貞豐爛泥溝金礦井下鉆探施工工藝探討

童 強(qiáng)，楊丕祥，吳 博，張海軍

（貴州省地礦局117地質(zhì)大隊(duì)，貴州 貴陽550018）

井下坑道鉆探是礦山勘探常用的勘探方法，既能獲取好的鉆探成果，又不造成地表環(huán)境破壞，同時(shí)能提高鉆探效率，達(dá)到節(jié)約鉆探施工成本的目的，有助于“綠色礦山”建設(shè)［1］。貴州錦豐礦業(yè)有限公司為確保礦山產(chǎn)量，通過招標(biāo)方式選定我單位開展礦山井下鉆探施工。

1 礦區(qū)地質(zhì)情況

整個(gè)礦區(qū)顯示十分完整的褶皺和逆沖斷的構(gòu)造組合樣式，即十分強(qiáng)烈的北西向褶皺和逆沖斷層依次疊覆出現(xiàn)。褶皺以復(fù)式倒轉(zhuǎn)不對(duì)稱褶皺為主，斷層以傾向盆地的中等－緩傾斜逆沖斷層為主。礦體受區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造控制，主要發(fā)育于東部碎屑巖分布地區(qū)［2］。礦區(qū)地層情況見表1。施工中主要鉆遇的地層為中三疊統(tǒng)許滿組（T2xm）和邊陽組（T2by），巖石以濁積巖系中的含鈣質(zhì)細(xì)砂巖、粉砂巖及粘土巖為主。

表1 礦區(qū)地層情況Table 1 Stratigraphy at the mine

2 鉆探工程設(shè)計(jì)及主要技術(shù)要求

（1）鉆機(jī)須具備鉆取?95、75、60 mm孔徑的能力，且滿足方位角為0°～360°、傾角為90°～65°的施工技術(shù)能力。

（2）考慮鉆孔深度在100～150 m之間，初步計(jì)劃采用繩索取心一徑到底的施工方式。

（3）確保巖心采取率（任意5 m段內(nèi)平均值）＞85%，礦心及其頂?shù)装甯? m采取率（任意3 m段內(nèi)的平均值）＞90%。

（4）開孔15 m測(cè)量鉆孔頂角和方位角，以后每30 m測(cè)斜一次，每100 m深度的鉆孔方位角和頂角偏差≯3°。

（5）為防止因施工形成水力通道，導(dǎo)致部分區(qū)域水量富集，所有完成的鉆孔必須全孔灌注水泥。

3 鉆探施工

3.1 設(shè)備選型

項(xiàng)目開始實(shí)施時(shí)，考慮到井下鉆探具有鉆孔點(diǎn)位多、搬遷頻繁的特點(diǎn)，因而采用KD-550型（見圖1）和KD-500型便攜式液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)進(jìn)行施工［3-5］。前2個(gè)月僅施工了99.32 m和219.70 m，完全沒有達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。分析發(fā)現(xiàn)該類型鉆機(jī)不太適合本礦區(qū)的施工，主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面：

圖1 KD-550型鉆機(jī)Fig.1 KD-550 drilling rig

（1）本礦區(qū)施工區(qū)域較一般井下硐室要寬大，便攜式液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)無法有效形成支撐（鉆機(jī)頂桿長(zhǎng)度不夠），加上鉆機(jī)整體較輕，施工中易形成鉆機(jī)移位，鉆進(jìn)平臺(tái)出現(xiàn)小幅擺動(dòng)，造成鉆孔方位超差。

（2）本礦區(qū)地質(zhì)條件比較復(fù)雜，孔內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)掉塊情況，而便攜式液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)處理這方面問題的能力不足。

針對(duì)以上2個(gè)方面的問題，最終將鉆機(jī)類型變更為XY-44A型立軸式鉆機(jī)（見圖2），在本礦區(qū)其相對(duì)于便攜式液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)具有便于支撐、穩(wěn)固性好、處理事故能力強(qiáng)等特點(diǎn)。在后續(xù)幾個(gè)月的施工中滿足了施工要求，達(dá)到了600 m/臺(tái)月的效率。

圖2 XY-44A型鉆機(jī)Fig.2 XY-44A drilling rig

3.2 鉆進(jìn)工藝

3.2.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

初步設(shè)計(jì)采用?75 mm繩索取心一徑到底的施工方式，其具有級(jí)配簡(jiǎn)單易行的特點(diǎn)。在前期施工中發(fā)現(xiàn)，這種方式鉆進(jìn)效率相對(duì)較高，但存在的主要問題一是易出現(xiàn)垮孔現(xiàn)象，無法有效保證成孔率；二是易造成孔口位置擴(kuò)徑，導(dǎo)致鉆桿在孔口折斷?？偨Y(jié)經(jīng)驗(yàn)后，施工設(shè)計(jì)變更為采用兩徑施工，即?95 mm－?75 mm。尤其是在每個(gè)新的硐室施工時(shí)，先用?95 mm施工鉆孔，無法用?95 mm完成全孔時(shí)再換徑?75 mm施工，主要目的是摸清鉆孔巖層情況，便于該硐室其它鉆孔施工，同時(shí)也大大提升了成孔率。在特殊的鉆孔（例如表層松散的）甚至采用3徑施工，即?110 mm－?95 mm－?75 mm。

3.2.2 鉆進(jìn)參數(shù)

井下鉆探相較于地表鉆探，其具有給進(jìn)壓力損耗較大，鉆速不宜過高，泵量適中的特點(diǎn)［6-7］。結(jié)合現(xiàn)階段施工過程中獲得的經(jīng)驗(yàn)，得出的鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量等鉆進(jìn)參數(shù)見表2。

表2 鉆進(jìn)參數(shù)Table 2 Drilling parameters

3.2.3 沖洗液

為了完成井下鉆探施工，初期采用的是無固相聚合物沖洗液，整體效果不好，經(jīng)常出現(xiàn)孔壁垮塌、掉塊等現(xiàn)象，后改為低固相護(hù)壁沖洗液，取得了一定的效果［8-12］。

低固相護(hù)壁沖洗液主要選用粘土、純堿、植物膠、聚丙烯腈銨鹽、羧甲基纖維素等。粘土主要是增加沖洗液密度，提升沖洗液的支撐力；純堿用于水化粘土；植物膠主要是與粘土結(jié)合達(dá)到護(hù)壁效果；聚丙烯腈銨鹽主要是調(diào)節(jié)沖洗液流變性和降失水；羧甲基纖維素主要是提粘和降失水。其性能主要為：密度為1.03～1.05 g/cm3、漏斗粘度為30～35 s、pH值為9～10、失水量為6～8 mL/30 min、膠體率95%。配方見表3。

表3 沖洗液配方Table 3 Makeup of drilling fluid

3.3 施工重難點(diǎn)

3.3.1 內(nèi)管投放由于該礦區(qū)鉆孔主要集中在傾角－15°～20°，如何投送內(nèi)管就十分關(guān)鍵。在現(xiàn)場(chǎng)施工中，主要采用水壓式內(nèi)管總成、水力打撈器、通纜式水接頭進(jìn)行處理［13］（見圖3）。

圖3 水壓式內(nèi)管總成、水力打撈器、通纜式水接頭Fig.3 Hydraulic inner tube assembly，hydraulic overshot，cable thru-bore swivel

（1）內(nèi)管總成的下放：依次將水壓式內(nèi)管總成放置到鉆桿柱內(nèi)，然后把水龍頭連接到鉆桿上。將泥漿泵出水管連接在水龍頭上，開動(dòng)泥漿泵，同時(shí)操縱絞車反轉(zhuǎn)使鋼絲繩順動(dòng)下放。內(nèi)管總成到位后，內(nèi)管止水鋼珠憋壓移動(dòng)至卸水處，泵壓陡降，孔內(nèi)返水增大至穩(wěn)定，即可開始正常鉆進(jìn)。

（2）內(nèi)管總成的打撈：將水力打撈器放入鉆桿內(nèi)，通纜式水接頭與鉆桿連接好，泥漿泵連接到通纜式水接頭的膠管接頭上。開動(dòng)泥漿泵將水力打撈器送入孔底，撈住內(nèi)管總成，關(guān)閉泥漿泵。卸掉通纜式水接頭，操縱絞車提出水力打撈器和內(nèi)管總成。

3.3.2 鉆孔控斜

3.3.2.1 孔斜情況

井下鉆孔施工中經(jīng)常出現(xiàn)傾角、方位角超差的現(xiàn)象，造成無法命中靶區(qū)，導(dǎo)致鉆孔報(bào)廢。對(duì)此類情況進(jìn)行分析，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面［14-15］：

（1）設(shè)備因素：設(shè)備安裝不穩(wěn)固。相較于地表鉆探，井下鉆探所用的鉆機(jī)偏小，施工中易發(fā)生位移。

（2）地層因素：①地層傾角與施工角度不一致，易順層偏斜；②礦區(qū)鉆孔施工中坍塌、掉塊、縮徑現(xiàn)象較多，坍塌、掉塊等會(huì)導(dǎo)致孔內(nèi)鉆具受力不均，易產(chǎn)生鉆孔偏斜；③施工中軟硬互層的情況比較頻繁，鉆進(jìn)軟硬互層時(shí)鉆頭受力不均極易產(chǎn)生鉆孔偏斜。

（3）管材因素：①鉆孔施工始終采用鉆桿連接方式，鉆桿同心率無法保證始終一致，從而導(dǎo)致鉆孔偏斜；②礦區(qū)鉆孔絕大多數(shù)為近水平孔和上行孔，鉆孔內(nèi)的管材始終受到向下的重力影響，導(dǎo)致鉆孔傾角出現(xiàn)變化。

（4）施工工藝因素：①鉆進(jìn)參數(shù)選取不合適，例如作用在鉆頭上的鉆壓過大；②在不合適層位換徑施工時(shí)也極易產(chǎn)生鉆孔偏斜，例如破碎或者松軟地層；③泥漿使用效果不好，便易產(chǎn)生坍塌、縮徑等孔內(nèi)事故，處理此類孔內(nèi)事故也極易產(chǎn)生鉆孔偏斜。

3.3.2.2 孔斜控制措施

通過近3個(gè)月摸索，采用有效的控斜措施，達(dá)到了良好的效果，未再出現(xiàn)因鉆孔偏斜問題造成鉆孔報(bào)廢的情況。主要控斜措施如下：

（1）優(yōu)選設(shè)備，做好穩(wěn)固：結(jié)合礦區(qū)實(shí)際，由于礦區(qū)井下巷道硐室較一般的施工場(chǎng)地寬敞，因而選用體量較大、處理事故能力較強(qiáng)的XY-44A型立軸式鉆機(jī)，同時(shí)改變通常垂直使用頂桿的方式，采用水平加斜撐的方式多點(diǎn)穩(wěn)固，避免施工中鉆機(jī)出現(xiàn)位移。

（2）選用高質(zhì)量管材：盡量選用同一廠家、同一批次，整體效果相對(duì)較好。前期為減少鉆進(jìn)給壓采用薄壁鉆桿，后期為減少連接點(diǎn)采用無接手鉆桿。

（3）嚴(yán)格把控施工工藝：①充分了解施工鉆孔的整體設(shè)計(jì)，在易坍塌掉塊孔段、軟硬互層孔段等易斜段施工時(shí)多加把控。②選取合適的鉆進(jìn)參數(shù)和鉆頭。采用低鉆壓勻速鉆進(jìn)，在易坍塌掉塊孔段采用相對(duì)較小的泵量，選擇尖齒形鉆頭等。③制定合理的鉆孔施工結(jié)構(gòu)。一般情況不復(fù)雜的鉆孔，采用? 95 mm施工5～10 m下管，?75 mm施工終孔；復(fù)雜鉆孔采用?95 mm施工至預(yù)定深度下管，?75 mm施工終孔；特殊情況采用?95 mm和?75 mm交替施工。④配置優(yōu)質(zhì)的護(hù)壁沖洗液。

3.3.3 封孔灌注

井下鉆探施工中，鉆孔完成后的封孔灌注十分關(guān)鍵，如果灌注質(zhì)量不好，很容易形成水力通道，導(dǎo)致部分區(qū)域水量富集，對(duì)礦道安全造成極大威脅。

鉆孔的封孔灌注漿液在項(xiàng)目實(shí)施中主要采用常規(guī)的325硅酸水泥配置的水泥漿，水灰比控制在0.50～0.55［16］。

針對(duì)鉆孔的封孔灌注，我單位根據(jù)施工角度的不同，采取不同的灌注方式和流程。

（1）下斜孔：一般傾角＜－10°的鉆孔，采用通過鉆桿分段灌注的方法，灌注完畢后用水泥封固孔口。

（2）近水平孔：一般傾角角度－10°～0°的鉆孔，采用注漿管下至孔底，排氣（漿）管連接6～9 m，同時(shí)將注漿管和排氣（漿）管封固在孔口，注漿至排氣（漿）管返出水泥漿為止，關(guān)緊閘閥（見圖4）。

圖4 近水平孔封孔灌注Fig.4 Near-horizontal hole cementation

（3）上仰孔：一般傾角角度＞0°的鉆孔，采用排氣（漿）管下至孔底，注漿管連接9～12 m，同時(shí)將注漿管和排氣（漿）管封固在孔口，少量注漿封閉孔口6～9 m段（保證注漿管通暢），待水泥凝固完全，再次注漿至排氣（漿）管返出水泥漿為止，關(guān)緊閘閥。

3.4 項(xiàng)目完成情況

項(xiàng) 目 自2020年3月12日 進(jìn) 場(chǎng)，4月5日 下 井 安裝，4月10日 正 式 開 始 施工。截至12月8日，終孔83個(gè)，完成工作量10747.07 m。項(xiàng)目施工質(zhì)量達(dá)到了良好的水平，主要體現(xiàn)在孔斜控制和采取率方面。

3.4.1 孔斜情況

在前期施工的鉆孔頻繁出現(xiàn)方位超差的現(xiàn)象，造成多個(gè)鉆孔報(bào)廢。出現(xiàn)這種情況的原因主要有以下2個(gè)方面：

（1）鉆機(jī)固定不牢固，鉆機(jī)出現(xiàn)位移，造成施工軸線偏移，導(dǎo)致鉆孔偏離原先設(shè)計(jì)。

（2）鉆進(jìn)參數(shù)不合理。例如壓力過大，順巖層產(chǎn)狀偏移；遇到軟層泵量過大，造成鉆孔擴(kuò)徑等。

后段施工中盡量避免了上述的問題，達(dá)到了比較好的控斜效果。鉆孔孔斜情況見表4。

表4 鉆孔孔斜情況Table 4 Borehole deviation data

3.4.2 巖（礦）心情況

項(xiàng)目采用繩索取心工藝，巖（礦）心采取率普遍比較好，滿足業(yè)主方的相關(guān)要求。鉆孔巖（礦）心采取率情況見表5。

表5 鉆孔巖（礦）心采取率情況Table 5 Drilling core recovery

4 存在的問題和改進(jìn)的方向

4.1 設(shè)備選擇

現(xiàn)階段采用的XY-44A型立軸式鉆機(jī)相較于最初選擇的KD-550型和KD500型便攜式液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)在效率和穩(wěn)定性上有所提升，但依舊存在以下幾個(gè)方面的問題：

（1）設(shè)備過于笨重，不利于搬遷。雖然為整機(jī)搬遷配備了叉車，但相對(duì)提高了安全風(fēng)險(xiǎn)。

（2）鉆進(jìn)行程較短。每一缸進(jìn)尺僅為0.6 m，完成1個(gè)整桿鉆進(jìn)要多次倒桿，破壞了鉆進(jìn)連續(xù)性。

（3）場(chǎng)地限制。在部分狹窄硐室或巷道施工時(shí)，不得不采用短回次鉆進(jìn)，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，并且同時(shí)操作也不太方便。

（4）無法直觀定量實(shí)施鉆進(jìn)。例如鉆速、扭矩等只能憑經(jīng)驗(yàn)判斷，大致估計(jì)。

下一步設(shè)備選擇可能還是要考慮液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)，在設(shè)備搬遷、勞動(dòng)強(qiáng)度、施工范圍、施工控制等方面液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)相較立軸式鉆機(jī)優(yōu)勢(shì)還是比較明顯的?，F(xiàn)階段主要是需要解決液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)穩(wěn)固和處理事故能力的問題。在鉆機(jī)穩(wěn)固方面可考慮采用加重鉆機(jī)底座或是使用地錨固定的方式進(jìn)行處理；提升處理事故能力方面可考慮在滿足施工場(chǎng)地限制的條件下盡可能采用較強(qiáng)施工能力的液壓鉆機(jī)（一般在1.5倍以上的施工能力）。

4.2 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)具體地層情況而定，不是一成不變的。既可在完整地層鉆孔施工時(shí)采用一徑到底施工，同時(shí)也可在復(fù)雜地層鉆孔施工采用兩徑交替施工的方式［17］。選擇哪種主要在于如何選取成孔率和施工效率的平衡點(diǎn)。

4.3 孔斜控制

項(xiàng)目的孔斜控制整體比較好，但在巖性突變時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)控斜變化較大的情況，雖未超差但不能不引起重視。井下鉆探是為礦山開采服務(wù)的，因而它對(duì)孔斜的精準(zhǔn)度要求很高，對(duì)孔斜控制進(jìn)一步研究十分必要。

4.4 沖洗液配置

項(xiàng)目的沖洗液使用情況比較一般，對(duì)易垮塌段有一定的效果，可依然在多個(gè)鉆孔出現(xiàn)卡鉆、抱鉆等現(xiàn)象。解決這類問題最好的辦法自然是快速通過，但如何延緩這種孔段的變化也值得好好研究，下一步必須在降低失水、加強(qiáng)支撐力、提高流變性上下工夫，兼顧經(jīng)濟(jì)和實(shí)用。

5 結(jié)語

（1）井下鉆探雖不是一個(gè)新的領(lǐng)域，但相較于地表鉆探有其自身的特點(diǎn)，同時(shí)各個(gè)區(qū)域條件不同，不能憑經(jīng)驗(yàn)一概而論，必須具體情況具體分析，只有適合才是最好的。

（2）如何精準(zhǔn)命中靶點(diǎn)是井下鉆探的核心要點(diǎn)之一，孔斜控制的關(guān)鍵點(diǎn)在于設(shè)備的穩(wěn)固性和匹配的鉆進(jìn)參數(shù)。

（3）該礦區(qū)井下鉆探多為接近水平的鉆孔，孔壁垮塌現(xiàn)象比較頻繁，僅靠沖洗液完成護(hù)壁是不現(xiàn)實(shí)的，最有效的手段是施工中高效率快速通過易垮塌段，在其未形成大幅度垮塌前完成鉆孔。

（4）鉆孔封孔灌注是關(guān)乎礦山安全的重要工序，切不可輕忽。提升封孔灌注效果以及灌注工具等方面值得進(jìn)一步研究。

（5）效率是一切工程施工的追求，達(dá)到高效就是人與物的良好配合，施工技術(shù)管理是提升效率的最好保障。