繩索取心鉆進技術在云南紅牛銅礦坑道鉆探水平孔施工中的應用

何 文，張 航

（云南省有色地質局三0八隊，云南 個舊 661000）

1 工程概況

2018年8月，云南省香格里拉紅牛銅礦為探明銅礦資源儲量，同時為指導礦山開采，委托筆者單位--云南省有色地質局三0八隊進行坑內鉆探施工工作。本次工程設計坑內鉆探6293m/99孔，平均設計孔深63.56m；該批鉆孔主要以0°水平孔為主，有少部分下斜孔和上斜孔，最大角度分別為-42°和+55°，最深設計鉆孔180m，施工地點均位于巷道中。

2 鉆探設備和器具的選擇

由于本次工程設計鉆孔多數為深度較淺的水平孔和上斜孔，結合筆者單位多年坑內鉆施工經驗，配套的主要設備有KD-300型全液壓坑道鉆機，NQ（75mm）水平孔繩索取心鉆具及附屬裝置，1.5mNQ繩索鉆桿，BW－250型泥漿泵，金剛石繩索取心鉆頭和擴孔器。

2.1 KD-300型全液壓坑道鉆機

KD-300型全液壓坑道鉆機是一臺能施工300m（φ75mm）以內鉆孔的設備，可滿足多角度鉆孔施工，主要特點有：

（1）采用全液壓動力頭頂驅動結構，動力頭的通孔直徑大，適用于各種鉆進方法。

（2）鉆機可分為主機，泵站，操縱臺三部分，分體性好，搬運方便。

（3）鉆機具有較高轉速和合理的轉速范圍，能滿足小口徑金剛石鉆進，繩索取芯鉆進，大口徑硬質合鉆進及其他工程孔鉆進。

（4）液壓系統采用雙泵供油系統，效率高，功率損失小。

（5）給進系統中，液壓缸直接給進與起拔鉆具，給進起拔能力大。可調節給進壓力給進速度，以適應各不同地層鉆進需要。

（6）鉆進，拉送鉆具及接卸鉆具由卡盤，夾持器，液壓給進缸聯動實現，操縱簡便，機械化程度高。

（7）操縱臺集中控制，操縱簡便，人員遠離孔口，有利于人身安全。

2.2 NQ （75mm）水平孔繩索取心鉆具

坑內水平孔或上斜孔鉆進若想采用繩索取芯工藝，最大的難點在于如何下放內管總成和打撈器。正常的下斜孔鉆進中，內管總成和打撈器可以通過重力自由下放，而水平孔鉆進則無法實現這一點。NQ（75mm）水平孔繩索取心鉆具（如圖1）則通過水力（泵壓）輸送內管及打撈器，完美解決了上述難點。另外水平孔鉆進鉆具的軸線與重力方向垂直，受力情況明顯較差，易出現彈卡定位不可靠、撈矛頭偏移致使打撈失敗等問題，因此該鉆具設計了撈矛頭持心裝置及復合彈卡定位結構來解決此問題。

圖1 NQ（75mm）水平孔繩索取心鉆具

2.3 鉆具附屬裝置

鉆具附屬裝置設計了水力輸送打撈器(如圖2)和通纜式水接頭(如圖3)，采用高壓泥漿來泵送和打撈內管總成。首先將鋼絲繩穿過通纜式水接頭，連接在水力輸送打撈器的繩卡套上，然后將打撈器放入鉆桿內，接好水接頭，開動泥漿泵實現輸送。通纜式水接頭對鋼絲繩的通過起密封作用，密封件為橡膠墊，壓塊起到定位和保護橡膠墊的作用。

圖2 水力輸送打撈器

圖3 通纜式水接頭

2.4 BW-250型泥漿泵

此次工程中配備了BW-250型泥漿泵，是地質巖心鉆探施工中較為常用的設備。該泵為臥式三缸往復單作用活塞泵，有兩種缸徑和四檔速度。具有壓力高、泵量大、操作靈活、便于搬遷的特點，能夠完全滿足此次水平孔、上斜孔施工中輸送內管及正常鉆進的要求。

2.5 NQ （1.5m）繩索鉆桿

水平孔鉆進時，由于鉆桿軸線與重力方向垂直，鉆桿緊貼下孔壁回轉，摩擦阻力較大，與垂直孔相比，所承受的扭矩要大得多，鉆桿磨損也較嚴重。同時由于受坑道尺寸限制，傳統的3m長繩索鉆桿無法滿足施工條件，因此在該工程中我們采用了金石鉆探（唐山）股份有限公司生產的1.5m繩索加強鉆桿，該鉆桿比普通的繩索取心鉆桿壁厚，有更高的強度和耐磨性。

2.6 鉆頭與擴孔器

由于常規的NQ鉆桿外徑為70mm，鉆頭方面選擇了配套的NQ金剛石鉆頭和NQ金剛石擴孔器，鉆頭外徑為75mm，擴孔器外徑為77.7mm，保證合理的孔徑。考慮到鉆進地層以灰巖為主，巖石硬度為中硬，因此鉆頭胎體硬度以HRC20-25為主。

3 施工工藝參數

3.1 沖洗液（泥漿）選擇

由于紅牛礦區施工的巖石以灰巖為主，地層較完整穩定，因此選擇聚丙烯酰胺+高效潤滑劑作為沖洗介質。一是能更好的冷卻鉆頭、排除孔內巖粉；二是能有效潤滑鉆具與鉆桿，改善鉆桿與孔壁的摩擦作用，延長鉆頭、鉆桿壽命，提高施工效率；三是與傳統的膨潤土粉+植物膠配置的泥漿相比，用量少、成本低。

3.2 鉆壓、轉速及泵量的選擇

在合理范圍內，鉆壓越大，鉆進速度越快；但過大的鉆壓易使金剛石鉆頭消耗加劇，甚至產生金剛砂脫落及胎體崩壞等情況，反而影響施工效率。所以在該工程中，鉆壓在易鉆地層中基本選擇在9-12KN，在個別堅硬地層時12-18KN。

通常情況下，繩索取心鉆進需要通過高轉速來實現高效率鉆進的目的，但與下斜孔鉆進不同的是，水平孔鉆進過程中由于鉆桿與孔壁產生的摩擦較大，過高的轉速會加劇鉆桿磨損，導致斷鉆事故的發生。所以在該工程中，轉速一般控制在267-574 r/min，并且隨孔深增加而降低。

在該工程中，由于鉆孔孔深不大，泥漿泵的泵量選擇一般為52L/min或90L/min，泵送和打撈內管總成時，為了提高效率，泵量適當調大。

3.3 其他工藝參數選擇

鉆孔開孔時，由于受巷道尺寸的限制，一般采用普通金剛石單管短鉆具進行開孔鉆進，鉆至5m左右換用NQ（75mm）水平孔繩索取心鉆具一鉆到底。

4 施工情況小結

該工程于2018年11月20日開鉆，2019年5月21日竣工，共計完成鉆孔66個（其中水平孔51個，上斜孔10個，下斜孔5個），鉆探進尺合計4049.53m（平均孔深61.36m），鉆孔平均取芯率達到90%以上。同時，施工進度比預期提前1個月完成任務，獲得了業主方的較高評價。

通過該工程的實施，得出以下幾點小結：

（1）此次工程采用KD-300型全液壓坑道鉆機、NQ（75mm）水平孔繩索鉆具鉆桿以及BW-250型泥漿泵等設備，同時選擇合理的施工工藝，能較好的適應云南香格里拉紅牛礦區的坑道內鉆探工作。

（2）用坑道鉆探代替地表鉆探對礦區進行勘探，可以避免破壞地表覆蓋層和避開淺部采空區，既節省鉆探工程量，又可簡化鉆探工藝，加快工作進度，降低成本。

（3）水平孔繩索取心鉆探工藝與傳統的普鉆工藝相比，省去了起下鉆打撈巖心的工序，不僅能減輕勞動強度，還能減少鉆進輔助時間，極大的提高了施工效率。

（4）隨著鉆探技術的不斷進步，水平孔繩索取心鉆探工藝將會有更好的改善，并在今后的坑道勘探工作中應用越來越廣。