鈾礦地質繩索取芯高效鉆進技術優化研究

[摘要]針對傳統技術在鈾礦地質繩索取芯鉆進施工應用中取芯率較低，為此提出鈾礦地質繩索取芯高效鉆進技術優化研究。通過改良繩索取芯鉆具鉆頭材料、彈卡機構以及鉆桿結構，實現對繩索取芯鉆具優化；根據對鈾礦地質繩索取芯鉆孔進行模擬計算，將鉆孔直徑調整為150mm；將原來鉆進技術中所使用的定向鉆進工藝優化為復合鉆進工藝，以此實現鈾礦地質繩索取芯高效鉆進技術優化設計。經實驗證明，優化后的繩索取芯高效鉆進技術取芯率高于傳統技術，更適用于鈾礦地質繩索取芯高效鉆進施工。

[關鍵詞]鈾礦；繩索取芯；鉆進技術；復合鉆進工藝；螺桿馬達

繩索取芯高效鉆進技術是現代地質鉆進作業中必不可少的一項鉆取技術，利用專業鉆具向地下進行鉆孔，當鉆芯管內充滿巖石后，借助專門的巖石打撈工具，將管內巖石取出。正常情況下，當鉆具鉆入到巖石內部后需要花費大量的時間將巖芯取出，并且巖芯取出的時間長短與鉆孔的深度有直接關系，鉆孔越深，巖心取出的時間越長[1]。而繩索取芯高效鉆進技術不同于一般普通的鉆進技術，節省了繩索取芯鉆具獲取巖芯的步驟，有效提高了繩索取芯鉆進效率。由于繩索取芯高效鉆進技術施工步驟簡單、易于操作，已經被廣泛應用于地質勘查領域中。但是地質繩索取芯高效鉆進技術在鈾礦地質環境中，所取得的鉆進效果比較差，鈾礦地質結構比較復雜，巖石層硬度較高，大多數情況下鈾礦地質鉆進作業對鉆孔深度要求比較高，而現有的繩索取芯高效鉆進技術在鈾礦地質鉆進作業實際應用中，繩索取芯率比較低，已經無法滿足鈾礦地質鉆進需求，為此提出鈾礦地質繩索取芯高效鉆進技術優化研究。

1.鈾礦地質繩索取芯高效鉆進技術優化設計

1.1繩索取芯鉆具優化

根據鈾礦地質取芯鉆進作業需求，首先對繩索取芯高效鉆進技術的鉆具進行優化。鈾礦地質結構硬度較高，為了方便鉆具更好地切割鈾礦地質成功獲取到巖芯，將鉆具鉆頭材料由原來的鉻金屬改為金剛石，金剛石材料制作的鉆頭硬度更高，并且切割面更加鋒利，選擇表面光滑，形狀呈圓形的金剛石制作繩索取芯鉆頭[2]。其次在原有繩索取芯鉆具結構基礎上增加彈卡定位機構，彈卡定位機構主要由彈卡彈簧、彈卡鉗、扶正器以及彈卡室四部分構成，其結構如下圖所示。

傳統繩索取芯高效鉆具是通過提拉外部的回收管，借助回收管將巖芯固定住，并將施加在回收管上的力通過卡鉗將力轉移到巖芯上，從而實現對巖芯的提取。在這一過程中回收管的巖芯很容易將卡鉗擋住，此時繩索取芯鉆具就會被卡死，無法將巖芯順利從鉆孔中提取上來[3]。為了避免出現這一現象，此次將原有繩索取芯鉆具的卡鉗機構優化為彈卡機構，當回收管向下提取巖芯時，借助彈卡彈簧上的力，將彈卡鉗向外張開一定角度，這時扶正器的管口與回收管的管口重合，巖芯經過扶正器扶正，避免回收管中的巖芯擋住卡鉗，彈卡鉗在彈簧的作用下繼續向外張開，促使回收管內的巖芯向上提起，以此可以順利將巖芯取出。

原有繩索取芯鉆進技術在施工作業時，采用的是外徑為85.25mm，內徑為75.25mm的鉆桿，鉆桿在鉆進過程中會遇到一定的流量，當桿內流量一定時，橫截面越小流量的流速越大，此時會對桿內產生一定的壓力，如果壓力過大將不利于鉆桿鉆進，桿內的壓力會抵消一部分鉆桿鉆進的切割力[4]。為了提高鉆桿鉆進質量，采用一個外徑為65.25mm的泵送閥片安裝在泵口處，泵送閥片的制作材料選用聚酯樹脂材料，這種材料具有較強的耐熱性，利用聚酯樹脂材料制作泵送閥片，將其安裝在泵口處，當繩索取芯鉆進設備在鉆進過程中，轉子的轉動帶動泵送閥片磨損，聚酯樹脂材料制作的泵送閥片高溫后會發生膨脹變形，使鉆桿與懸掛環壓蓋之間不會產生縫隙，從而減少鉆桿內流量壓力的產生，從而確保鉆桿順利完成投送任務，以此完成繩索取芯鉆進優化。

1.2鉆孔結構優化

傳統繩索取芯高效鉆進技術的鉆孔直徑為140mm，而鈾礦鉆孔多為高位大直徑定向鉆孔，鉆孔結構要求不同于普通的礦層鉆孔繩索取芯。正常情況下，鈾礦是以露天開采方式為主，鈾礦工作面后方采空區內的鈾礦礦石通過下覆巖層中的縫隙向下運動，通過繩索取芯高位鉆孔將其抽出地面[5]。鈾礦礦區工作面上的高位鉆孔相當于一條鈾礦取芯通道，孔口連接工作面，孔底連接采空區，鉆孔內的壓力為實際抽采壓力，繩索取芯鉆孔的直接大小與最終取芯的效果有直接的關系，在已知鉆孔壓力、鉆孔深度等條件下，利用HISDF軟件對鈾礦地質繩索取芯鉆孔進行模擬計算。經過模擬計算發現，隨著鈾礦地質繩索取芯鉆孔直徑的增大，鉆孔內鈾礦抽采壓力也隨之不斷增大，100mm的鉆孔平均鈾礦抽采能力為3.45m/min，而110mm的鉆孔平均鈾礦抽采能力為5.84m/min，同比增長45%。當鉆孔直徑為150mm時，鉆孔平均鈾礦抽采能力可以達到12.46m/min，達到最大值。因此，將鈾礦地質繩索取芯鉆孔直徑調整為150mm，繩索取芯高效鉆進技術中鉆孔最大直徑僅為145mm。采用二次擴孔技術，先用繩索取芯高效鉆進技術以鉆孔直徑為100mm鉆孔鉆進，然后再將孔徑增加到150mm，這樣可以提高鈾礦地質繩索取芯效率。

1.3鉆進工藝優化

目前現有的繩索取芯高效鉆進技術在鉆進施工中主要是采用定向鉆進工藝，這種鉆進工藝可控性比較小，主要是依靠高壓泥漿帶動繩索取芯鉆具鉆頭高速轉動，其轉動方向是固定的，但是當鉆頭遇到比較硬的巖石時，鉆頭的鉆進方向會發生一定的偏差，導致繩索取芯設備螺桿馬達工具不能保持穩定的方向，鉆取的鉆孔孔壁比較粗糙，并且鉆孔垂直方向會發生傾斜，鉆桿在提升過程中會與鉆孔孔壁發生摩擦和碰撞，導致鉆桿內的巖芯發生脫落，繩索取芯率嚴重降低[6]。為了提高鉆孔質量，進而提高鈾礦地質繩索取芯率，此次將傳統的鉆孔定向鉆進工藝優化為復合鉆進工藝，這種工藝是在繩索取芯鉆進初始階段采用鉆孔定向鉆進方式鉆進，當達到一定深度時，調整螺桿馬達工具面向角來控制鉆具的鉆進方向，避免繩索取芯鉆具發生偏離，擴大鉆孔直徑，將繩索取芯鉆孔的傾斜率降到最低。同時在鉆進過程中沿著鉆桿噴水，噴水的作用是減少鉆具與鉆孔孔壁的摩擦，使鉆孔孔壁表面光滑，從而使鈾礦巖芯能夠順利采取上來。通過以上對鉆具、鉆孔結構以及鉆進工藝的優化，實現了鈾礦地質繩索高效取芯鉆進技術優化研究。

2.實驗論證分析

實驗以某鈾礦為實驗對象，該鈾礦鉆探孔設計孔深為1150m，終孔深度為1245.56m，要求每個鉆孔的直徑不應小于130mm，實驗利用傳統技術與優化后的技術對該鈾礦地質進行繩索取芯鉆進施工。根據該鈾礦實際情況，確定了繩索取芯鉆進參數，如下表所示。

鉆進過程中，將全孔鉆壓控制在1250～1350kg范圍內，初始階段繩索取芯鉆頭保持勻速鉆進，平均線速度保持在2.46～3.56m/s范圍內，繩索取芯鉆頭鉆進深度達到200m后提高鉆進速度，平均線速度保持在4.52～5.42m/s。并且繩索取芯鉆頭唇面面積沖洗液控制在4.65～6.45L/min，泵量在45～46L/min范圍內，按照上述過程進行繩索取芯鉆進施工。實驗將該鈾礦分成7個區域，每個區域的鉆孔數量均為300個，對每個鉆孔的取芯質量進行檢驗，計算每個鉆進區域的繩索取芯率，將其作為檢驗優化前后兩種技術有效性的唯一指標，實驗結果如下表所示。

從上表中數據可以看出，應用優化后的繩索取芯高效鉆進技術，鈾礦地質繩索取芯率比較高，成功完成了預定孔深600m，取芯率90%的目標，最高取芯率可以達到99.94%；而應用原有技術，鈾礦地質繩索取芯率比較低，雖然成功完成了預定孔深600m，但是取芯率沒有達到預定目標，遠遠低于優化后的鈾礦地質繩索取芯高效鉆進技術，因此實驗證明了，優化后的技術具有良好的鈾礦地質繩索取芯高效鉆進效果，技術性能有了較大的提升，相比較傳統技術更適用于鈾礦地質繩索取芯高效鉆進施工作業。

3.結束語

此次結合鈾礦地質特征以及鈾礦地質繩索取芯鉆進需求，對原有的繩索取芯鉆具、鉆孔結構以及鉆進工藝進行了優化，實現了鈾礦地質繩索取芯高效鉆進技術優化，有效提高了鈾礦地質繩索取芯率，有助于提高鈾礦地質繩索取芯效率以及質量，對鈾礦地質鉆進施工提供了有力的技術支撐，為鈾礦地質繩索取芯高效鉆進提供了參考依據。

[參考文獻]

[1]李武勝，王虎，李勇，等.貴州紫金簸箕田2金礦主及副井工程地質水文地質鉆孔施工技術[J].中國金屬通報，2021（04）：161-162.

[2]裴森龍，李高，李博.復雜地層金剛石繩索取芯鉆探斷鉆具事故處理[J].內蒙古煤炭經濟，2021（03）：182-184.

[3]黃才啟，熊青山，黃全宜.煤田繩索取心鉆探應建立新的行業鉆探體系[J].鉆探工程，2021，48（09）：72-81.

[4]李展華.淺談繩索取芯在陽春銅多金屬礦區普查項目中的應用[J].西部探礦工程，2020，32（12）：77-78.

[5]李劍鋒.繩索取芯鉆探在復雜地層礦區施工技術措施[J].冶金管理，2020（15）：10-11.

[6]蔡知，蔣杰.低固相泥漿體系在煤田繩索取芯鉆探工藝的應用[J].西部探礦工程，2020，32（06）：75-78.