段志多

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安 710077)

1 背景介紹

對(duì)于國內(nèi)各大金屬礦山而言，坑道巖芯鉆探是對(duì)深部資源勘探的最佳方法[1],在局部找礦、探明礦脈走向方面有著不可替代的作用，市場(chǎng)前景廣闊[2];對(duì)于淺部資源基本枯竭、需深部探礦提高找礦效率，為坑道掘進(jìn)指明方向的一些金屬礦，尤其必要。云南省臨滄市滄源縣芒卡鎮(zhèn)鉛鋅礦區(qū)(下稱芒卡鎮(zhèn)鉛鋅礦區(qū))內(nèi)，地層出露不全，巖石原生結(jié)構(gòu)、構(gòu)造基本無保留，原始層理被后期形成的構(gòu)造面理置換，總體屬于層狀無序的變質(zhì)巖系[3]。該礦區(qū)目前處于深部探礦階段，礦石種類具有一定的復(fù)雜性和多樣性，多以堅(jiān)固性系數(shù)較大的氧化鉛鋅礦巖、硫化鉛鋅礦巖以及氧化鋅礦巖等為主要類型[4]。礦區(qū)巖層構(gòu)造復(fù)雜，給礦井建設(shè)和鉆探施工帶來了一定困難，急需采用新的鉆探施工工藝和適合本類型復(fù)雜巖層的鉆機(jī)，以提高探礦效率，為坑道掘進(jìn)指明方向。

2 設(shè)備選型

芒卡鎮(zhèn)鉛鋅礦地處中國老撾邊陲，基礎(chǔ)設(shè)施落后，礦區(qū)周邊道路不便，根據(jù)探礦設(shè)計(jì)鉆孔孔徑 76 mm，個(gè)別鉆孔深度超過 500 m，鉆機(jī)的選擇需考慮以下4個(gè)方面：1)鉆機(jī)不能太重，解體性好，擺布要靈活，鉆探能力要強(qiáng);2)對(duì)巖石堅(jiān)固性系數(shù)較大的礦巖能提高施工效率的鉆機(jī)；3)個(gè)別設(shè)計(jì)孔深>500 m，隨深度增加，對(duì)鉆機(jī)的扭矩、給進(jìn)力、起拔力要求越高；負(fù)荷越高，對(duì)泥漿泵流量和壓力要求也越高；4)在鉆機(jī)運(yùn)輸之前，先準(zhǔn)備好場(chǎng)地，根據(jù)鉆孔傾角，所用鉆桿、繩索取芯鉆具的長(zhǎng)短進(jìn)行挑頂、起底或擴(kuò)幫等工作。安裝地基處要考慮設(shè)備自重負(fù)荷及工作負(fù)荷的累加，鉆場(chǎng)地基處理要平整，承載力滿足要求。通過對(duì)比國內(nèi)外幾款成熟鉆機(jī)(表1)，最終選擇中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司(以下稱西安院)最新研發(fā)的輕量化坑道巖心鉆機(jī)ZDY1200G型全液壓鉆機(jī)。

表1 代表機(jī)型對(duì)比Tab.1 Comparison of representive models

1)鉆機(jī)。ZDY1200G型全液壓鉆機(jī)(圖1)的優(yōu)勢(shì)在于：給進(jìn)機(jī)身、底座和提升架均采用高強(qiáng)度航空鋁材，可大幅降低質(zhì)量且解體迅速。采用2個(gè)小功率的動(dòng)力泵站單元代替單個(gè)大功率泵站，降低單個(gè)部件的質(zhì)量，提高可通過性和搬遷的便捷性，在淺孔作業(yè)時(shí)可只搬遷其中1個(gè)泵站進(jìn)行工作。鉆孔能力 500 m(71鉆桿)，可進(jìn)行±90°范圍內(nèi)鉆孔施工，適合-90°～+35°范圍繩索取芯施工。該施工鉆機(jī)采用分體式設(shè)計(jì)，全機(jī)分主機(jī)、泵站、操縱臺(tái)三大部分，泵站又分為泵站1與泵站2，各部分之間用高壓膠管總成連接，擺放布置靈活，解體性好，分解后，每一部分解體均≤200 kg，現(xiàn)場(chǎng)拆裝和搬遷方便。該鉆機(jī)各系統(tǒng)、動(dòng)力裝置、操縱臺(tái)的模塊化設(shè)計(jì)可被廣泛應(yīng)用于地表勘探，特別適用于金屬礦山坑道環(huán)境[5]?；緟?shù)見表2。

圖1 ZDY1200G型全液壓坑道鉆機(jī)Fig.1 ZDY1200G full hydraulic drilling rig

表2 ZDY1200G型高轉(zhuǎn)速全液壓坑道鉆機(jī)基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of ZDY1200G high speed full hydraulic tunnel drilling rig

2)泥漿泵。BW-320型泥漿泵，衡陽探礦機(jī)械廠制造。該泵具有壓力高、泵量大的特點(diǎn)，可用于孔徑? 70～ 200 mm、孔深 800 m 的全面鉆進(jìn)或取芯鉆進(jìn)，能夠完全滿足注水、沖洗、排渣的需求，整個(gè)施工過程中壓力正常、工作平穩(wěn)、安全可靠。其主要技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 BW-320型泥漿泵主要技術(shù)參數(shù)Tab.3 Main technical parameters of type BW-320 mud pump

3)鉆頭。此次施工共選用2種鉆頭：第一種是?76 mm 金剛石單管取芯鉆頭[如圖2(a)所示]，主要用于開孔時(shí)單管鉆進(jìn)及個(gè)別復(fù)雜地層孔段鉆進(jìn)；第二種是?76 mm 金剛石雙管取芯鉆頭[如圖2(b)所示]，用于繩索取芯雙管鉆進(jìn)；金剛石擴(kuò)孔器[如圖2(c)所示]，又稱聚晶擴(kuò)孔器，外徑選用?76.5 mm，連接在人造取芯金剛石鉆頭后端，主要作用是修整孔壁，保持孔徑基本合乎?76 mm，其次起扶正器和穩(wěn)定鉆頭作用。

圖2 鉆頭及擴(kuò)孔器Fig.2 Drill and reamer

4) 繩索取芯鉆具。?75 mm 坑道用繩索取芯鉆具(圖3)。單動(dòng)雙管金剛石繩索取芯鉆具是一種外管轉(zhuǎn)動(dòng)、內(nèi)管不轉(zhuǎn)動(dòng)的雙層巖芯管鉆具, 除了防止沖洗液直接沖刷巖芯的作用外,由于其內(nèi)管不轉(zhuǎn)動(dòng),還可以避免因鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)造成對(duì)巖芯的機(jī)械破壞,使巖芯的采取率、完整度和代表性等有很大的提高和改善。大量施工實(shí)踐證明：①單動(dòng)雙管金剛石繩索取芯鉆具能防止沖洗液沖刷，減少鉆具振動(dòng),保持巖芯原結(jié)構(gòu),從而避免巖芯污染、燒壞;②采用單動(dòng)雙管金剛石鉆進(jìn)方法, 提高了巖芯采取率,最高達(dá)91%,巖芯采取率全部達(dá)到地質(zhì)規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

圖3 ? 75 mm坑道用繩索取芯鉆具Fig.3 ? 75 mm tunnel with rope coring drilling tools

3 鉆探施工工藝

3.1 沖洗介質(zhì)

沖洗介質(zhì)的主要功用是冷卻鉆頭、排除和攜帶巖粉[6]。由于繩索取芯鉆具與孔壁之間的環(huán)隙較小, 且內(nèi)管需通過鉆桿內(nèi)部下投。因此，在地層條件許可的情況下, 應(yīng)盡量采用泥漿泵供應(yīng)的清水加潤(rùn)滑劑，如聚丙烯酞胺沖洗液、水玻璃沖洗液等無固相沖洗液作為沖洗介質(zhì)就可滿足鉆進(jìn)要求。本次施工中，沖洗液采用優(yōu)質(zhì)低固相泥漿, 性能既達(dá)到?jīng)_洗液的要求，又節(jié)約了成本。在施工中為了節(jié)約水源，保持施工鉆場(chǎng)的清潔，須在鉆場(chǎng)開挖一個(gè)沖洗液循環(huán)池，在鉆進(jìn)過程中循環(huán)供水。但應(yīng)注意的是，從孔口排出的巖渣，必須用濾網(wǎng)過濾后再排入循環(huán)池，以免渣塊顆粒過大而堵塞泥漿泵。另外，用水作為沖洗介質(zhì)時(shí)，每次開鉆前必須等孔口正常返水后，方可開鉆，以免鉆頭水眼被巖渣封堵。每次停鉆后，必須用水沖洗鉆孔3～5 min。

3.2 鉆進(jìn)工藝參數(shù)

鉆進(jìn)工藝參數(shù)包括鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵量，3者在一定條件下相互影響[7]。鉆進(jìn)過程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，調(diào)整相應(yīng)的鉆進(jìn)工藝參數(shù)，使用合適的鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵量。

3.2.1 鉆壓

一般情況下，在一定范圍內(nèi)鉆進(jìn)速度隨鉆壓的增大而增加，所以鉆工一般為了追求進(jìn)尺，往往把鉆壓開到最大，但過大的鉆壓，會(huì)使鉆頭唇面上金剛石顆粒消耗量迅速增大，很快就磨削殆盡，導(dǎo)致鉆速迅速下降。所以應(yīng)根據(jù)孔底碎巖機(jī)理的不同而采取不同的鉆壓，比如在開孔時(shí)，應(yīng)輕壓慢鉆，防止開孔跑偏，應(yīng)權(quán)衡利弊來決定鉆壓最佳區(qū)域。此外，決定鉆壓還要綜合考慮以下因素：

1) 巖石性質(zhì)。一般在偏軟、弱研磨性巖層中鉆進(jìn)時(shí)，用較小的鉆壓；對(duì)完整、硬到堅(jiān)硬或強(qiáng)研磨性的巖層，適當(dāng)增加鉆壓；對(duì)破碎、裂隙和非均質(zhì)巖層，應(yīng)適當(dāng)減小鉆壓。

2)鉆頭類型。鉆頭直徑大、壁厚、胎體軟時(shí)，采用較大的鉆壓；反之，采用較小鉆壓。

3)鉆頭唇面的金剛石質(zhì)量、數(shù)量、粒度。鉆頭上的金剛石質(zhì)量好、數(shù)量多、粒度大時(shí)，應(yīng)選用較大的鉆壓；反之，采用較小的鉆壓[8]。

4) 孔深。鉆進(jìn)時(shí)，鉆桿不斷與孔壁摩擦，會(huì)消耗一些鉆壓，一般情況下，100 m 以內(nèi)給進(jìn)壓力表顯示基本在2～3 MPa，隨孔深的增加，每 100 m 逐漸遞增3～5 MPa，所以隨著孔深的增加應(yīng)適當(dāng)增加鉆壓。

3.2.2 轉(zhuǎn)速

鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速一般受到以下兩方面影響：

1)孔內(nèi)巖屑的大小。鉆進(jìn)過程中，孔底巖石的研磨次數(shù)將增加。絕大部分被沖孔介質(zhì)排出孔外，然而隨著大量巖屑的出現(xiàn)，一些巖屑顆粒沉降在孔內(nèi)，這在一定程度上影響了轉(zhuǎn)速。

2)破碎帶。鉆進(jìn)過程中，不可避免會(huì)遇到破碎帶,導(dǎo)致鉆頭轉(zhuǎn)速急劇下降，甚至發(fā)生卡鉆、抱鉆的情況，所以在遇到這種情況時(shí)，要反復(fù)掃孔，輕壓慢鉆，降低轉(zhuǎn)速，增大油泵排量，增大扭矩，順利通過破碎帶。

3.2.3 泵的流量

泵的流量即沖洗液量，沖洗液主要作用就是冷卻鉆頭，沖洗并攜帶巖屑到孔外。沖洗液量的大小受泥漿泵自身能力的限制，比如BW250泥漿泵，最大可以達(dá)到額定流量 250 L/min，BW320泥漿泵，最大可以達(dá)到額定流量 320 L/min，而且鉆孔傾角、巖性、鉆孔直徑、鉆桿內(nèi)外徑的大小、鉆頭類型等因素也會(huì)影響沖洗液量[9]。

4 現(xiàn)場(chǎng)施工情況

施工地點(diǎn)為芒卡鎮(zhèn)鉛鋅礦 1730 中段13東一支巷2#鉆場(chǎng)，KZ19-1301鉆孔于2019年2月22日正式開鉆，設(shè)計(jì)深度 500 m。鉆進(jìn)過程中泥漿泵的泵量選用 52 L/min，動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速調(diào)整為 400 r/min 左右，考慮到近水平取芯鉆進(jìn)的特點(diǎn)、鉆孔直徑、深度及施工目的，鉆孔結(jié)構(gòu)(即由開孔到終孔鉆孔孔徑的變化)設(shè)計(jì)為一級(jí)結(jié)構(gòu)。施工中首先采用?76 mm 單管鉆頭鉆進(jìn)至 4 m，提鉆后盡量采用?76 mm 雙管繩索取芯鉆頭鉆進(jìn)至終孔；在復(fù)雜破碎地層鉆進(jìn)對(duì)雙管鉆具有損害，應(yīng)采用相對(duì)簡(jiǎn)單的單管進(jìn)行鉆進(jìn)。

鉆孔自開孔至孔深 130 m，以花崗巖與粉質(zhì)砂巖為主，巖層較硬，鉆進(jìn)過程中，在 40 m、100 m、120 m 多次出現(xiàn)鉆桿振動(dòng)現(xiàn)象。分析其原因如下：

1)地層原因。鉆進(jìn)時(shí)遇到破碎、裂隙發(fā)育、巖層軟硬互層并變化頻繁的巖層，造成孔底和孔壁不平，鉆進(jìn)摩擦阻力不等，導(dǎo)致鉆桿產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

2)裝備原因。使用彎曲的鉆桿、巖芯管等，使管柱和連接處不均勻的單面磨損；鉆桿和孔壁的間隙大，鉆桿柱剛度不足，鉆孔的某些孔段過大或鉆孔截面不圓；鉆機(jī)的安裝不正確和工作狀態(tài)不良，選用的金剛石鉆頭可能因胎體硬度而不適應(yīng)所鉆巖層。

3)工藝原因。鉆壓過大，鉆頭金剛石在沒有遇到強(qiáng)研磨地層時(shí)就出刃，唇面偏磨、金剛石大量碎裂和脫落；鉆進(jìn)操作方法不合理，如沖洗量過大，泵量不均勻，在鉆桿內(nèi)液體壓力高和產(chǎn)生脈動(dòng)時(shí)鉆進(jìn)；鉆孔嚴(yán)重彎曲時(shí)鉆進(jìn)，孔底有金屬塊或有殘留巖芯時(shí)鉆進(jìn)[10]。

針對(duì)鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的振動(dòng)現(xiàn)象，采取如下措施：遵守鉆探設(shè)備的安裝規(guī)定，避免安裝不牢固使鉆進(jìn)時(shí)鉆桿振動(dòng)；避免為了恢復(fù)鉆頭功能而長(zhǎng)時(shí)間地增大軸向壓力鉆進(jìn)；由于近水平孔鉆進(jìn)不利于防振乳化沖洗液的使用，在鉆進(jìn)破碎地層、裂隙帶時(shí)，應(yīng)盡量采用低轉(zhuǎn)速來減少振動(dòng)。

采取措施后，自 130 m 開始，鉆桿振動(dòng)現(xiàn)象明顯變少，同時(shí)巖層硬度降低，在 313 m 處遇到空穴，鉆壓突然變小，鉆桿空下 1 m，采用在孔底混合水泥注漿的辦法填補(bǔ)了該空穴，繼續(xù)鉆進(jìn)，之后至終孔巖層為有裂隙的大理巖層。3月17日達(dá)到設(shè)計(jì)孔深，終孔 512 m?；剞D(zhuǎn)壓力在易鉆地層基本為2～3 MPa，在個(gè)別堅(jiān)硬、復(fù)雜地層時(shí)達(dá)到5～7 MPa；鉆進(jìn)破碎地層最大系統(tǒng)壓力為23 MPa；回轉(zhuǎn)壓力在孔深 240 m 以前最多在7 MPa左右，在孔深 240 m以后為10 MPa，鉆進(jìn)至終孔 512 m 時(shí)，回轉(zhuǎn)壓力為 17 MPa，鉆機(jī)系統(tǒng)壓力為 26 MPa，證明該鉆機(jī)還有余力。經(jīng)過取芯現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和巖芯鑒定，初步掌握了 1 730 中段地質(zhì)特征，施工效率和取芯率均超過設(shè)計(jì)參數(shù)(表4)。

表4 鉆孔完成參數(shù)對(duì)比Tab.4 Comparison of drilling completion parameters

5 討論及結(jié)論

1)設(shè)備選擇。本次選用新型研發(fā)的ZDY1200G型全液壓鉆機(jī)，適用于復(fù)雜金屬礦山坑道環(huán)境，各項(xiàng)性能參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)需要，尤其滿足-90°～+35°范圍繩索取芯施工，為本次施工提供了設(shè)備保障。

2)取芯。當(dāng)鉆進(jìn)到 313 m 后，遇有裂隙的大理巖層，取出的巖芯破碎且不連貫，應(yīng)降低轉(zhuǎn)速、壓力和泵量，減少回次、進(jìn)尺長(zhǎng)度和時(shí)間。在礦層頂?shù)装搴椭匾獦?biāo)志層中，巖芯沒有采取上來時(shí)，不應(yīng)繼續(xù)鉆進(jìn)，必須專程撈取。將巖芯裝入巖芯箱時(shí)，要耐心，盡可能避免人為破碎巖芯，并嚴(yán)格防止巖芯順序顛倒，確保巖芯采取率達(dá)90%以上。

3)混漿填補(bǔ)空穴?？咨?313 m 處的空穴，曾嘗試連續(xù)灌注，無明顯效果，泥漿在鉆桿外壁形成泥皮，起潤(rùn)滑作用 ,雖然減少了孔內(nèi)鉆桿磨損, 但是同時(shí)也減小了鉆進(jìn)扭矩。需要注意的是：如果泥漿固相含量超標(biāo)的話，在繩索取芯鉆內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的泥皮, 有時(shí)會(huì)致使內(nèi)管起下不暢，不易解決。解決的辦法只有提起有泥皮的鉆桿和降低轉(zhuǎn)速2種，影響鉆探機(jī)械效率。而直接在孔口灌混凝土漿，泥漿過稀不能堵住漏洞，而泥漿過稠又無法從孔口灌注。最終采用孔底混合水泥注漿的辦法:先將砂子經(jīng)鉆桿灌入孔底，再將水泥團(tuán)成球狀自鉆桿內(nèi)投至孔底，用鉆桿攪拌，使砂漿水泥在孔底混合均勻，從而填補(bǔ)了空穴。

4)2018年底引進(jìn)ZDY1200G型輕量化全液壓坑道鉆機(jī)及坑道用繩索取芯鉆具進(jìn)行取芯鉆孔施工，近一年來累計(jì)進(jìn)尺超過 10 000 m，該鉆機(jī)為礦方新增產(chǎn)值合計(jì)534萬元。

5)本次施工克服了在空穴地層難以成孔且破碎帶巖芯難提取的問題，研發(fā)新型鉆機(jī)及其配套工藝,可為類似條件礦區(qū)的繩索取芯鉆孔施工提供技術(shù)參考。