空氣反循環(huán)鉆探技術(shù)在礦山勘查中的應(yīng)用

蘇敬達(dá)

（中國電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

0 引言

空氣反循環(huán)鉆探技術(shù)以壓縮空氣為介質(zhì)，具有鉆進(jìn)效率高、取心污染少、施工成本低的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于缺水地區(qū)［1-3］。

自20世紀(jì)70年代以來，空氣反循環(huán)鉆探技術(shù)成為美國、加拿大等國家廣泛采用的一種全新鉆進(jìn)方法。美國使用這項(xiàng)技術(shù)完成的地質(zhì)勘探工作，接近其全部工作的60%；澳大利亞則超過80%［4］。美國、德國和法國都有一系列的鉆桿、鉆頭和輔助工具，使這項(xiàng)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用廣泛的品類有：德國DSG雙壁鉆桿系列和NW法蘭鉆桿系列，美國沃克尼爾公司CON-COR雙壁鉆桿系列，法國福拉克雙壁鉆桿系列。此外，全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)和空氣壓縮機(jī)的品種也很齊全，如德國B系列空氣反循環(huán)鉆機(jī)、K5-H型空壓機(jī)等，為空氣反循環(huán)鉆探技術(shù)的推廣奠定了良好的基礎(chǔ)。

我國的空氣反循環(huán)鉆探技術(shù)研究方面，已經(jīng)研發(fā)了全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)，以及56/46、73/63、89/78、114/100等系列雙壁鉆桿［5］。然而，空氣反循環(huán)鉆探技術(shù)在我國礦山勘查施工中的應(yīng)用還不十分廣泛［6］。我們通過改進(jìn)鉆頭和封隔套的流體構(gòu)造，將空氣反循環(huán)鉆探技術(shù)應(yīng)用到礦山勘查項(xiàng)目中，與傳統(tǒng)巖心鉆探技術(shù)比較關(guān)鍵指標(biāo)，驗(yàn)證其應(yīng)用效果。

1 礦區(qū)概況

應(yīng)用地點(diǎn)位于琿春紫金北山礦段露天采礦場(chǎng)南部坑底區(qū)域（1-5線）項(xiàng)目，2019年度設(shè)計(jì)鉆孔93個(gè)，工作量5942 m。工程鉆遇地層為二疊系下統(tǒng)亮子川組和三疊系上統(tǒng)三仙嶺組，走向330°～345°，傾向南西，傾角60°～80°，局部板理較發(fā)育。主要巖性有黑色板巖、粉砂質(zhì)板巖、堇青石板巖、角巖、英安巖、流紋巖、夾凝灰質(zhì)砂巖（見圖1）。

圖1 礦區(qū)出露巖石Fig.1 Rock outcropping in the mining area

鉆探工程施工質(zhì)量執(zhí)行《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》（DZ/T 0227-2010），要求終孔孔徑≮75 mm；圍巖平均巖心采取率≮70%，礦心及其頂?shù)装鍑鷰r3～5 m內(nèi)平均巖心采取率≮85%；鉆孔為直孔，頂角每100 m及見礦及終孔測(cè)1次，每100 m頂角偏斜≯2°；孔斜每超過3°時(shí)需測(cè)方位角；終孔后校正孔深允許誤差≯1/1000。

工作區(qū)多年的露天開采使礦區(qū)地下水位下降較大，巖層風(fēng)化強(qiáng)度大，吸水性強(qiáng)，溶解速度快，為水敏性較強(qiáng)的地層。為應(yīng)對(duì)這種情況，采取空氣反循環(huán)鉆探技術(shù)。

2 空氣反循環(huán)鉆探技術(shù)的應(yīng)用

2.1 技術(shù)原理

空氣反循環(huán)鉆探技術(shù)配套的工具和設(shè)備包括空壓機(jī)、全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)、雙壁鉆桿、潛孔錘、鉆頭、旋流器和分樣器等。工作原理是壓縮空氣從全液壓動(dòng)力頭下面?zhèn)热胧降碾p通道氣水龍頭進(jìn)入，經(jīng)外平式雙壁鉆桿的內(nèi)外管環(huán)狀間隙，到達(dá)鉆頭底部攜帶巖屑，從鉆桿內(nèi)管中心通道上返。雙壁鉆桿是實(shí)現(xiàn)空氣反循環(huán)鉆探技術(shù)的重要器具，它不僅要傳遞壓力和扭矩［7］，還要為壓縮空氣和高速上升氣流提供連續(xù)的通道［8-10］；同時(shí)巖樣不直接接觸孔壁，可判斷地層的準(zhǔn)確狀況［11］。在潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)，壓縮空氣有2種功能，一種是為潛孔錘活塞運(yùn)動(dòng)提供能量，另一種是冷卻鉆頭及攜帶巖屑，上返風(fēng)速必須大于巖屑顆粒的自由懸浮速度。

空氣反循環(huán)鉆探技術(shù)有利于在復(fù)雜地層中鉆進(jìn)，用于鉆穿斷層破碎帶、粘土層、風(fēng)化層等，避免造成鉆孔縮徑與坍塌事故［12-13］?？捎糜诤芏嗟貙訔l件，如火成巖、變質(zhì)巖和可鉆性在6級(jí)以上的沉積巖；片層理發(fā)育、軟硬不均勻以及多裂隙等容易產(chǎn)生孔斜的地層；卵礫石層、漂礫層、漏失層以及溶洞地層；沙漠、干旱、高寒山區(qū)和永久凍土層等復(fù)雜地層［14］。

2.2 施工設(shè)備及鉆具

2.2.1 鉆機(jī)

根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，選用YSL-500RC型反循環(huán)鉆機(jī)（見圖2），該鉆機(jī)采用履帶底盤裝載、全液壓驅(qū)動(dòng)、動(dòng)力頭式鉆機(jī)，其最大起拔力160 kN，最大給進(jìn)力100 kN，行程3500 mm，輸出轉(zhuǎn)速（正/反）35/71（低擋）、57/114（高擋），最大輸出扭矩10 kN·m，通孔直徑370 mm，柴油機(jī)功率125 kW。可進(jìn)行常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，也可以進(jìn)行空氣反循環(huán)鉆進(jìn)。對(duì)各類地層和復(fù)雜工況有較好的適應(yīng)性，可有效解決在松散覆蓋地層、卵礫石層、基巖破碎地層中鉆進(jìn)時(shí)成孔困難的問題，擁有十分廣泛的用途。

圖2 YSL-500RC型反循環(huán)鉆機(jī)Fig.2 YSL-500RC reverse circulation drilling rig

2.2.2空壓機(jī)

因鉆孔直徑在115 mm孔深在130 m以內(nèi)，根據(jù)雙臂鉆桿上返流速，使用開山KSZJ-29/23G型移動(dòng)螺桿式空壓機(jī)，該空壓機(jī)主要技術(shù)參數(shù)為：額定排氣壓力2.3 MPa，公稱容積流量29 m3/min。

2.2.3 雙壁鉆桿

使用?89 mm/?43 mm外平雙壁鉆桿，長度3 m。鉆桿采用接頭與管體螺紋連接形式，環(huán)氧樹脂膠結(jié)，既保證了氣密性，又便于更換損壞件。內(nèi)管采用插接式結(jié)構(gòu)，2道密封，鉆桿柱的氣密性好。

2.2.4 氣動(dòng)潛孔錘及鉆頭

使用FQC345型反循環(huán)潛孔錘，潛孔錘外徑105 mm，工作氣壓0.7～2.1 MPa，耗風(fēng)量5.7～14 m3/min。鉆頭選用115-SPMF345型高風(fēng)壓沖擊鉆頭，直徑為115 mm。

2.2.5 旋流器

鉆機(jī)配備XCQ型旋流器（見圖3），內(nèi)徑150 mm，溢流粒度20～74μm，處理能力5 m3/h。這種旋流器結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)部無運(yùn)動(dòng)件，體積小，除塵效率高，使用壽命長，操作簡單。

圖3 XCQ型旋流器Fig.3 XCQ15 cyclone

2.3 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

2.3.1 鉆壓

如果鉆壓太小，很難克服潛孔錘工作時(shí)的背壓和反彈力，影響沖擊力的有效傳達(dá)。然而，如果鉆壓過大，則旋轉(zhuǎn)阻力增大，從而使鉆頭發(fā)生早期磨損。一般來說，合理鉆壓為7～35 kN。

2.3.2 轉(zhuǎn)速

旋轉(zhuǎn)速度的選擇主要取決于潛孔錘的沖擊頻率大小和巖石的物理力學(xué)性能。合理的旋轉(zhuǎn)速度通常由2個(gè)間隔的旋轉(zhuǎn)角度表示的最佳沖擊間隔確定，轉(zhuǎn)速與沖擊頻率和最優(yōu)轉(zhuǎn)角的關(guān)系為［5］：

式中：A——最佳旋轉(zhuǎn)角度，（°）；N——旋轉(zhuǎn)速度，r/min；F——潛孔錘錘擊頻率，次/min。

FQC-345型潛孔錘的沖擊頻率為800次/min以上，最佳旋轉(zhuǎn)角度為11°，合適的旋轉(zhuǎn)速度為25.2 r/min。

2.3.3 空氣壓力

空氣壓力是決定潛孔錘沖擊力和頻率的重要因素，是影響鉆進(jìn)速度的主要參數(shù)。除了滿足潛孔錘的工作壓力外，空氣壓力還必須克服管道損失和孔內(nèi)的壓力下降。如果孔內(nèi)有水位的話，還要增加克服背壓、頂開水柱的壓力，每100 m地下水約消耗1 MPa風(fēng)壓［15］。在一定范圍內(nèi)，空氣壓力與鉆進(jìn)速度成正比，但空氣壓力過高會(huì)造成錘頭的高速磨損、孔壁沖刷嚴(yán)重、反循環(huán)形成困難、油耗增加等不良影響。一般來說空氣壓力0.8～1.2 MPa為佳。

2.3.4 風(fēng)量

空氣反循環(huán)鉆探技術(shù)所需的風(fēng)量不受鉆孔直徑的影響，其影響因素取決于雙壁鉆桿中心通道的截面積和上返速度，需要的空氣量很小。采用?89 mm/?43 mm雙壁鉆桿時(shí)，反循環(huán)鉆進(jìn)工藝所需風(fēng)量僅為2.5 m3/min。

3 相關(guān)技術(shù)措施

3.1 鉆頭鉆進(jìn)效率和使用壽命

鉆頭是傳遞扭矩和沖擊能量并直接接觸破碎巖石的工具，根據(jù)巖石物理性質(zhì)不同，合理選用不同形式的鉆頭是提高鉆進(jìn)效率、增加鉆頭使用壽命的重要技術(shù)條件［16］。鉆頭結(jié)構(gòu)上的流體構(gòu)造（見圖4），對(duì)反循環(huán)排粉情況有較大影響。有利的流體構(gòu)造可以避免重復(fù)破碎，提高鉆進(jìn)效率。

圖4 改進(jìn)流體構(gòu)造的鉆頭Fig.4 Bit with the improved fluid structure

在鉆頭外圈使用超強(qiáng)保徑的胎體，避免鉆頭非正常磨損，提高鉆頭壽命，減少起下鉆換鉆頭次數(shù)，也能夠大幅縮短鉆孔輔助時(shí)間。

3.2 封隔套封堵效果

高壓空氣送入孔底后，有2種循環(huán)趨勢(shì)，當(dāng)反循環(huán)趨勢(shì)強(qiáng)時(shí)形成反循環(huán)，反之則形成正循環(huán)。當(dāng)選用鉆桿和鉆孔直徑的級(jí)配不合理時(shí)，即產(chǎn)生正循環(huán)［17］，因此應(yīng)根據(jù)鉆桿和鉆孔直徑，在鉆桿與沖擊器之間設(shè)計(jì)使用合適尺寸的管外封隔套，才能有效建立起反循環(huán)。為此，采用外徑為113 mm的封隔套，比原先的外徑增大了3 mm，使得孔壁與封隔套的間隙縮小至1 mm。試驗(yàn)表明，該改進(jìn)很大程度解決了封堵效果不佳的問題，巖粉采取率大大提高。

3.3 巖屑采取質(zhì)量

返回孔口的樣品被輸送到旋流器，經(jīng)過旋流器分離和除塵后，巖屑樣品從旋流器下部出口排出，用樣品袋收集，凈化后的氣體從排氣管排出。然后對(duì)樣本袋進(jìn)行稱重，填寫安放樣品卡。同時(shí)在樣品袋口做好標(biāo)志，防止樣品卡被損壞影響樣本識(shí)別。采取的巖屑如圖5所示，粒度分選很好。

圖5 巖屑Fig.5 Rock cuttings

3.4 粉塵污染

在鉆頭結(jié)構(gòu)上采用前述流體構(gòu)造，可在井底形成所需要的負(fù)壓抽吸巖粉的作用，能夠很大程度解決巖粉外泄到循環(huán)通道之外的問題。此外，使用前述封隔套，減小與鉆孔的間隙，也能阻止巖粉從循環(huán)通道外上返泄露。

4 應(yīng)用效果

在“吉林琿春紫金空氣反循環(huán)鉆探項(xiàng)目”中，地層主要為硬度極高的花崗巖，針對(duì)地層特點(diǎn)進(jìn)行鉆頭選型，有效提高了鉆進(jìn)效率，日均進(jìn)尺達(dá)到110 m，在60天內(nèi)完成了5942 m工作量，同時(shí)解決了在該地層中反循環(huán)系統(tǒng)不能有效建立的問題，保證了樣品的質(zhì)量。

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，利用空氣反循環(huán)鉆探工藝，與傳統(tǒng)巖心鉆探相比，鉆進(jìn)效率提高了70%～90%，成本降低了30%～50%，鉆孔事故率降低了60%～70%，施工過程無泥漿污染，產(chǎn)生粉塵極少，實(shí)現(xiàn)了綠色勘查的要求。

5 結(jié)語

（1）鉆頭采用流線型構(gòu)造和使用超強(qiáng)保徑胎體，能夠很大程度解決反循環(huán)排粉不佳的情況，避免重復(fù)破碎，提高鉆進(jìn)效率，并且能夠有效提高鉆頭壽命。

（2）采用外徑尺寸合適的管外封隔套，使得孔壁與封隔套的間隙更加合理，很大程度解決了封堵效果不佳的情況，巖粉采取率大大提高。