峰巖礦區提高巖芯鉆探施工效率的措施

徐日勇，方紅亮，杭 程

（江蘇省有色金屬華東地質勘查局江蘇華東地質工程有限公司，江蘇南京210007）

1 概述

鉛鋅作為重要原材料，廣泛應用在電氣工業、機械工業、軍事工業、冶金工業等領域，其中鉛金屬又應用于核工業、石油工業等部門，峰巖礦區從1995年開始由福建省地勘單位及我局礦勘院進行勘探工作，經過多年的勘探，探獲了鉛鋅礦等金屬礦體若干，對該礦區持續的勘探工作勢在必行；我單位承接了該礦區的巖芯鉆探工作，施工部門從礦區的地層、構造及巖漿巖等地質資料收集的基礎上，對該礦區前期的巖芯鉆探施工資料進行梳理，通過分析、對比及研究，尋找出影響該項目巖芯鉆探施工效率的要點，運用合理有效的手段和方案，使得巖芯鉆探施工效率得到明顯提高，項目及公司獲得較好的經濟效益，為今后在該區域巖芯鉆探施工提供借鑒。

2 礦區地質簡介

2.1 礦區地層

礦區內分布的地層為中上元古界龍北溪組、侏羅系梨山組、南園組及第四系，地層由老至簡述如下：

（1）中上元古界龍北溪組：中段為石英片巖、硅質巖、硅質大理巖、塊狀大理巖、白云片巖、薄層石英巖、白云質大理巖等，上段為綠色片巖夾大理巖、斜長片巖、石英片巖和薄層石英巖等。

（2）侏羅系梨山組：由泥質粉砂巖、含炭質頁巖、石英細砂巖組成。

（3）侏羅系南園組：為凝灰熔巖、熔結凝灰巖、流紋巖及凝灰質砂礫巖、砂泥巖。

（4）第四系：由腐植土、粉砂質粘土和粘土組成。

2.2 礦區構造

（1）褶皺構造：基本構造輪廓為梅仙復背斜。礦區地層呈單斜構造。

（2）斷裂構造：斷裂構造較發育，主要有北東向、北西向和近南北向3組。北東向斷裂較大的有：F3、F11、F12、F15等斷裂，多屬壓扭性斷裂，大部分被巖脈所充填；北西向斷裂有F14，為北東向斷裂的派生斷裂，屬張扭性平移斷裂；近南北向斷裂有F12，為近直立的高角度先壓后張斷裂，其中南北向F12、北東向F15分別穿過礦區的中部、東部。

2.3 礦區巖漿巖

在礦區北西見有北東向花崗斑巖脈出露，沿北東向斷裂侵入，在巖脈與含礦地層的接觸帶中見有鉛鋅礦化，分布在巖脈周圍的鉛鋅礦化較好，大部分礦體沿外接觸帶展布。

據礦區深孔施工揭露到花崗斑巖體，其附近見有磁鐵礦化及微裂隙、石英脈控制的輝鉬礦化。

某鉆孔淺地表揭露到較為厚大的閃長玢巖脈。

2.4 礦區變質作用與圍巖蝕變

（1）變質作用：最早作用于中上元古界地層，使玄武巖經區域變質形成綠色片巖、淺色片巖。

（2）圍巖蝕變：花崗斑巖脈附近的圍巖蝕變以硅化、陽起石化、磁鐵礦化為主，次為石榴石化、黃鐵礦化，遠離花崗斑巖的圍巖蝕變以硅化、綠簾石化為主，次為黃鐵礦化、碳酸巖化。

硅化、綠簾石化、碳酸鹽化主要共同產于綠簾透輝石巖、透輝綠簾石巖、巨晶透輝石巖等綠片巖系中。

通過以上地質資料的收集可以看出，本礦區巖芯鉆探施工中將鉆遇到的主要堅硬巖石包括：石英片巖、硅質巖、硅質大理巖等，由于該區域褶皺構造、斷裂構造等構造現象的存在，同時疊加硅化、綠簾石化、碳酸鹽化等蝕變現象，在巖芯鉆探施工中將可能出現巖石堅硬、地層破碎漏失、裂隙發育等巖芯鉆探施工難題；礦區內主要巖石機械物理性質一覽表見表1。

表1 礦區內主要巖石機械物理性質一覽表

3 施工效率的影響因素

3.1 地層因素

（1）破碎漏失：由于該礦區巖漿巖侵入，使該巖漿巖與地層的接觸部位極有可能呈現破碎狀態，而地層中存在著的泥質粉砂巖、凝灰質砂礫巖、砂泥巖等具有較好的透水性，使巖芯鉆探施工中的沖洗液將出現漏失現象。

（2）裂隙發育：由于礦區內存在褶皺構造及多組斷裂構造，使得巖芯鉆探施工中有可能鉆遇多條裂隙，將造成巖芯鉆探施工受阻等情況。

（3）巖石堅硬：由于礦區內存在硅化現象，硅化后的巖石其巖石硬度一般到達8級以上，將使巖芯鉆探施工出現進尺慢、鉆頭擴孔器消耗快及鉆頭不出刃等現象。

3.2 地下空洞因素

ZK301作為該項工程施工的第二個鉆孔，設計深度為500m，當施工鉆進至164.6m時鉆遇深度達到4m以上的盜采地下空洞（老硐）（見圖1），通過了解當地該類型的盜采地下空洞（老硐）較多，且屬于盜采狀態，無法提前預知所施工的區域是否存在盜采地下空洞（老硐），給巖芯鉆探施工帶來了不確定性。

3.3 材料因素

圖1 盜采地下空洞（老硐）示意圖

由于存在4m以上的盜采地下空洞（老硐），使得常規采購的管材（套管）的管體及絲扣連接部分，在其回轉過程中極易出現折斷現象，使巖芯鉆探施工受阻，從而影響施工效率。

4 提高施工效率的措施

4.1 選用合理的鉆進工藝

全孔采用金剛石繩索取芯鉆進工藝，開孔以?122mm口徑穿過第四系覆蓋層后下入?114mm作為井口管；第二口徑以?95mm鉆穿可能存在的老硐巷道、采空區后下入?89mm套管；最后以?75mm口徑鉆至設計孔深；鉆孔結構示意圖見圖2。

4.2 選用有效的鉆進參數及鉆具

圖2 鉆孔結構示意圖

鉆頭及鉆具的選用對地層的適應性是提高施工效率的關鍵因素之一，在選用鉆頭時盡量選用胎體硬度在HRC15～25之間、粒度100目左右的金剛石鉆頭，同時可考慮改變鉆頭唇面形狀（如鋸齒狀、階梯狀）及增加鉆頭水口數量，來實現減少鉆頭唇面與巖石的接觸面積，增大壓入巖石的單位壓力，達到提高鉆進效率的目的；鉆具選取參數詳見表2。

鉆進參數的有效選擇也是提高施工效率的重要因素之一，鉆進參數包括鉆壓、轉速和沖洗液量3個參數。對巖石進行刻取的直接對象為孕鑲金剛石鉆頭，其特點決定了通常采用以高轉速、低轉壓及大泵量的鉆進參數體系，這既要考慮到刻取巖石的速度，同時又要考慮到金剛石本身存在較脆和不耐高溫的等特點，因此必須采用適當較低的鉆壓和足夠的沖洗液量，使鉆頭既不過分損耗又得到充分冷卻。通過三者相互融合，實現施工效率的提升；鉆進參數表詳見表3。

表2 鉆具選取參數表

表3 鉆進參數表

4.3 選用高效的沖洗液（泥漿）配方

選用聚合物配以降濾失劑、防塌劑組成的不分散低固相沖洗液（泥漿）體系，添加并調節聚丙烯酰胺、纖維素、腐植酸鉀等添加劑的配比，使得沖洗液（泥漿）體系能滿足破碎漏失、裂隙發育等不同形式的地層，同時監控并利用燒堿（或純堿）調節該沖洗液（泥漿）體系pH值。該沖洗液（泥漿）體系應具有以下特點：

（1）固相含量低，用以提高鉆進速度及效率。

（2）具有良好的流變性，較強的剪切稀釋性和適宜的流型，沖洗液（泥漿）體系中分子間的橋聯作用使得具有較強的結構強度，不易被破壞。

（3）具有較強的觸變性，沖洗液（泥漿）在循環流動過程中，部分原有分子結構被破壞，當沖洗液（泥漿）停止循環后被破壞的分子能快速與機械破碎形成的巖石固相顆粒的分子間形成新的分子間結構，使其懸浮在沖洗液（泥漿）中，從而不易出現巖石固相顆粒堆積孔底形成沉砂，產生卡鉆等孔內事故隱患或下鉆不到底現象。

（4）具有較好的堵漏及穩定孔壁作用，可利用不同的配方而產生抑制巖石的吸水分散作用，減少對孔壁的沖刷現象；同時可通過添加一定量的堵漏劑，達到減小漏失量或封堵漏失的效果。

4.4 選用準確解決地下空洞（老硐）及材料方案

4.4.1 預防及處理措施

（1）準確測定鉆孔坐標和方位，以確保鉆孔施工軌跡避開已查明的地下空洞（老硐）位置。

（2）鉆進過程中鉆進至已查明的地下空洞（老硐）位置前，應采用鉆孔測斜儀連續測斜的方法，加強鉆孔彎曲度的檢測，當出現鉆孔施工軌跡偏向已查明的地下空洞（老硐）位置的風險時，應及時進行糾偏處理。

（3）如鉆孔施工過程中鉆入未知的地下空洞（老硐）區域時，則應及時停止鉆進施工，應對如繼續施工將對鉆孔施工產生何種影響進行評價，如評價后認為其影響較小或無影響的情況下，可考慮鉆穿該未知的地下空洞（老硐）區域，下入局部經過加強處理后的套管后，換徑繼續進行下一步的施工。

4.4.2 材料的準備及焊接

（1）對于?95mm口徑的鉆頭與擴孔器、擴孔器與鉆具、鉆具與鉆桿以及第一與第二根鉆桿之間進行焊接作業，并將連接處進行同心打磨。

（2）對?89mm口徑套管的第一與第二根間進行焊接作業，并焊接加強筋進行加固，同時進行同心打磨。

（3）準備素混凝土原料，必要時使用素混凝土灌入未知的地下空洞（老硐）內，降低未知的地下空洞（老硐）的垂直高度，加強下入的加強套管的穩定性。

4.5 選用硬巖鉆進的技術手段

（1）轉速：小口徑金剛石鉆進主要采用高回轉的鉆進方法，在施工時可通過采用調整泥漿液性能減小孔內阻力等措施，實現在較高轉速下施工的目的。

（2）鉆壓：根據不同的鉆頭口徑調節施工鉆壓適當高于正常鉆壓，使鉆頭金剛石能較好地出刃，提高刻取巖石的效率。

（3）沖洗液：在原有的沖洗液（泥漿）體系中適當增加高效潤滑劑等潤滑材料，實現減阻增效的作用。

（4）鉆進效率：在條件具備的情況下，試用“繩索取芯液動潛孔錘鉆探工藝技術”，用以解決鉆進效率不高等問題，從而實現施工效率的提升。

5 結論及建議

峰巖礦區巖芯鉆探項目共施工鉆孔16個，累計進尺7460m，巖芯鉆探施工質量、安全、環保等各項指標均達到相關要求，項目人員從礦區的地層、構造及巖漿巖等地質資料的收集，對該礦區前期的巖芯鉆探施工資料進行梳理，通過分析、對比，尋找出影響該項目巖芯鉆探施工效率的主要因素，運用有效的手段和方案，使得巖芯鉆探施工效率得到提高，項目及公司獲得較好的經濟效益，為今后在該區域巖芯鉆探施工提供借鑒，同時提出以下建議供同行們共同探討：

（1）針對未知的地下空洞（老硐）施工，應對施工人員進行專門培訓，選擇有類似經驗的施工人員進行施工作業，盡可能地減小地下空洞（老硐）對施工效率的影響。

（2）考慮到地層的特點不同，在使用鉆進參數時，應協調好各個參數間的匹配關系，靈活加以應用。