水平孔繩索取心鉆進技術在金礦坑道勘探中的應用

常江華，凡 東，劉慶修，史海岐，劉建林，楊偉峰

（中煤科工集團西安研究院，陜西西安 710077）

水平孔繩索取心鉆進技術在金礦坑道勘探中的應用

常江華，凡 東，劉慶修，史海岐，劉建林，楊偉峰

（中煤科工集團西安研究院，陜西西安 710077）

隨著淺部可采資源越來越少，對老礦山進行深部和外圍資源勘探的需求越來越迫切，坑道勘探是在老礦區進行深部資源勘探的一個捷徑。結合太白縣某金礦坑道勘探的鉆孔需求，采用了繩索取心水平鉆進工藝，合理選擇鉆機、鉆具及輔助裝備，完成了勘探工作，為國內采用水平孔繩索取心鉆進工藝施工坑道勘探鉆孔提供參考。

水平孔;繩索取心;坑道;鉆探

1 礦區勘探概況

太白縣某金礦位于西秦嶺中帶，陜西省寶雞市境內，礦區經歷了自太古宙以來的多期造山構造運動，具有復雜的構造演化史，礦床受大型剪切帶以及大型剪切帶內或旁側的剪切褶皺和剪切斷裂的控制，屬于較為典型的造山型金礦床。礦石類型以破碎帶蝕變巖型、構造蝕變巖型和石英脈型為主。

該礦目前正處于勘探階段，已探明的礦帶成扁豆形分布，礦帶狹窄處不過幾公分，但是金礦品位較高、易采、易選，主要賦存于黃鐵礦和鐵白云石中，伴生大量石英礦。

礦區以往采用的坑道炮掘勘探成本高、進度慢，難以滿足該礦快速完成勘探、投入生產的急切需求。礦方急需更加方便、低成本的勘探方法。

鉆探取心勘探方法是一種相對方便、低成本的勘探方法，坑道鉆探取心除了需要鉆進垂直向下鉆孔以外，經常需要沿礦床層帶鉆進近水平孔，取心方法有提鉆取心和不提鉆取心兩種。提鉆取心雖然工藝施工簡單，但隨鉆孔加深，所用時間及勞動量遞增，不適用中深孔取心鉆進。不提鉆取心方法又有反循環取心和繩索取心兩種。反循環取心往往受到鉆孔漏失、設備管材（雙壁鉆桿）費用昂貴等影響，而且巖心質量得不到保證;繩索取心鉆進具有鉆進效率高、地質效果好、工人勞動強度低等諸多優點，于是我們開展了這項工藝在水平孔鉆進中的生產應用試驗。

礦方要求在礦區施工近水平鉆孔一個，鉆孔深度≥300 m，終孔直徑≥78 mm，巖心直徑≥49 mm，取心率≥90%。主要施工地層為粉砂質灰巖夾薄層變質粉砂巖，局部為變質細粒長石石英砂巖、斑點狀泥質粉砂巖夾砂質板巖、粉砂質灰巖透鏡體等。巖石堅硬，灰巖可鉆性等級8～9級，石英可鉆性等級9～10級。

2 配套設備

為了完成預定300 m水平取心鉆孔的任務，配套的主要設備有:ZDY1000G型全液壓坑道鉆機，坑道用高強度繩索取心鉆桿，水平孔75 mm坑道用繩索取心鉆具，BW-250型泥漿泵，金剛石繩索取心鉆頭和擴孔器。

2.1 ZDY1000G型全液壓坑道鉆機

ZDY1000G型全液壓坑道鉆機（圖1）具有豎直鉆進500 m、水平鉆進400 m的能力。鉆機為全液壓動力頭式鉆機，具有分體性好，在坑道狹小空間內布置靈活方便;給進行程長，效率高;可滿足多角度鉆孔施工，適宜礦體的追索［1，2］。該鉆機的主要特點有:

圖1 ZDY1000G型全液壓坑道鉆機

（1）鉆機遵循分體式、模塊化的設計原則［3］，整體由主機、泵站、操縱臺3部分組成，各部分之間用軟管連接，擺布靈活，解體性好，便于搬遷運輸［4］。

（2）給進裝置采用油缸鏈條的倍速機構，行程長、機身短，導向性好，運動平穩，機身剛度好。設計了新型的復合鏈條張緊裝置，鏈條傳動穩、高效［5］。

（3）液壓系統采用雙泵開式系統，回轉和給進回路分別獨立供油，回轉參數和給進參數可以獨立調節而不相互干擾。

（4）回轉器采用變量泵+變量馬達的驅動調速方式，轉速可以無級調節、調節范圍寬，工藝適應性強。

水平孔與垂直孔鉆進用繩索取心鉆具使用場合不一樣，特點存在明顯差別，垂直孔鉆進可以靠重力自由下放內管總成和打撈器，水平孔鉆進時無法實現內管總成和打撈器的自由下放;另外垂直孔鉆進時鉆具的回轉軸線與自身重力方向相同，受力情況較好，水平孔鉆進鉆具的回轉軸線與自身重力方向垂直，受力情況明顯較差。

2.3 BW-250型泥漿泵

試驗選用BW-250型泥漿泵，該泵具有壓力高、泵量大的特點，可用于孔徑70～200 mm、孔深500 m的全面或取心鉆進，能夠完全滿足排粉和正常鉆進的要求。

圖2 75 mm坑道用水平孔繩索取心鉆具

圖3 水力輸送打撈器

圖4 通纜式水接頭

2.4 坑道用高強度繩索取心鉆桿

在近水平孔鉆進時，鉆桿在自重的作用下，貼在孔壁上，回轉時，摩擦阻力增大，當孔深相近時，近水平孔鉆桿承受的扭矩比垂直孔鉆桿承受的扭矩要大得多，要求鉆桿有更高的強度和耐磨性。針對這種情況，研制了坑道用高強度繩索取心鉆桿（見圖5）。其主要特點有:

圖5 坑道用高強度繩索取心鉆桿結構圖

（1）鉆桿采用摩擦焊接公母接頭工藝，鉆桿疲勞強度高，密封性能好，公母接頭與鉆桿體連接強度高;

（2）采用雙頂錐螺紋連接，螺紋擰緊時接觸面積大，間隙小，螺紋受力均勻，傳遞扭矩大，密封性能好，而且具有自定心的特點，減少螺紋的擰卸磨損。

2.5 鉆頭與擴孔器

金剛石雙管取心鉆頭（如圖6a）用于繩索取心雙管鉆進，由于鉆桿最大外徑為75 mm，考慮合理的孔壁間隙，鉆頭的外徑設計為78.5 mm。

3 鉆進工藝

3.1 鉆孔結構

3.2 沖洗介質

圖6 鉆頭及擴孔器

沖洗介質的主要功用是冷卻鉆頭、攜帶和排除巖粉。施工礦區巖石比較穩定，成孔容易，因此采用泥漿泵供應的清水作為沖洗介質就可滿足鉆進要求。

3.3 鉆進工藝參數

一般來說，在一定范圍內鉆速是隨鉆壓的增大而增加的，但它們因孔底碎巖機理的不同而有所不同。過大的鉆壓使金剛石消耗量急劇增大，而且還會導致鉆速下降。另外取心鉆頭是非標尺寸，唇面較大，需要的鉆壓適當要大一些，所以鉆壓在易鉆地層基本選擇在9～12 kN，在個別堅硬、復雜地層時12～18 kN。

金剛石取心鉆進要求鉆頭有足夠高的轉速來達到高效率鉆進的目的，但是水平孔鉆進鉆桿與孔壁的摩擦力大，過高的轉速需要高功率，而且對鉆桿的損傷大，所以選擇鉆機的轉速390～700 r/min，并且隨著鉆孔深度的增加適當的降低轉速。

沖洗液量大，則孔內比較干凈，鉆孔軌跡在重力作用下將有下斜的趨勢;沖洗液量小，則孔內可能產生巖屑的堆積物，產生巖屑橋，使鉆孔軌跡向上偏斜;地層巖性比較穩定，而沖洗液量又適中時，有利于鉆孔的保直鉆進。鉆進過程中泥漿泵的泵量選用52 L/min，泵送和打撈內管總成時，為了提高效率，泥漿泵的泵量適當調大。

4 施工情況

2010年9月，1號鉆孔開孔定位于礦區運輸大巷南端底板以上1.3 m，鉆孔方位與運輸大巷夾角成7°，開孔傾角-1.22°。為便于下放內管總成，先使用單管鉆進4 m，然后換用繩索取心鉆進，繩索取心水平孔鉆進工藝方法不但減輕了提下鉆時工人的勞動強度，也減少了鉆進輔助時間。設備在鉆進過程中性能穩定，系統壓力在孔深240 m以前在7～10 MPa，在孔深240 m以后為10～14 MPa，鉆進破碎地層最大系統壓力為23 MPa（鉆機系統調定最大壓力為26 MPa）;鉆進時鉆機的轉速390～700 r/min，隨著鉆孔深度的增加適當的降低轉速。

鉆孔深度為324 m時，系統壓力急劇升高，停鉆對鉆孔的孔斜進行了測量，鉆孔軌跡見圖7，鉆孔基本呈稍微下斜趨勢，最大孔斜-3.82°，鉆孔軌跡基本保持平直，排除因為孔斜大而引起的系統壓力升高，初步判斷該段地層破碎，大量碎巖堆積在鉆桿附近引起系統壓力升高。

圖7 鉆孔軌跡圖

11月22日，成功終孔，終孔深度401.8 m，取心率達到90.87%。完成了預定孔深300 m、取心率90%的目標。

5 總結

（2）水平孔繩索取心鉆探工藝減輕了提下鉆時工人的勞動強度，減少了鉆進輔助時間，但是由于第一次采用這種工藝方法，使用者操作不太熟練，加上對地層條件不了解，1號鉆孔沒有完全發揮該工藝方法應有的鉆進效率，以后還需要繼續做大量工作推廣應用。

（3）隨著資源開采量的增加，淺部資源越來越少，對老礦山進行深部和外圍資源勘探的的需求越來越迫切，坑道勘探是在老礦區進行深部資源勘探的一個捷徑，水平孔繩索取心鉆進工藝是中深孔坑道勘探的理想方法，應用會逐漸增多。

［1］ 殷新勝，凡東，魏歡歡，等.中深孔坑道勘探設備的研制［A］.2011年陜西省探礦工程年會論文集［C］.118-121.

［2］ 常江華，王賀劍，姚克，等.ZDY1000G型坑道勘探鉆機的設計［A］.2010年陜西省探礦工程年會論文集［C］.209-212.

［3］ 石智軍，胡少韻，姚寧平，等.煤礦井下瓦斯抽采（放）鉆孔施工新技術［M］.北京:煤炭工業出版社，2008.16.

［4］ 凡東，殷新勝，常江華，等.ZDY1000G型全液壓坑道鉆機的設計［J］.煤田地質與勘探，2011，（1）:78-80.

［5］ 殷新勝，田宏亮，凡東，等.一種用于鏈條倍速機構的張緊緩沖裝置［P］.中國專利:200920033862.9.

［6］ 殷新勝，石智軍，魏歡歡，等.一種坑道近水平孔用繩索取心鉆具［P］.中國專利:201020279922.8.

Application of Wire-line Coring Technology in Horizontal Borehole for Exploration in Gold Mine Tunnel

CHANG Jiang-hua，FAN Dong，LIU Qing-xiu，SHI Hai-qi，LIU Jian-lin，YANG Wei-feng（Xi’an Research Institute of China Coal Technology ＆ Engineering Group Corp，Xi’an Shaanxi 710077，China）

The deep and peripheral resource exploration in old mine has been much more urgent as the shallow available resource is less and less，now the tunnel exploration is a shortcut for deep resource exploration in old mine.According to the tunnel exploration drilling conditions of a gold mine in Taibai County，horizontal wire-line coring technology is adopted with rational selection of drilling rig，drilling tools and auxiliary equipments to finish the exploration work，which can be a reference for using horizontal wire-line coring technology in tunnel exploration drilling in China.

horizontal hole;wire-line coring;tunnel;exploration drilling

P634.5

A

1672-7428（2012）01-0040-04

2011-06-03

常江華（1982-），男（漢族），河南西平人，中煤科工集團西安研究院工程師，機械電子工程專業，碩士，從事坑道鉆探機具的研發和推廣工作，陜西省西安市高新區錦業一路82號，13659250891@126.com。