遷安市長(zhǎng)城金礦Ⅰ號(hào)礦體帷幕注漿工程超硬地層的鉆探施工方法

衛(wèi) 強(qiáng)，陳偉武

(山西省地質(zhì)勘查局二一七地質(zhì)隊(duì)，山西 大同 037008)

1 工程概況

遷安市長(zhǎng)城金礦位于河北省遷安市軍屯村北側(cè)，礦方擬在其礦區(qū)內(nèi)(第7勘探線至第2勘探線)南部開(kāi)采Ⅰ號(hào)金礦體。因礦床富水性強(qiáng)，地下水水位埋深淺，礦體賦存于地下水水位之下約200 m，排水困難，開(kāi)采難度大，需對(duì)擬開(kāi)采礦體進(jìn)行帷幕注漿堵水。由山西省第十地質(zhì)工程勘察院編制了《遷安市長(zhǎng)城金礦Ⅰ號(hào)礦體帷幕注漿堵水施工設(shè)計(jì)方案》，該方案經(jīng)甲方同意后，山西省第十地質(zhì)工程勘察院實(shí)施遷安市長(zhǎng)城金礦Ⅰ號(hào)礦體帷幕注漿堵水工程。

工程依照礦區(qū)帷幕線共布設(shè)施工帷幕注漿孔108個(gè)，全部為直孔，終孔口徑≥96 mm，平均孔深295 m。

2 遇到的問(wèn)題和原因分析

2.1 遇到的問(wèn)題

在施工過(guò)程中，西帷幕和北帷幕的部分鉆孔，鉆遇超硬“打滑”地層，使用常規(guī)鉆頭和鉆進(jìn)工藝，鉆探打滑，進(jìn)尺極慢，鉆進(jìn)效率極為低下，且鉆頭壽命短。為了保證工程進(jìn)度，項(xiàng)目部成立技術(shù)小組，針對(duì)正在施工的幾個(gè)鉆孔從鉆頭、工藝、參數(shù)和設(shè)備各方面進(jìn)行了研究，整理出一套比較有效的方案。

2.2 原因分析

針對(duì)施工中遇到的問(wèn)題，項(xiàng)目部成立攻關(guān)小組，攻關(guān)組的技術(shù)人員通過(guò)跟班觀察、向鉆探機(jī)班長(zhǎng)詢問(wèn)和查看班報(bào)表等調(diào)查手段整理后，發(fā)現(xiàn)本礦區(qū)堅(jiān)硬“打滑”地層的特點(diǎn)為石英含量高、礦脈石和礦物粒度極細(xì)、研磨性極弱及巖石抗壓強(qiáng)度很高，經(jīng)小組討論對(duì)比分析后對(duì)本工程鉆遇堅(jiān)硬“打滑”地層屬于鈣質(zhì)白云巖，小組對(duì)其命名為Ⅰ型白云巖和Ⅱ型白云巖。

Ⅰ型白云巖(下文簡(jiǎn)稱為Ⅰ型地層)呈肉紅色狀，硬度大，巖層中夾雜石英，巖石斷面致密光滑，用鋸條用力滑動(dòng)后，印記很淺，莫氏硬度6.5，鉆進(jìn)效率平均為0.32 m/h。

Ⅱ型白云巖(下文簡(jiǎn)稱為Ⅱ型地層)呈灰白色，硬度大，巖石斷面致密光滑，鋸條用力摩擦后無(wú)印記，研磨性極差，莫氏硬度7.5，鉆進(jìn)效率平均為0.10 m/h(數(shù)據(jù)為采取常規(guī)鉆頭、參數(shù)和工藝對(duì)比整理得出)。

經(jīng)過(guò)小組討論研究決定，目的為將Ⅰ型地層鉆進(jìn)效率提高至為1.50 m/h，Ⅱ型地層鉆進(jìn)效率平均為0.80 m/h。若低于此鉆進(jìn)速度，則會(huì)對(duì)工程進(jìn)度產(chǎn)生極大影響。

目標(biāo)設(shè)定后，小組人員對(duì)鉆進(jìn)效率低下的原因進(jìn)行分析和歸納，整理出如下幾點(diǎn)原因。

2.2.1 鉆頭原因

(1)工程開(kāi)始時(shí)，考慮到成本因素，選擇的常規(guī)鉆頭，胎體硬度高，導(dǎo)致鉆進(jìn)堅(jiān)硬“打滑”地層時(shí)，鉆頭胎體和地層在高速摩擦中金剛石不能自銳出刃，故鉆進(jìn)時(shí)效率低下。

(2)常規(guī)鉆頭胎體采用常規(guī)平底鉆頭，鉆進(jìn)超硬“打滑”地層時(shí)鉆頭和地層接觸面積大，尅取巖心面積增多，故而鉆進(jìn)效率低下。

2.2.2 沖洗液原因

本工程成孔的目的是為了進(jìn)行帷幕注漿，考慮到水泥漿遇到化學(xué)處理劑后變質(zhì)，導(dǎo)致凝固失效從而影響工程質(zhì)量，故工程開(kāi)始設(shè)計(jì)鉆進(jìn)中使用清水作為沖洗液。當(dāng)鉆進(jìn)普通地層時(shí)，由于鉆進(jìn)速度快，為保證鉆孔垂直度，故鉆機(jī)轉(zhuǎn)速和鉆壓相對(duì)較低，孔內(nèi)巖粉雜質(zhì)對(duì)鉆進(jìn)效率影響較低。當(dāng)鉆遇堅(jiān)硬“打滑”地層時(shí)，需鉆機(jī)開(kāi)啟高轉(zhuǎn)速和高鉆壓，這時(shí)孔內(nèi)巖粉雜質(zhì)鉆進(jìn)高轉(zhuǎn)速時(shí)對(duì)孔內(nèi)的鉆具和鉆桿造成了極大的摩擦阻力，導(dǎo)致鉆機(jī)負(fù)荷加大、鉆桿磨損嚴(yán)重以及能源消耗變大，但是降低轉(zhuǎn)速后導(dǎo)致鉆進(jìn)更加緩慢[1-4]。

2.2.3 機(jī)械設(shè)備原因

根據(jù)本工程施工方案和施工組織設(shè)計(jì)，本工程鉆孔設(shè)計(jì)平均孔深為300 m，故選擇施工鉆機(jī)時(shí)選用了XY-4和XY-44型兩種型號(hào)的鉆機(jī)，在施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，XY-44型鉆機(jī)在鉆進(jìn)堅(jiān)硬“打滑”地層時(shí)，平均鉆探進(jìn)尺要比XY-4型鉆機(jī)快0.10 m/h，經(jīng)分析對(duì)比參數(shù)得出結(jié)論，XY-44型鉆機(jī)比XY-4型鉆機(jī)在鉆探機(jī)械參數(shù)上要更優(yōu)秀。

3 解決措施

3.1 采用金剛石液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)

液動(dòng)潛孔錘是在回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的基礎(chǔ)上通過(guò)利用現(xiàn)場(chǎng)泥漿泵輸出的沖洗液驅(qū)動(dòng)液動(dòng)潛孔錘，對(duì)鉆頭施加一定頻率和能量的沖擊功，加速碎巖，因此可大幅度提高堅(jiān)硬巖層的鉆進(jìn)時(shí)效，減輕孔斜，降低成本，提高綜合效益。

為解決堅(jiān)硬巖層鉆進(jìn)困難問(wèn)題，在ZK78和ZK72鉆探困難鉆孔，經(jīng)過(guò)實(shí)際使用和效果分析，對(duì)Ⅰ型地層的鉆探效率提升至1.85 m/h，對(duì)Ⅱ型地層的鉆探效率提升至1.05 m/h。

液動(dòng)潛孔錘采用孕鑲金剛石鉆頭，胎體硬度HRC35，胎體高度為20～25 mm。使用平底鉆頭既能保證鉆進(jìn)速度又能保證鉆頭壽命。鉆進(jìn)時(shí)要保證液動(dòng)錘的花鍵軸與花鍵套端閉合，使液動(dòng)錘始終處于有效的工作狀態(tài)。液動(dòng)潛孔錘與普通取心鉆進(jìn)的回轉(zhuǎn)速度比常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)的轉(zhuǎn)速降低20%左右。

通常來(lái)說(shuō)，在液動(dòng)潛孔錘內(nèi)部參數(shù)一定的條件下，流量越大泵量越高，潛孔錘的沖擊功和沖擊頻率高，鉆進(jìn)速度會(huì)大大提高，但在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，泵量大泵壓高的情況下，會(huì)造成液動(dòng)錘易損件的磨損和鉆機(jī)負(fù)荷增大。鉆進(jìn)過(guò)泵的流量控制在150～200 L/min，鉆壓控制在3 MPa左右，轉(zhuǎn)速為468 r/min。

液動(dòng)潛孔錘對(duì)沖洗液要求較高，本礦區(qū)鉆進(jìn)過(guò)程中采用清水鉆進(jìn)，滿足鉆進(jìn)要求；在施工過(guò)程中，要求鉆進(jìn)時(shí)及時(shí)更換清水，保證沖洗液干凈。本工程在施工過(guò)程中，在清水中加入切削膏，保證潤(rùn)滑，還能增加沖洗液的巖粉攜帶能力[5-13]。

3.2 鉆頭的優(yōu)選

選取了堅(jiān)硬“打滑”地層的鉆孔，采用普通繩索取心鉆進(jìn)工藝，進(jìn)行鉆頭的對(duì)比試驗(yàn)。

鉆進(jìn)過(guò)程中在不采用外力磨取鉆頭胎體的情況下，采用了金石鉆探(唐山)股份有限公司的定制的?96 mm的K5、K9鉆頭，武漢金地探礦機(jī)械有限公司的?96 mm的HRC15、HRC20鉆頭，齒形都為鋸齒狀。鉆進(jìn)參數(shù)為轉(zhuǎn)速548 r/min，鉆壓2.5 MPa。經(jīng)過(guò)實(shí)際施工分析得出數(shù)據(jù)如表1。

表1 地層使用鉆頭數(shù)據(jù)對(duì)照Table 1 Actual bit usage

3.3 鉆進(jìn)工藝

本工程鉆遇堅(jiān)硬“打滑”地層層數(shù)較多，每層厚度1.5～20 m，若鉆遇較薄地層，鉆遇堅(jiān)硬“打滑”地層后進(jìn)行一次提下鉆顯然不符合施工情況。故經(jīng)過(guò)小組實(shí)地研究以及向老師傅請(qǐng)教經(jīng)驗(yàn)后，有兩種方法可供選擇。

3.3.1 投入磨料法

磨料磨損鉆頭法只適用于胎體硬度HRC35以上的孕鑲金剛石鉆頭。鉆進(jìn)時(shí)，先將鉆頭放置孔底，在機(jī)余處做好標(biāo)記，機(jī)桿與鉆桿分開(kāi)后，將硬度為5～7的巖石用錘子砸成粒徑為10 mm左右的小碎石，拔出取心內(nèi)管后，將小碎石投入到鉆桿內(nèi)，投入5～10顆后，投入內(nèi)管，然后下放鉆具，在不送水的情況下，讓鉆桿高轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)，待鉆進(jìn)至機(jī)余標(biāo)記處時(shí)，表明投入的磨料已經(jīng)磨碎，然后開(kāi)大泵量循環(huán)，冷卻機(jī)桿上部水龍頭以及將孔底巖粉排出。此時(shí)，鉆頭胎體上的金剛石已經(jīng)磨銳出刃，故在一段時(shí)間內(nèi)，鉆進(jìn)效率大大加快，但是據(jù)我們小組統(tǒng)計(jì)，每次磨料出刃法磨出的鉆頭有效進(jìn)尺為1.00 m左右，最多不超過(guò)1.50 m。

綜上所述，磨料磨損鉆頭法適用于鉆進(jìn)較薄巖層，當(dāng)鉆遇較厚地層時(shí)，由于研磨次數(shù)過(guò)多導(dǎo)致鉆頭磨損加大，鉆頭的磨損程度又無(wú)法直接得知，從而存在發(fā)生燒鉆事故的隱患。在ZK80孔因多次研磨鉆頭，提鉆后導(dǎo)致鉆頭胎體全部燒掉，幸運(yùn)的是沒(méi)有發(fā)生燒鉆事故，否則后果不堪設(shè)想。試驗(yàn)得出，HRC35鉆頭研磨次數(shù)為6次，HRC45鉆頭研磨次數(shù)為8次。

3.3.2 鉆機(jī)干磨法

鉆機(jī)干磨法是指鉆遇超硬地層時(shí)，先停鉆，加大泵量清洗鉆孔，待孔內(nèi)巖粉排干凈后，關(guān)掉水泵，鉆具放置孔底，開(kāi)動(dòng)鉆機(jī)高速3擋或者高速4擋，人工造成孔底鉆頭局部燒鉆，使鉆頭內(nèi)金剛石出露，從而加快鉆進(jìn)速度。在“燒鉆”過(guò)程中，要時(shí)刻觀察啟動(dòng)柜的電流表，電流表的電流超過(guò)125 A的時(shí)候，必須及時(shí)提升鉆具，使鉆頭與孔底分離，從而達(dá)到冷卻鉆頭的目的，一般情況下該方法操作2～4次即可達(dá)到很好的鉆頭出刃效果[14-15]。但是該操作對(duì)操作人員的技術(shù)要求比較高，而且對(duì)鉆頭壽命影響很大，不宜多次使用。

經(jīng)過(guò)施工得出以下體會(huì)：

(1)使用常規(guī)繩索取鉆探心工藝，鉆遇堅(jiān)硬地層時(shí)，若發(fā)現(xiàn)不進(jìn)尺或者進(jìn)尺緩慢，應(yīng)及時(shí)提鉆更換鉆頭、使用投入磨料法或鉆機(jī)干磨法加快進(jìn)尺，快速穿過(guò)堅(jiān)硬地層。

(2)磨鉆頭的方法會(huì)因?yàn)榘嚅L(zhǎng)的操作和機(jī)械的施工工況對(duì)鉆頭產(chǎn)生不同的影響，若鉆頭硬度大，可多研磨幾次，若鉆頭硬度小，則不可多次研磨鉆頭，要及時(shí)提鉆更換K5鉆頭或者更換液動(dòng)潛孔錘進(jìn)行鉆進(jìn)。

3.3.3 沖洗液配置

為保證注漿質(zhì)量，前期施工中循環(huán)介質(zhì)為清水，由于清水?dāng)y帶巖粉顆粒能力有限，使用化學(xué)泥漿成分又會(huì)破壞水泥漿液凝固，故在清水中加入切削膏。切削膏經(jīng)水浸泡化開(kāi)后，經(jīng)攪拌罐攪拌均勻后就可使用，配方為1 m3清水+2.5 kg切削膏。

使用了切削膏加清水為循環(huán)介質(zhì)的鉆孔，鉆機(jī)轉(zhuǎn)速在孔深200 m以淺開(kāi)到高速4擋，轉(zhuǎn)速為1191 r/min,200～400 m可以開(kāi)啟至高速3擋，轉(zhuǎn)速為819 r/min；而沒(méi)有使用該介質(zhì)的鉆孔，開(kāi)高速1擋都會(huì)導(dǎo)致鉆機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，故切削膏的使用是成功的。

4 經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)

(1)采用不同硬度的金剛石鉆頭胎體，對(duì)鉆進(jìn)速度影響很大，本工程礦區(qū)易采用K5鉆頭。

(2)液動(dòng)潛孔錘對(duì)該礦區(qū)鉆進(jìn)施工速度有極大的提升，未來(lái)該金礦區(qū)開(kāi)啟二期帷幕工程或者勘察工程時(shí)，應(yīng)推廣普及液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)。

(3)磨料法能短期內(nèi)加快鉆進(jìn)速度，但是相當(dāng)于飲鴆止渴，偶爾應(yīng)用快速穿過(guò)較薄堅(jiān)硬“打滑”地層；長(zhǎng)期使用并不推廣。

(4)清水加切削膏制成的循環(huán)介質(zhì)無(wú)論是配合普通鉆進(jìn)還是液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)都有很大的效果。