山西五臺縣東腰莊金礦勘探鉆探施工工藝研究與應用

張迎春

（山西省第三地質工程勘察院，山西榆次030620）

1 概況

本項目是山西省第三地質工程勘察院擁有勘查許可證的探礦權，勘查項目名稱為山西省五臺縣東腰莊金礦勘探，地理位置：山西省忻州市五臺縣，勘查區面積5.30km2，勘查礦種為巖金礦。

勘探工作的目的是詳細查明區內成礦條件、礦體分布特征、礦體規模、產狀及資源量，詳細查明勘查區開采技術條件，對區內共、伴生有益、有害元素進行評價，確定礦床開采的首采區。為滿足辦理采礦許可證的需求，編制《山西省五臺縣東腰莊金礦勘探地質報告》。

主要任務是通過1：2000地形地質測量、系統的水工環地質測量、鉆探工程、槽探工程揭露以及采樣、分析測試等手段，詳細查明勘查區內礦體成礦條件、礦體規模、產狀及礦石資源量，同時對區內共、伴生有益、有害元素進行評價。

勘查區共施工有鉆孔57個，總進尺15839.57m；其中本次工作施工鉆孔52個(其中傾角為85°，偏斜方位為140°的斜孔25個)，采用金剛石繩索取芯鉆進，終孔孔徑75mm。完成工作量詳見表1。

表1 本次工作完成工作量統計表

2 勘查區地質情況

勘查區內地層70%以上為第四系覆蓋。出露的基底地層有新太古界五臺群的石咀亞群柏枝巖組和臺懷亞群蘆咀頭組、鴻門巖組以及古元古界滹沱群四集莊組的變質巖系，主要巖石類型有絹云綠泥鈉長片巖、絹云鈉長片巖、絹云鈉長綠泥片巖及五臺期變質輝綠巖脈。

勘查區內的地層、構造對鉆探施工的影響是較大的，鉆遇地層巖石堅硬，節理不發育，巖芯易采取。巖石含水性弱，鉆進過程中不易發生漏失、造漿等，但研磨性強、可鉆性級別高，鉆進效率低。受地層產狀影響，鉆孔偏斜率易超差。

3 施工內容及流程

本項目工作施工內容及施工流程如表2所示。

4 鉆探設備的選擇確定

由于工期要求緊，工作量大，為了保證按期完成任務，根據鉆孔的目的和深度設計要求，共配備4臺套鉆 機，其配套設備如表3所示。

表2 施工內容及施工流程

表3 主要設備器材表

每臺鉆機配備鉆具：

?110mm普通鉆具1套，帶取粉管；

?73mm繩索鉆桿，?75mm雙管單動鉆具鉆具2套，帶內外管及總成。720m；

?91mm套管，30mm。

5 鉆進工藝

5.1 鉆孔結構及鉆進參數的選擇確定

5.1.1 鉆孔結構

一開：0～20m,地層一般為坡積物及風化層，及溝底的卵礫石層。無取芯要求，采用?110mm復合片鉆頭。下入?91mm套管。

二開：20～701m地層為絹云鈉長片巖、綠泥片巖、輝綠巖，采用?75mm金剛石鉆頭鉆進。

5.1.2 鉆進參數

根據所鉆地層的巖性及設計的鉆孔結構，選擇確定的鉆進參數如表4所示。

（1）開孔段鉆進。開孔段地層一般為坡積物及風化層，及溝底的卵礫石層。開孔段鉆進必須選用較鋒利的鉆頭，鉆進中鉆桿不得有偏擺，輕壓、慢轉，轉速均勻。要采用較稠的膨潤土泥漿、大泵量的方法，鉆到完整基巖后下入孔口管，然后更換低固相泥漿。

（2）絹云鈉長片巖、綠泥片巖、輝綠巖鉆進。該地層為較完整的基巖，巖層產狀傾向320°～350°，傾角∠35°～55°，鉆孔方位角偏斜主要發生在此巖性段。在鉆進該地層時，應選用導向性好的階梯型、鋸齒形等穩斜鉆頭，金剛石目數40～60。嚴格控制鉆壓、降低鉆速，回次進尺控制在3m以內。要及時測斜，發現鉆孔偏斜要及時糾偏措施。這些措施基本保證了鉆孔偏斜率不超標。

表4 鉆進參數表

（3）礦層及頂底板鉆進。礦層為絹云鈉長片巖，頂底板為綠泥片巖、絹云綠泥片巖，巖性硬度中等且完整，采取率容易保證，嚴格按照金剛石繩索取芯工藝規范要求施工，滿足了設計及規范要求。

5.2 泥漿的配置及工藝

5.2.1 配方

根據地質資料分析，該礦區所鉆遇地層較完整，上部第四系覆蓋層局部巖層破碎，有漏失現象，下部基巖較為完整，礦層部位有破碎情況。為此，根據地層情況，優選出泥漿配方如下：

（1）覆蓋層：由于覆蓋層較薄，施工中采用了泥漿粉配置低固相泥漿鉆進。基漿：優質膨潤土，加純堿（Na2CO3）進行24h以上預水化處理。處理劑鈉羧甲基纖維素（CMC）。

（2）基巖孔段：選用聚合物磺化泥漿，構成：基漿+主處理劑。

基漿：膨潤土，加純堿（Na2CO3）。

主處理劑：磺化褐煤（SMC）、磺化酚醛樹脂（SMP-1）、鈉羧甲基纖維素（CMC）。

主要配方：膨潤土（4%～8%）、CMC(0.1%～0.3%)、SMC(3%～5%)、SMP-1（1%～3%）。

實踐證明，這套泥漿體系是可行的，成功地穿過了厚度達300～700余米的絹云鈉長片巖、綠泥片巖、輝綠巖裸孔鉆進，有效地減少了事故發生，減緩了鉆孔偏斜。

5.2.2 泥漿操作工藝要點

（1）處理維護泥漿添加處理劑時，應以細水長流的方式加入，勤測泥漿性能，保持其性能穩定，如果出現指標不合適應及時調整。

（2）鉆進過程中，當需要對泥漿進行大、中型處理時，應停止鉆進施工，將鉆具下放鉆到孔底，至少維持正常循環1個循環周后，再停鉆開始處理泥漿工作。

（3）當需要大量補充泥漿時，新配置的泥漿液的類型和基本性能應與孔內泥漿相符，加入時應攪拌均勻，然后再混入泥漿池中。

（4）爭取實現平衡地層壓力鉆進，因此，在采用優質泥漿的同時，還需要在鉆進過程中嚴格控制提下鉆具的速度。在提鉆時，堅持回灌泥漿，平衡地層壓力，維持孔壁的穩定性，減緩或避免孔壁的坍塌。

5.3 繩索取芯鉆進技術

5.3.1 打撈巖芯困難

在打撈巖芯時，有時會出現打撈不上巖芯的情況，其主要原因是因為在上提內管過程中，卡簧會接收動能卡斷巖芯，而卡簧必須向下鎖住，上提運動才能卡斷巖芯，但在接近礦層時，地層較為破碎，如果鉆進時間太長，巖芯消耗量過大，導致卡簧無法正常工作，卡芯動作失效。因此，當接近礦層鉆進，或者在破碎帶鉆進時，要勤檢查，勤換卡簧，每次取芯完成后把卡簧套在取出來的巖芯上來回活動，試驗其能否卡住巖芯，如果有問題，要隨時處理卡簧，調整其間隙。

5.3.2 內管到位率低

鉆進施工中有時會出現內管到位率低，分析其的原因主要有以下幾個方面：

（1）內管投下后沒有預留足夠的沖孔時間，提前掃孔，過早地鉆進，在內管還沒有到位的情況下，巖芯已進入鉆頭內，造成打“單管”現象。

（2）使用中由于震動、敲擊、擠壓等作用，使固定撈矛頭和矛頭座的銷子變位，造成彈卡不能定位，而打“單管”。

（3）內外管間隙、彈卡在彈卡室的自由間隙配合不當，彈卡張開的最大距離受限，而失去定位作用。

（4）鉆桿彎曲、扁、有凹坑，鉆桿接頭變形，使內管下行受阻。

（5）彈卡磨損過度，張開后不能實現定位。

5.4 鉆探施工過程控制

5.4.1 鉆孔布設

按照設計，鉆孔位置用儀器定測放于實地，一般不隨意挪動鉆孔位置，部分鉆孔因占用林地、耕地或地形障礙、施工條件限制，經技術負責批準，可進了適當調整移動。

5.4.2 鉆機安裝

在開孔的時候要精確測量好位置，按照140°方位安裝塔基，鉆機安放時要平穩周正，確保孔位中心、立軸中心在同一中心直線上。對鉆機水平度、立軸垂直度、確認符合規范及設計要求后，填寫開鉆通知書、施工設計書后方可開鉆。

5.4.3 孔深校正

鉆孔每鉆進50m及進出含礦層各校正一次孔深，校正后的孔深在班報表上進行修正。終孔后校正一次。經實測，完成的鉆孔孔深絕對誤差一般為0.00～0.10m，相對誤差0.00%～0.41%，孔深校正相對誤差均小于3‰，符合規程要求。

5.4.4 彎曲度測量及控制措施

鉆孔為斜孔鉆進，方位角140°,頂角5°,因此，每鉆進25m或50m必須進行天頂角和方位角測量。測量儀器為CX-6b型陀螺測斜儀。本項目鉆孔共測斜240次，一般方位角偏差在0°～12°，孔斜偏差0°～11.2°，每百米孔斜均未超過3°，符合規程要求。

5.4.5 簡易水文觀測

每班1～2次，記錄提鉆后和下鉆前水位。終孔測定穩定水位，觀測符合規程要求。

全區施工的鉆孔全部進行了簡易水文觀測，終孔后觀測穩定水位，觀測比例100%。

5.4.6 班報表記錄

記錄開鉆時間、施工設備型號、下鉆、提鉆時間及鉆進時間、回次進尺及巖心長度等現場工作情況。班報表記錄認真、齊全、準確、清晰、整潔。

5.4.7 封孔

封孔采用全孔水泥封孔，由地質人員制定“封孔設計書”，封孔采用325水泥，攪拌成漿后用水泵灌入，自下而上封閉，孔口埋設標記，標明鉆孔編號、孔深及日期。

封孔后未做封孔質量啟封檢查。2個水文孔和5個地質孔由地質人員現場監督封孔過程及封孔情況，比例13.46%。

5.4.8 巖礦芯保管

鉆探巖芯全部保存在巖芯庫，并繪制有巖芯平面位置圖。

鉆孔質量根據以上6項指標進行驗收，按照DZ/T 0078-2015《固體礦產勘查原始地質編錄規程》進行質量評定，本次工作施工鉆孔52個，其中優質孔49個，合格孔3個，優質孔率94.23%。

6 結語

中深斜孔鉆探施工難度較大，施工中的每一個環節都要認真對待和制定有效的防范措施，特別是裸眼孔段較長的鉆孔更要嚴格按照規范施工，并注意以下幾個要點：

（1）鉆機定位必須準確，地基基礎要穩定，安裝設備要牢固可靠，鉆進過程中不受干擾。

（2）所選擇的鉆具一定要保證強度高、耐磨性強、質量性能穩定，在頭次下鉆時最好在鉆桿外涂抹黃油，保持潤滑，減少鉆具與孔壁的摩擦，減少磨損，避免鉆具折斷事故。

（3）提下鉆具要穩，特別是隨著孔深的加深，鉆具內管總承下放速度一定要放慢，如果出現中途遇阻情況，要緩慢通過，不可猛墩強行下放。

（4）斜孔定向鉆進最大的問題就是由于鉆遇地層的變化，鉆孔頂角方位頂角容易出現超差偏離原來的設計軌跡，因此，在鉆進中鉆穿破碎帶、軟硬互層、構造帶時要及時測量鉆孔頂角和方位角，出現超差征兆時要及時采取措施，將鉆孔頂角方位頂角的狀況完全處于掌控狀態，不可盲目求快、偷懶，減少施工環節。