江門中微子實驗基地堅硬地層鉆進工藝探討

王光明，蘇經(jīng)儀，張正雄，張 杰，李 俊

（中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南昆明650041）

江門中微子實驗基地堅硬地層鉆進工藝探討

王光明*，蘇經(jīng)儀，張正雄，張 杰，李 俊

（中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南昆明650041）

江門中微子實驗基地ZK1號孔設計孔深650m，地層巖性為二長花崗巖，選用金剛石繩索取芯工藝，存在巖層鉆進“打滑”問題。經(jīng)過研究和摸索，選用電鍍高低鋸齒型鉆頭后，臺班進尺和鉆頭使用壽命有較大提高。同時，介紹了鉆探設備材料的選擇和安裝，并結(jié)合施工情況，對高低齒型鉆頭參數(shù)的優(yōu)化提出了建議。

堅硬地層；高低鋸齒鉆頭；繩索取芯；江門中微子實驗基地

1 概述

1.1 項目概況

江門中微子實驗基地位于廣東省江門市開平市金雞鎮(zhèn)和赤水鎮(zhèn)之間，附近主要有省道S367和S275通過，兩鎮(zhèn)距開平市距離約40～45km，鎮(zhèn)村之間都有公路相通，交通較為便利。中微子實驗基地工程主要包括主實驗廳、安裝間、集水井泵房、斜井、豎井、地面輔助建筑物及風、水、電等輔助系統(tǒng)，進入通道推薦采用斜井+豎井方案。實驗大廳埋深約700m左右，實驗廳內(nèi)水池直徑40m，深40m，用于安置實驗儀器，此外還需建平洞、豎井或斜井用于實驗大廳的建設、儀器安裝和后期實驗人員的交通。

江門中微子實驗基地詳勘階段共布置鉆孔6個，其中ZK1號孔設計深度650m，為我院建院以來承擔的最深鉆孔任務。

ZK1號孔位于東坑石場，即豎井上，孔口高程為136m，設計孔深650m，鉆孔為鉛直孔。

1.2 工程地質(zhì)情況

工程場址區(qū)出露地層主要有寒武系、奧陶系、第四系和燕山期侵入巖。ZK1號孔布置于豎井上，地層為燕山期第三期侵入花崗巖體[γ52（3）]。花崗巖巖體侵入面向外陡傾，屬典型不整合侵入特征。巖性為灰白色中細粒白云母、黑云母二長花崗巖、中細粒二長花崗巖，花崗巖內(nèi)共生有少量黃鐵礦和磁鐵礦，隨深度增加鐵礦含量有所增高，并在局部結(jié)構(gòu)面富集[1]。

2 鉆探設備的選擇和安裝[2]

2.1 鉆塔的選擇

鉆塔應具備以下條件：

（1）合理的鉆塔高度；

（2）寬敞的工作面；

（3）能承受特殊情況下的各種負荷；

（4）有可靠的安全作業(yè)設施。

結(jié)合我院2012年在滇中引水工程項目中完成的520m深孔鉆塔使用情況，根據(jù)以上條件，我們加工了長度14m、厚壁箍連接?108mm厚壁管的四角鐵鉆塔。經(jīng)過鉆進651.85m的深孔來看,該鉆榙穩(wěn)定性好,并還留有一定的余地。

2.2 鉆機的選擇

根據(jù)以往鉆探經(jīng)驗，選擇XY-4型巖芯鉆機，該鉆機的主要技術參數(shù)：鉆進深度鉆進能力700～850m(鉆桿口徑50mm)；鉆孔傾角360°；鉆機外形尺寸（長×寬×高）2710mm×1100 mm×1750mm；立軸行程600mm、立軸最大起重能力80kN、立軸最大加壓能力60kN、立軸內(nèi)徑68mm；卷揚機單繩最大提升力30kN、鋼絲繩直徑16mm、最大卷繩量為90m;鉆機質(zhì)量(不含動力機) 1500kg。

經(jīng)深孔鉆進使用情況來看,該鉆機基本上能夠滿足鉆進650m鉆孔的要求(終孔直徑為75mm)，深孔鉆進至400m后只能開到4擋。使用中除立軸齒輪損壞、卷揚發(fā)熱外，其它部位正常。

2.3 水泵的選擇

經(jīng)過對地礦單位深孔鉆進使用水泵情況調(diào)研，選用型BW 250型泥漿泵。

2.4 鉆塔的豎立

由于鉆孔北側(cè)、東側(cè)及南側(cè)均為高25～35m的廢棄石料場開采面，鉆塔豎立受地形限制，只能以下方法豎立：將四角架的雙腿底腳靠在機臺木邊，以防滑動。另外兩腿置于相對位置，四角架腿頂抬高架起，用穿釘連接起來，并安裝好“U”形鉤和滑車?；嚿洗┮桓槔K，以便在鉆塔豎立起來后，用作牽引鋼絲繩，將繃繩栓在穿釘?shù)膬蓚?cè)。準備工作結(jié)束后，用升降機牽引將鉆塔豎起。以雙腿連線為邊，形成矩形進行移動，豎到一定高度后，再分別將架腿移動到設計的位置，拉緊繃繩，固定架腿。

2.5 鉆探機場的修建

由于地表為碎塊石砂土，結(jié)構(gòu)松散，加之鉆孔深，鉆塔沒有底平梁，因此應認真修建鉆機機場。針對地表大量碎石土，我們用挖機先清理并整平，然后用10～20cm的碎石填平，然后用C30混凝土澆筑，詳見圖1。

圖1 澆筑混凝土

3 鉆探工藝

3.1 工藝選擇

根據(jù)巖石的可鉆性、研磨性、完整程度，結(jié)合我院滇中引水工程繩索取芯鉆頭經(jīng)驗，最終選擇繩索取芯金剛石鉆進為主要工藝。

3.2 鉆孔結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)任務書要求及鉆孔深度、覆蓋層厚度、巖石的物理機械性質(zhì)、終孔直徑、鉆探設備和鉆進方法合理選擇鉆孔結(jié)構(gòu)[3]。根據(jù)地層巖性，選擇相應鉆進參數(shù)。在穩(wěn)定巖層應盡可能地簡化鉆孔結(jié)構(gòu)，減少換徑次數(shù)。ZK1號孔鉆孔結(jié)構(gòu)設計一方面要滿足650m孔深成孔和壓水試驗要求，另一方面要能達到以下目的：①查明地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)、風化程度及巖石完整性；②查明地質(zhì)構(gòu)造（包括斷層、軟弱夾層、擠壓帶及節(jié)理等）發(fā)育情況；③查明巖體的滲透性及地下水位埋深，了解水文地質(zhì)特性；④進行物探綜合測井及進行巖石物理力學試驗取樣。同時，鉆孔結(jié)構(gòu)設計還得考慮地質(zhì)條件。根據(jù)孔位附近出露地層，可推測鉆進過程中遇到的地層巖性為：灰白色中?；◢弾r，巖體為碎塊—塊狀結(jié)構(gòu)，巖體透水性好。

綜合考慮，用?150mm金剛石鉆頭開孔，鉆穿強風化帶（約20m）后，下入?146mm地質(zhì)套管，其作用主要是減少掉塊；換用?95mm繩索取芯金剛石鉆頭鉆進到300m,下入?89mm×4.5mm的外絲套管,接箍的外徑為92mm。套管一直下到井口。用?95mm繩索取芯鉆進的目的主要是保證鉆孔的垂直度,以減少鉆孔的回轉(zhuǎn)阻力。換用?77mm繩索取芯金剛石鉆頭鉆進到終孔。

3.3 鉆進工藝參數(shù)

深孔鉆進時必須應根據(jù)巖石的可鉆性、研磨性、完整程度、鉆進速度、鉆頭直徑、鉆頭底唇面積、金剛石粒度、品級和數(shù)量來合理選擇鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量，以取得最佳的鉆進效率和綜合經(jīng)濟效益。

（1）轉(zhuǎn)速的選擇是各參數(shù)選擇的關鍵，在340m以內(nèi)采用6擋轉(zhuǎn)速(574r/min)鉆進,在340m以深采用4擋轉(zhuǎn)速(388r/min)鉆進。

（2）壓力的選擇,排除浮力、摩阻力等各種影響,實際孔底金剛石鉆頭的壓力在15～25kN。

（3）沖洗液量,開始采用50L/min，鉆進慢，最后換用40L/min，鉆進正常。

3.4 堅硬打滑地層的鉆進技術措施

在鉆進深度340～400m的二長花崗巖磁鐵礦過程中，遇到堅硬地層“打滑”現(xiàn)象，我們首先選用鋸齒鉆頭、齒輪鉆頭等多種型號鉆頭（如圖2所示），使用壽命最長的鉆頭鉆進4m，其余鉆進0.5～3m，鉆頭即被磨損，鉆進時效一般為0.1～1cm/min，最高2cm/min。針對以上問題，項目部向上級主管部門報告，并初擬解決問題的方案，其一：與多個鉆頭生產(chǎn)廠家及科研單位共同協(xié)作解決鉆頭“打滑”問題；其二：采用液動沖擊鉆進工藝提高鉆進效率并解決此問題；公司隨即與鉆頭廠家聯(lián)系，負責人2次到現(xiàn)場取樣測試，對鉆頭的使用情況、參數(shù)做深入分析，以便生產(chǎn)與地層匹配性高的鉆頭。新研究的鉆頭為3層水口超長壽命鉆頭。但現(xiàn)場監(jiān)測其使用情況，鉆頭不出刃，仍然存在鉆進時效低和使用壽命短的問題。通過反復摸索和實際，我們要求廠家生產(chǎn)HRC20～25電鍍高低鋸齒鉆頭，以減少鉆頭唇面與孔底巖石面之間的接觸面積，提高金剛石鉆頭唇面對巖石的單位面積壓力。采用高低鋸齒電鍍金剛石鉆頭后，臺班進尺由1～2.5m提高到了7～13m，鉆頭壽命由5～10m提高到了37～45m。

堅硬地層“打滑”的原因是其研磨性差，金剛石鉆頭工作層底部的金剛石顆粒出刃后，克取巖石的過程中被磨鈍，從巖石上克取的巖粉顆粒迅速被沖洗液帶出孔外或裂隙中，而被磨鈍的金剛石顆粒由于與胎體粘結(jié)在一起，在缺少巖粉顆粒磨損胎體的前提下，這些被磨鈍的金剛石顆粒就不會脫落，金剛石鉆頭胎體不會被磨損，后續(xù)金剛石顆粒不會露出刃角，在鉆壓一定時，壓強太小不足以破壞孔底巖石，致使“打滑”現(xiàn)象發(fā)生[4]。

電鍍高低鋸齒鉆頭專為解決堅硬弱研磨性地層金剛石鉆進“打滑”設計，與其它鉆頭相比，在相同壓力下，由于鋸齒型鉆頭與巖石接觸面積小，壓強大將有利于巖石破碎，此時金剛石碎巖方式將由簡單的耕犁、壓入、壓碎、刮削等表面破碎形式轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝实谋懒训润w積破碎形式，有利于提高鉆速。同時，考慮到鉆速的恒定問題，要求鉆頭唇面形狀隨時間推移變化盡可能小，高低鋸齒型唇面形狀是較為理想的選擇。

圖2 各種型號的金剛石鉆頭

3.5 沖洗液

沖洗液直接影響鉆孔的安全和質(zhì)量。從經(jīng)濟性和技術性考慮，選用皂化液。經(jīng)驗證，效果明顯?？刂茮_洗液在鉆頭底部的流速,可以延長鉆進中產(chǎn)生的巖粉及脫落的金剛石顆粒在孔底的滯留時間。所以鉆進中適當控制泵量等措施對于鉆頭的“銳化”是有利的[5]。

4 鉆探技術成果

江門中微子實驗基地ZK1號孔鉆進深度651.85m,臺月數(shù)2.8個,臺月效率232.5m,時效1.20m，最大提鉆間隔47.6m。全孔為花崗巖，花崗結(jié)構(gòu)，巖石礦物成份主要為鉀長石、斜長石、石英、黑云母等，節(jié)理面局部見黃鐵礦及磁鐵礦。具體描述如下：孔深0～6.2m：含碎塊石砂土，碎塊石成分為花崗巖，粒徑5～20cm，含量10%～15%，結(jié)構(gòu)松散?？咨?.2～ 16.2m：巖性為花崗巖，弱風化為主，節(jié)理裂隙較發(fā)育，鑲嵌碎裂—塊狀結(jié)構(gòu)，邊墻有滲水或滴水；RQD= 70%?？咨?6.2～324.2m：巖性為花崗巖，微風化為主，局部弱風化，本段發(fā)育多條小的斷層和擠壓面（Ⅳ級結(jié)構(gòu)面），次塊狀結(jié)構(gòu)為主，局部塊狀結(jié)構(gòu)，邊墻有滲水或滴水；RQD=80%?？咨?24.2～651.85m：巖性為花崗巖，微風化—新鮮，巖體完整，塊狀結(jié)構(gòu)，局部次塊狀結(jié)構(gòu)，邊墻有滲水或滴水；RQD=90%。

ZK1號鉆孔成功鉆進，為地質(zhì)人員分析豎井工程地質(zhì)特性提供了詳盡和準確的第一手資料；也是進行高壓壓水試驗、彈模試驗、地溫測試的基礎工作。鉆進過程中遇到的問題及解決方法為以后類似地層鉆進提供了參考。

5 結(jié)語

鉆探生產(chǎn)過程中，應根據(jù)地層地質(zhì)條件合理選擇鉆進參數(shù)、鉆頭結(jié)構(gòu)和參數(shù)[6]。對于鉆進難度大、時效低的地層，項目生產(chǎn)技術人員要實時與鉆頭廠家保持聯(lián)系，如實將鉆頭使用情況（如鉆壓、鉆速、泵壓、泵量、鉆進時效、金剛石出刃等）反饋至廠家，聯(lián)合攻關，才能盡快生產(chǎn)出與所鉆地層相適應鉆頭。

在ZK1號孔鉆進過程中，筆者發(fā)現(xiàn)，電鍍高低鋸齒鉆頭的高齒上的金剛石顆粒磨損完后，鉆頭鉆進時效急速下降，但低齒上的金剛石顆粒幾乎保持完好，故建議對此類鉆頭的鋸齒高低比例、齒牙斜度等進行優(yōu)化，如減少梯形齒牙上底寬度、降低低齒高度等，以使鉆頭鉆進達到最佳效果。

[1]覃獻安，李春宇，等.江門中微子實驗基地詳勘（初設）階段工程地質(zhì)勘察報告[R].昆明：中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院，2013.

[2]盧飛，李華，等.2010m斜孔鉆探設備選擇及技術措施[J],探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，36(3)：1-3.

[3]舒智.復雜地層深孔鉆進關鍵技術的探討與實踐[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2009（Z1）：161-165.

[4]蘇經(jīng)儀.糯扎渡水電站堅硬地層鉆探工藝[J].云南水電技術，2009（4）：57-59.

[5]黃建國，趙振峰,王生,藺剛，等.本溪臺溝鐵礦深部堅硬地層孕鑲金剛石繩索取心鉆頭的選擇和使用[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2010，37(8)：73-75.

[6]李和孝.金剛石鋸齒形鉆頭在堅硬打滑地層中的應用[J].西部探礦工程，2010(12)：91-92.

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A

1004-5716(2015)12-0029-03

2014-12-15

王光明（1985-），男（漢族），云南曲靖人，工程師，現(xiàn)從事水利水電工程地質(zhì)勘察工作。