70%～80%之間。漏失不嚴(yán)重時(shí)頂漏鉆進(jìn)，漏失嚴(yán)重時(shí)用水泥加惰性材料(鋸末、棉絮、核桃殼、海帶、麻繩等）封孔堵漏，一般都能取得很好的效果，3天鉆進(jìn)46 m時(shí)巖層完整，下入 108 mm套管。下套管時(shí)底部用粘土或水泥封閉，孔口套管用麻繩等纏緊并填塞嚴(yán)密，防止巖屑進(jìn)入，造成卡管。套管上部用套管夾固定。

(2）46～230 m巖層相對(duì)穩(wěn)定，采用 91 mm繩索取心鉆進(jìn)工藝，胎體硬度HRC15、外徑94 mm金剛石鉆頭，清水+聚丙烯酰胺+皂化油無固相沖洗液鉆進(jìn)。這樣既能提高鉆進(jìn)效率，又能保證孔底干凈。歷時(shí)13天孔深233 m，決定調(diào)制沖洗液，采取膠結(jié)性防塌和強(qiáng)抑制性護(hù)壁及中密度壓涌方式，加強(qiáng)防涌防漏并具有潤滑性能，采用低固相沖洗液配置。配方為:清水+膨潤土+多效天然植物膠SD－1+KP共聚物+聚乙烯醇+水玻璃+CMC+多效堵漏劑+高效潤滑劑。性能參數(shù):粘度20 s，密度1.15 g/cm3，漏失量9.0 mL/30 min，pH值9，泥皮厚度0.6 mm。

在鉆至244 m時(shí)，發(fā)現(xiàn)沖洗液性能變化明顯，粘度、酸堿度、密度均有所變化，鉆具扭矩增大，停泵時(shí)沖洗液有倒流現(xiàn)象，巖心破碎，鉆進(jìn)堵塞，判斷孔內(nèi)涌水，隨后繼續(xù)調(diào)制沖洗液鉆進(jìn)，并隨時(shí)測試沖洗液性能，至248.5 m巖心變得較為完整。

根據(jù)鉆孔施工的實(shí)際情況，經(jīng)研究，決定用水泥、細(xì)砂加惰性材料強(qiáng)制封孔，一勞永逸，消除隱患。具體施工措施:在水泥漿中加入細(xì)砂和惰性材料加大水泥漿的密度和粘附作用，以降低孔內(nèi)水對(duì)水泥砂漿的稀釋，更好地阻止地下水涌入孔內(nèi)。具體配比為:R42.5普通硅酸鹽水泥∶細(xì)砂∶水=100∶20∶50，添加三乙醇胺0.5%+食鹽0.5%，再加入一定量的鋸末或碎麻繩。根據(jù)注漿壓力確定注漿量，由于堵塞涌水縫隙不能確定注漿量，只有根據(jù)注漿壓力來判斷是否停止注漿。

注漿完畢后，停置36 h掃孔，掃到涌水位置后，不要繼續(xù)鉆進(jìn)，按同等配比再次注漿，確定水泥漿不再漏失后停止注漿，再次停置36 h后掃孔鉆進(jìn)。

注漿過程中，可轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具，但不能上提鉆具，待注漿完畢后方能上提鉆具。全部漿量應(yīng)一次灌完，不得中途停泵，防止?jié){液斷開或被水稀釋。但泵壓明顯增大時(shí)要停止注漿，迅速提起鉆桿，以防止鉆桿提不上來，造成孔內(nèi)事故。

(3）注漿2次，共用5天時(shí)間，繼續(xù)采用 91 mm繩索取心鉆進(jìn)，在水泥封孔段施工時(shí)，要輕壓慢轉(zhuǎn)，適當(dāng)增大泵量，水泥封孔時(shí)孔內(nèi)有團(tuán)塊，且粉渣較多，增大泵量促使孔內(nèi)干凈。水泥掃完后，孔內(nèi)不再涌水，換用清水+聚丙烯酰胺+皂化油沖洗液繼續(xù)鉆進(jìn)。在施工到268 m處，鉆進(jìn)時(shí)扭矩增大，憋車、憋泵，泵壓增大，巖粉明顯增多，提下鉆困難，下鉆掃孔，鉆頭損毀嚴(yán)重，鉆桿內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象。取出的巖心如巖粉，含砂量大。無進(jìn)尺但攜帶出細(xì)砂狀巖粉，先后無泵鉆進(jìn)撈取巖粉。根據(jù)實(shí)際情況確定為斷層泥造成鉆孔縮頸，用水泥封孔無效，決定改變沖洗液性能，在其中加入降失水化學(xué)處理劑，以抑制斷層泥膨脹，具體配比為:防塌護(hù)壁劑25～30 kg，CMC 2～3 kg，NaOH 1～2 kg，膨潤土100 kg，潤滑劑1 kg。泥漿性能為:密度1.05～1.08 g/cm3，粘度25～30 s，pH值9～10，含砂量＜0.5%，泥皮厚度＜0.5 mm，失水量3～5 mL/30 min。

取出的巖心如圖1所示。

圖1 取上的巖心

(4）沖洗液的配置和維護(hù)。沖洗液配置一定要準(zhǔn)確計(jì)量，依順序加入，先無機(jī)處理劑再有機(jī)處理劑，先分子量小的再分子量大的。有機(jī)處理劑要先浸泡，需用熱水的一定要用熱水浸泡，用攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢?。沖洗液使用過程中，要勤測量，并認(rèn)真記錄，防止其他水混入其中。發(fā)現(xiàn)沖洗液性能不達(dá)標(biāo)要及時(shí)調(diào)整，確保沖洗液性能穩(wěn)定，達(dá)到護(hù)壁效果。

(5）穿過縮徑地層后，考慮到鉆孔涌水，且鉆孔縮徑嚴(yán)重，為防止出現(xiàn)孔內(nèi)事故，在鉆到315 m后，下入 89 mm套管，然后用 71 mm繩索取心，清水+防塌護(hù)壁劑+聚丙烯酰胺+皂化油無固相沖洗液鉆進(jìn)，13天鉆至668.76 m終孔，實(shí)際施工時(shí)間33天。

按照預(yù)定措施施工，所有6個(gè)鉆孔在9月底順利完成，3臺(tái)鉆機(jī)共完成鉆探進(jìn)尺3742 m，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)語

小口徑巖心鉆探施工有很強(qiáng)的實(shí)踐性，每到一個(gè)礦區(qū)，施工前要充分了解地層特征，選用適當(dāng)?shù)氖┕すに?，采取針?duì)性措施，預(yù)防孔內(nèi)事故，降低施工成本。通過對(duì)嵩縣大西溝礦區(qū)施工總結(jié)，綜合治理實(shí)踐，獲得如下心得體會(huì)。

(1）任何地層鉆進(jìn)施工，要充分了解地層特征，采取正確處理措施，預(yù)防孔內(nèi)事故;

(2）要充分利用好、維護(hù)好沖洗液，多多實(shí)踐總結(jié)，不能照本宣科，不能打“懶鉆”;

(3）巖心鉆探施工，深孔越來越多，沖洗液的重要性越來越明顯，化學(xué)處理劑種類越來越多，需要在實(shí)踐中不斷摸索總結(jié)，要用好各類泥漿化學(xué)處理劑，達(dá)到節(jié)約成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的;

(4）要善于總結(jié)，不斷實(shí)踐，為今后工作打下良好的基礎(chǔ)。

［1］秦如雷，段隆臣.地質(zhì)鉆探孔內(nèi)復(fù)雜情況的應(yīng)對(duì)措施［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程），2011，38(10）.

［2］王扶志，張志強(qiáng)，宋小軍.地質(zhì)工程鉆探工藝與技術(shù)［M］.湖南長沙:中南大學(xué)出版社，2008.

［3］胡郁樂，張紹和.鉆探事故預(yù)防與處理知識(shí)問答［M］.湖南長沙:中南大學(xué)出版社，2010.

［4］彭金灶.馬坑外圍礦區(qū)ZK7924孔施工難點(diǎn)及對(duì)策［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程），2011，38(9）.

［5］蒙鴻飛.荊山礦區(qū)深孔多段漏失破碎地層綜合治理［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程），2011，38(9）.

Comprehensive Treatment of Drilling Construction in Complex Formation of Daxigou Mining Area

ZHAI Dong-xu (No.1 Geological Team，Henan Provincial Non-ferrous Metals Geological and Mineral Resources Bureau，Zhengzhou Henan 450016，China）

Drilling construction is very difficult in the complex formation of Daxigou mining area in Song County of Henan Province with multi-structure and broken brittle fragment formations.Water gushing，leakage，diameter shrinkage and block-falling occurred frequently with some boreholes abandoned.According to the formation characteristics and construction difficulties，pertinent technical measures were taken in equipment selection，borehole structure，washing fluid and cementing with good effects.The experience of drilling construction was summed up in this paper.

complex formation;water gushing;leakage;diameter shrinkage;cementing;washing fluid;Daxigou mining area

P634

:B

:1672－7428(2012）10－0032－04

2012－06－19;

2012－09－17

翟東旭(1959－），男(漢族），河南洛陽人，河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第一地質(zhì)大隊(duì)副隊(duì)長，鉆探工程專業(yè)，從事鉆探技術(shù)與管理工作，河南省鄭州市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)第八大街166號(hào)。