潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)在采空區(qū)勘探中的應(yīng)用

劉 軍,博 坤,李巧蓮

(1.洛陽欒川鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司, 河南洛陽市 471500;2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院, 吉林長春 130026)

潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)在采空區(qū)勘探中的應(yīng)用

劉 軍1,博 坤2,李巧蓮1

(1.洛陽欒川鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司, 河南洛陽市 471500;2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院, 吉林長春 130026)

針對(duì)河南三道莊鉬礦存在的極復(fù)雜地層及地下采空區(qū)地質(zhì)勘探技術(shù)難題,采用貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆探技術(shù),鉆穿由塌陷或爆破崩落作用形成的極復(fù)雜地層,進(jìn)而探測下部存在的采空區(qū)及檢驗(yàn)地下采空區(qū)處理效果。通過在該礦區(qū)內(nèi)的大規(guī)模施工實(shí)踐,解決了生產(chǎn)中面臨的技術(shù)難題和安全隱患,也為其他礦山采空區(qū)的地質(zhì)勘探提供了借鑒。

采空區(qū)勘探;極復(fù)雜地層;貫通式潛孔錘;反循環(huán)鉆進(jìn)

目前,我國一些優(yōu)質(zhì)礦產(chǎn)資源的礦山 (如廣西大廠礦務(wù)局、欒川鉬礦、廣東大寶山礦、秦嶺金礦等)都經(jīng)歷過無序掠奪性開采,并留下大量災(zāi)害性采空區(qū),嚴(yán)重影響著礦山的安全生產(chǎn)[1]。依據(jù)礦山的地質(zhì)構(gòu)造和生產(chǎn)需要,選擇合理的鉆探技術(shù)進(jìn)行地下采空區(qū)地質(zhì)勘探以獲取詳細(xì)的地質(zhì)信息,對(duì)制定合理的空區(qū)處理方案、確保礦山安全生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展,具有重大現(xiàn)實(shí)和戰(zhàn)略意義。

1 礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀

三道莊鉬礦為洛陽欒川鉬礦田 3大礦區(qū)之一,其鉬儲(chǔ)量居亞洲首位,礦床賦存于中元古界薊縣上欒川群三川組上段的矽卡巖和南泥湖組長英角巖、黑云母長英角巖中,受巖性構(gòu)造控制較為明顯,礦巖均致密堅(jiān)硬。礦體厚大集中,走向長 1500 m,傾向延伸大于 1120 m,厚度一般為 80～150 m,平均厚度125 m,面積 4.87 km2,礦石儲(chǔ)量 5.8億 t,其中鉬金屬儲(chǔ)量 67萬 t,平均品位 0.115%;鎢金屬儲(chǔ)量 50萬t,平均品位 0.117%,為埋藏淺、品位高、選別性能良好的特大型鉬鎢礦床[2]。

礦山開發(fā)始于 1960年代,礦區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)集體及個(gè)人掠奪資源的現(xiàn)象,且由于地質(zhì)資料不健全,導(dǎo)致礦區(qū)地下存留了大量不規(guī)則采空區(qū)和“盲空區(qū)”,該采空區(qū)和“盲空區(qū)”形狀復(fù)雜,水平方向縱橫交錯(cuò)、垂直方向上下重疊,分布高度最大達(dá) 176 m,采空區(qū)之間的頂?shù)字?2～8 m[3]。據(jù) 2005年對(duì)采空區(qū)的測量統(tǒng)計(jì),在露采范圍內(nèi)的 1140水平至 1475水平,共有空區(qū) 120萬 m2,空區(qū)體積約 1200萬 m3。目前礦區(qū)已轉(zhuǎn)為露天開采,隨著開采臺(tái)階的逐漸下降,當(dāng)采空區(qū)和“盲空區(qū)”的頂板厚度下降到一定厚度時(shí),受地壓活動(dòng)、爆破開采和地下水等因素影響,會(huì)出現(xiàn)頂板失穩(wěn)現(xiàn)象,嚴(yán)重威脅著工作人員和重型設(shè)備的安全,影響礦山的有序開采。

三道莊鉬礦根據(jù)生產(chǎn)和安全需要,實(shí)施高臺(tái)階爆破崩落法,分區(qū)、分層挖掘礦石處理采空區(qū)[4]。經(jīng)空區(qū)內(nèi) 10余次不同規(guī)模的高臺(tái)階大孔徑深孔爆破,成功地處理了多處采空區(qū),實(shí)踐證明該方法是露天采場內(nèi)行之有效的空區(qū)處理方法。而該空區(qū)處理方法的前提條件是,必須對(duì)采空區(qū)進(jìn)行準(zhǔn)確探測。

2 采空區(qū)地質(zhì)勘探

2.1 采空區(qū)地質(zhì)勘探目的和意義

根據(jù)礦山生產(chǎn)要求,將原有的地質(zhì)資料勘探網(wǎng)格加密,并將地質(zhì)勘探與空區(qū)探查相結(jié)合,在露天采場布置 25 m×25 m地質(zhì)勘探網(wǎng)。

(1)通過加密網(wǎng)格進(jìn)行地質(zhì)詳勘,并取樣、化驗(yàn)礦石品位,為評(píng)估儲(chǔ)量和計(jì)劃生產(chǎn)提供詳實(shí)的資料;

(2)探明地下采空區(qū)和盲空區(qū)的位置、頂板厚度、空區(qū)高度,為空區(qū)處理提供準(zhǔn)確的地質(zhì)資料;

(3)在爆破崩落區(qū)實(shí)施鉆探施工,探測采空區(qū)處理的效果和質(zhì)量,以保證生產(chǎn)的秩序和安全。

解決該礦區(qū)的極復(fù)雜地層鉆進(jìn)技術(shù)難題,有助于提高鉆探技術(shù)水平,也對(duì)類似復(fù)雜地層的地質(zhì)勘探具有借鑒作用。

2.2 采空區(qū)勘探技術(shù)難題

礦區(qū)內(nèi)上層巖層 (1450～1462水平)主要巖性為透輝石斜長石角巖;下層巖層 (1410～1450水平)主要巖性為石榴子石矽卡巖[5]。巖石堅(jiān)硬,可鉆性8～9級(jí),巖層間斷裂帶為泥質(zhì)碎屑物充填,斷裂帶兩側(cè)極為破碎。采用頂板爆破崩落處理空區(qū),即將空區(qū)頂板以上地層爆破崩落回填到采空區(qū)內(nèi),這種空區(qū)處理方式在臺(tái)階面上形成了大面積的爆破崩落區(qū)。此外,采空區(qū)和“盲空區(qū)”在露天生產(chǎn)和地表降水的影響下,頂板冒落引起臺(tái)階面塌陷,形成大面積的塌陷區(qū)。目前,采場內(nèi)地質(zhì)勘探鉆孔施工面臨的主要問題是由臺(tái)階塌陷或爆破崩落引起的復(fù)雜地層難以鉆進(jìn)、難以成孔、難以取樣,鉆探難題主要有:

(1)地層構(gòu)造復(fù)雜,坍塌和爆破崩落區(qū)巖石呈堆積狀,巖石被分割成大小不同的碎塊,鉆進(jìn)中孔壁易坍塌、掉塊,甚至埋鉆,難以成孔;

(2)采用鉆井液正循環(huán)方式鉆進(jìn),流體介質(zhì)漏失嚴(yán)重,無法取樣;

(3)常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法,鉆進(jìn)效率低,無法做到超前勘探、分析化驗(yàn)樣品,無法與現(xiàn)場生產(chǎn)進(jìn)度相配合,指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)時(shí)性較差。

(4)采用堵漏工序護(hù)壁時(shí),占用的時(shí)間過多,從而導(dǎo)致成本大幅度提高,施工周期延長。

由于礦區(qū)采空區(qū)頂板較薄,受地層裂隙發(fā)育及巖塊塌落后形成的空穴等因素影響,采用物理探測技術(shù)進(jìn)行空區(qū)勘探具有一定的誤差,探測數(shù)據(jù)無法有效地指導(dǎo)生產(chǎn)應(yīng)用,只能借助鉆孔探查法獲取更多的地下信息,需采用適合的鉆探技術(shù)對(duì)該礦區(qū)的礦藏儲(chǔ)量和地下采空區(qū)進(jìn)行詳細(xì)、準(zhǔn)確的地質(zhì)勘探。

3 貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)

針對(duì)采場存在的勘探技術(shù)難題,采用 SBC89/44外平式雙壁鉆桿 +GQ89型貫通式潛孔錘 +Φ96 mm反循環(huán)鉆頭組成的滿眼鉆具,實(shí)施反循環(huán)鉆進(jìn)工藝,鉆穿由塌陷或崩落形成的復(fù)雜地層,進(jìn)而探明下部的采空區(qū)。

3.1 設(shè)備與機(jī)具

采用 GSD-Ⅲ動(dòng)力頭型鉆機(jī),最大鉆進(jìn)行程 4 m,動(dòng)力頭扭矩 6.4 kN·m;阿特拉斯 XRVS466螺桿式移動(dòng)空壓機(jī),風(fēng)壓 2.5 MPa,額定風(fēng)量 25 m3/min;SBC89/44外平式雙壁鉆桿,外徑 89 mm,心管內(nèi)徑44 mm,單根長度 3 m;GQ89貫通式潛孔錘,結(jié)構(gòu)如圖1所示,性能及規(guī)格參數(shù)見表1。

3.2 反循環(huán)鉆頭設(shè)計(jì)

圖1 貫通式潛孔錘結(jié)構(gòu)原理

表1 GQ89貫通式潛孔錘性能及規(guī)格參數(shù)

反循環(huán)鉆頭球齒外出刃 96 mm,鉆頭體外徑 92 mm,鉆頭排氣通道由底噴孔和內(nèi)噴孔、雙流體通道構(gòu)成,見圖2。氣體由底噴孔噴射后形成受限貼附射流,由于中心通道過流斷面積較大,壓縮空氣會(huì)向中心通道內(nèi)側(cè)流動(dòng)。同時(shí),漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)壓槽有利于在氣體膨脹過程中形成反循環(huán);此外,在鉆頭花鍵位置開設(shè)了斜向上的內(nèi)噴孔,使部分流體不僅過孔底直接進(jìn)入中心通道,形成強(qiáng)力的向上抽吸力。在底、內(nèi)噴孔共同作用下形成反循環(huán),攜帶巖屑上返至地表。即使孔內(nèi)破碎、漏失,仍能形成反循環(huán)取樣。

將計(jì)算流體力學(xué)理論和商用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT運(yùn)用于反循環(huán)鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并對(duì)孔底流場進(jìn)行模擬仿真,如圖3所示。氣體通過底噴孔向下噴射出后,在孔底形成漫流區(qū),少部分氣體向鉆具外側(cè)流動(dòng)而形成正循環(huán),大部分氣體向內(nèi)流動(dòng)形成反循環(huán)。提高鉆頭反循環(huán)效果的關(guān)鍵就是減少正循環(huán)氣流。通過室內(nèi)試驗(yàn)、模擬仿真及應(yīng)用實(shí)踐證明:內(nèi)噴射孔鉆頭能有效地解決地層孔底漏失問題,即使孔底漏失嚴(yán)重,仍能形成反循環(huán)。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的鉆頭,內(nèi)噴孔與中軸線的夾角α的最優(yōu)角度為25°～30°;內(nèi)噴射孔與底噴孔的過流斷面積最優(yōu)比之比大于 1。實(shí)際設(shè)計(jì)工程中采用 3個(gè)Φ8 mm的內(nèi)噴射孔,2個(gè)Φ7 mm的底噴孔,內(nèi)噴孔與底噴孔的當(dāng)量直徑之比約為 1.95∶1。該類型鉆頭反循環(huán)效果良好,工作壽命長。

圖2 反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)

圖3 反循環(huán)孔底流場模擬

3.3 鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

(1)鉆壓。潛孔錘鉆進(jìn)軸向鉆壓主要是為了克服鉆頭沖擊孔底巖石時(shí)的反彈力,以保證沖擊能量有效地通過鉆頭傳遞給孔底巖石,應(yīng)用中選擇的鉆壓為 4.5～8.0 kN。

(2)轉(zhuǎn)速。通過理論計(jì)算和現(xiàn)場試驗(yàn),確定最優(yōu)轉(zhuǎn)速為 20～35 r/min;

(3)風(fēng)壓。風(fēng)壓過高會(huì)導(dǎo)致鉆具和鉆頭的疲勞損壞,風(fēng)壓過低則鉆進(jìn)效率過低且無法發(fā)揮空壓機(jī)的潛力,最優(yōu)風(fēng)壓為 1.4～1.8 MPa;

(4)風(fēng)量。潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)所需的風(fēng)量主要取決于攜帶巖樣上返所需的風(fēng)量和空壓機(jī)的額定風(fēng)量,實(shí)踐中風(fēng)量為空壓機(jī)的風(fēng)量,25 m3/min。

4 施工應(yīng)用

4.1 施工方案與現(xiàn)場應(yīng)用

首先采用 GQ146貫通式潛孔錘 +Φ153 mm取樣鉆頭開孔,下入Φ146技術(shù)套管護(hù)壁,以防止孔口坍塌掉塊。然后更換 SBC89/44外平式雙壁鉆桿 +GQ89型貫通式潛孔錘 +Φ96 mm反循環(huán)鉆頭,直接穿過塌陷或崩落地層到達(dá)設(shè)計(jì)孔深;如遇空區(qū)時(shí),探測空區(qū)的頂板、高度等參數(shù),即可終孔。如果空區(qū)高度較低或生產(chǎn)需要時(shí),也可選擇穿越空區(qū)繼續(xù)鉆進(jìn),直至鉆至下一層采空區(qū)后終孔。在鉆進(jìn)過程中通過反循環(huán)方式可連續(xù)獲取巖樣,巖樣通過地表的旋流取樣器收集后,進(jìn)行化驗(yàn)分析。

以 ZK2152號(hào)鉆孔為例,分別在 18～23.6 m和33～38 m孔段遇到采空區(qū),最終穿越 2層空區(qū)后鉆至設(shè)計(jì)孔深 65 m后終孔。利用上述鉆具組合在露天采場的爆破崩落區(qū)成功施工了 24個(gè)空區(qū)勘探孔,均探明孔底采空區(qū)和“盲空區(qū)”的頂板高度、空區(qū)高度、底板深度等數(shù)據(jù),最大空區(qū)高度為 34.0 m,為礦山空區(qū)處理和安全生產(chǎn)提供了詳實(shí)的地質(zhì)數(shù)據(jù)。

4.2 施工實(shí)踐總結(jié)

現(xiàn)場施工實(shí)踐證明,貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)組成的外平式鉆具能夠有效地解決塌陷和崩落區(qū)內(nèi)的鉆探技術(shù)難題,能夠在不注漿堵漏、不跟管護(hù)壁的情況下,穿越塌陷地層和崩落地層,實(shí)現(xiàn)探查下部采空區(qū)和地質(zhì)勘探的目的,具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

(1)有效地防止在極復(fù)雜地層中發(fā)生的孔壁坍塌、掉塊引起的埋 (夾)鉆事故。原因?yàn)?流體介質(zhì)實(shí)現(xiàn)閉式反循環(huán),避免對(duì)孔壁的沖刷;外平式鉆具為滿眼鉆具,鉆具環(huán)空最大間隙理論值僅為 3～4 mm(Φ96～Φ89),較小的間隙能防止掉塊和卡鉆,近乎外平的鉆具可避免發(fā)生埋鉆、夾鉆事故;潛孔錘鉆進(jìn)工藝參數(shù)的特點(diǎn)是低鉆壓、低鉆速,能減輕鉆桿旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)孔壁的擾動(dòng),有效地保護(hù)孔壁。

(2)專用的反循環(huán)鉆頭在嚴(yán)重漏失的地層仍能夠形成反循環(huán),采集的巖屑的質(zhì)量和取心率能夠滿足地質(zhì)勘探的需要,這個(gè)特點(diǎn)是其他常規(guī)鉆探方法無法實(shí)現(xiàn)的。

(3)貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)在堅(jiān)硬、破碎地層實(shí)施地質(zhì)勘探和采空區(qū)探查時(shí),機(jī)械鉆進(jìn)效率高,機(jī)動(dòng)靈活,能夠滿足現(xiàn)場生產(chǎn)的需要。

5 結(jié) 論

利用貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù),在河南三道莊鉬礦極其復(fù)雜條件下的礦區(qū)開展實(shí)踐應(yīng)用,有效地解決了礦區(qū)勘探存在的鉆探工程難題,在塌陷和爆破崩落地層成功地實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)勘探和采空區(qū)探查,為礦山的安全生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展提供了詳實(shí)的地質(zhì)資料,經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益十分顯著。

通過應(yīng)用,也使該項(xiàng)技術(shù)不斷完善,為我國礦山地下采空區(qū)的鉆孔探查和地質(zhì)勘探提供了一種先進(jìn)的鉆探工藝和技術(shù)儲(chǔ)備。

[1]劉敦文,古德生,徐國元.地下礦山采空區(qū)處理方法的評(píng)價(jià)與優(yōu)選[J].中國礦業(yè),2004,13(4):52-55.

[2]鄧紅玲,王春帥,星玉才,等.三道莊鉬鎢礦區(qū)采空區(qū)安全性評(píng)價(jià)[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),2007,18(2):65-69.

[3]秦豫輝,程秀升,李春曉,等.三道莊礦區(qū)不規(guī)則空區(qū)處理[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2004,24(1):27-29.

[4]林衛(wèi)星,程建勇,歐任澤.地下多層復(fù)雜空區(qū)處理的工程實(shí)踐[J].爆破,2009,26(6):31-34.

2010-10-18)

劉 軍 (1976-),男,山東泰安人,工程師,從事礦山生產(chǎn)技術(shù)管理工作,Email:l mliujun@163.com。