吉林省葦砂河鐵礦深孔巖芯鉆探技術

楊春柳，皮微微

(吉林省第六地質探礦工程大隊，吉林延吉133401)

吉林省葦砂河鐵礦深孔巖芯鉆探技術

楊春柳*，皮微微

(吉林省第六地質探礦工程大隊，吉林延吉133401)

吉林省葦沙河鐵礦區第四系覆蓋層及風化層厚度大，地層復雜，鉆探存在堅硬打滑，構造發育、斷裂破碎帶多等現象。針對該礦區地層特點，從設備選型、鉆孔結構、鉆進參數、沖洗液等方面采取相適應的施工工藝及技術措施，取得了較好的效果，對今后的鉆探施工有所幫助。

繩索取芯+SYZX76型繩索取芯液動錘鉆進；第四系覆蓋層；復雜地層；鉆探技術

1 概況

1.1 礦區

吉林省葦沙河鐵礦位于吉林省臨江市葦沙河鎮境內，在臨江市西南約15km的東溝中。2014年我隊受探礦權人——臨江市東峰有色金屬股份有限公司委托，對該礦區投入了大量的人力、物力進行地質勘探找礦普查（續作）工作，地質設計續作鉆探工作量15100m，設計鉆孔深度主要在1200～1600m，平均孔深在1370m左右，設計傾角80°～85°。通過對該礦區的深部找礦勘探，為吉林省再次提交一處大中型礦山提供了強有力的資源保障。

1.2 區域成礦地質條件

礦區所處大地構造位置：華北地臺（Ⅰ）級北緣樂段，遼東臺隆（Ⅱ）級，大子河—渾春陷褶皺斷束（Ⅲ級），老嶺斷塊（Ⅳ級），中段之南東翼，按以往找礦經驗及本區目前發現的已知礦體的規律，礦體產于大栗子組地層中，與巖層產狀一致。

1.3 地質特征簡述

1.3.1 地層

礦區內全部被第四系覆蓋，依據施工鉆孔揭露第四系厚度為120.10m，以沖積物為主，表層為耕土，以深依次為石英砂巖、粉砂巖、頁巖等。第四系下段地層自下而上劃分為臨江組和大栗子組，巖性為二云片巖、絹云千枚巖、白云大理巖及石英巖。

1.3.2 構造

區域內總體構造格架屬老嶺斷塊中段南東翼的一部分，由早元古代老嶺群地層組成基底構造，晚元古代青白口系地系地層組成蓋層構造，由于區內經歷多次構造運動影響，尤其是呂梁時期和燕山期構造運動，使構造更加復雜多樣化。

2 鉆探技術要求

2015年礦區設計鉆孔全部為斜孔，傾角80°～85°，終孔直徑不小于76mm，孔深在1200～1600m之間。鉆孔技術要求如下：

（1）不經現場地質技術人員同意，鉆孔的位置不得移動，移動大于20m需要請求項目主管部門同意。

（2）礦化帶重要標志層以及礦體和礦體頂底板圍巖5m范圍內的采取率不小于85%，在礦層中鉆進時，回次進尺一般不大于2m，若連續2個回次或進尺1～2m礦區采取率小于85%，要及時采取補救措施，全孔巖層平均采取率不小于75%，終孔直徑不小于?76mm。

（3）鉆孔終孔后，對見礦部位用水泥封孔，孔位用水泥經樁做標記。

（4）其他技術要求嚴格按照《地質巖心鉆探規程》（DZ/T0227-2010）執行。

3 鉆探施工中存在的主要問題

（1）第四系覆蓋層及上部風化層較厚，120m左右，主要為礫石層及砂土互層、亞砂土、亞粘土。因結構松散，膠結性差，鉆進過程中在礫石層中易發生坍塌及漏失、在砂土中易發生坍塌、在粘土中易發生縮徑、套管提不上來等事故。

（2）礦區構造極其發育，每個鉆孔都遇到多處構造，最多一個鉆孔遇到了5處構造。構造帶巖石破碎，鉆探施工出現了坍塌、掉塊、漏水、縮徑等不良地質現象，造成卡鉆、夾鉆、埋鉆、鉆桿折斷等眾多孔內事故，施工進度緩慢，鉆探成本大幅增加。

（3）鉆孔深，巖石可鉆性等級高。1200m左右及以深鉆孔存在2層磁鐵礦，厚度在8～21m之間，埋藏深度在980～1400m之間。巖石可鉆性等級達到10～12級。每班12h進尺一般不超過2m，是業內公認的堅硬、致密、打滑地層。由于需要經常上下鉆處理鉆頭上金剛石出刃問題，一方面帶來孔壁不穩，另一方面造成輔助時間過長、鉆進效率低、職工勞動強度大，成本上升。

4 主要鉆探設備及器具

根據孔深、地層及現場情況，施工設備主要選用XY-5型鉆機3臺，XY-6B型鉆機2臺，BW250型泥漿泵5臺，SGX-17型四角塔3部，HCX-23型四角塔2部，JSJ型繩索取芯絞車5臺，高揚程水泵5個。

鉆桿：為適應深孔復雜地層鉆進，選用強度高、抗扭能力強的唐山金石超硬材料有限公司生產的加厚接頭鐓粗的繩索取芯鉆桿，并配置泥漿攪拌機等。

鉆具：開孔鉆具為?127mm、?108mm單管鉆具，正常鉆進鉆具為?76mm繩索取芯鉆具及SYZX76型繩索取芯液動錘鉆具。

5 鉆進工藝技術措施

5.1 鉆孔結構

由于該礦區地層十分復雜，第四系覆蓋層及上部風化層較厚，達120m左右，往往每級套管都不可能下到位，必須預留較寬的換徑余地。因此，采用“三級套管四級成孔”鉆孔結構才能順利達到施工要求，即?130mm-?110mm-?95mm三級鉆進后，下入?127mm-?108mm-?89mm套管，最后換?76mm口徑終孔。

5.2 鉆進方法

上部第四系覆蓋層及風化層，采用普通金剛石單管鉆進，選用粘度大、失水量小、攜帶巖粉能力強、護壁性能好的沖洗液。

深部石英砂巖、二云片巖、粉砂巖、石英巖等地層，采用繩索取芯液動錘金剛石鉆進。

硬、脆、碎及打滑地層（礦層及上部脈巖）采用繩索取芯金剛石鉆進或繩索取芯液動錘金剛石鉆進。

5.3 鉆進技術參數

鉆進技術參數優化組合的確定受到鉆遇巖石的物理力學性質、鉆孔結構、鉆孔直徑、設備性能、鉆頭類型及結構參數、沖洗液類型、班長技術水平等約束。鑒于制約因素較多，各種組合較多，依據本礦區實際情況，使用的鉆進技術參數見表1，SYZX76繩索取芯液動錘鉆進技術參數見表2。

表1 繩索取芯鉆進技術參數

表2 SYZX76繩索取芯液動錘鉆進技術參數

5.4 繩索取芯液動錘的推廣應用

相對繩索取芯鉆探工藝，SYZX（76、96）系列繩索取芯液動錘鉆探工藝，不但具有鉆進效率高、巖礦芯質量好、鉆頭壽命長、勞動強度低等優點，而且具有廣泛的適應性，能適用于鉆進6～9級的中硬層，尤其適應10～12級結構致密、顆粒細小、弱研磨性的極堅硬巖石或強研磨性的硬、脆、碎巖石。

5.4.1 繩索取芯液動錘應用效果（表3）

表3 繩索取芯液動錘應用效果表

5.4.2 繩索取芯液動錘鉆進與普通繩索取芯鉆進使用效果對比（表4）

通過生產實踐證明，同口徑的繩索取芯液動錘與普通繩索取芯鉆相比有如下特點：針對強研磨性的硬、脆、碎地層，臺月效率提高1.64倍，可提高巖芯采取率，延長回次進尺，由1.60m/回次提高至3m/回次。

5.5 沖洗液的選擇和應用

在應用SYZX型繩索取芯液動錘取芯鉆進中，為避免鉆桿、鉆具和液動錘內壁結垢，應盡量采用清水或無固相沖洗液。臨江葦沙河鐵礦區大部分地層完整且單一，因而選用了無固相沖洗液，但在第四系覆蓋層及破碎、坍塌、掉塊地層，選擇使用了優質泥漿和PAB無固相沖洗液。

表4 繩索取芯液動錘鉆進與普通繩索取芯鉆進使用效果對比表

5.5.1 第四系覆蓋層及風化層

第四系覆蓋層及風化層即有礫石坍塌層、漏失層，又有粘土縮徑層，且具有造漿功能，選用粘度大、失水量小、攜帶巖粉能力強、護壁性能好的沖洗液，具體配方為：10%～15%優質鈉基膨潤土+0.25%NaOH+0.3%磺化瀝青+0.3% CMC+0.016%KPAM；若漏失可加入鋸末5kg/m3。

沖洗液性能：密度1.02～1.06g/cm3，粘度30～33s，失水量10～12 mL/30min，pH值為8.5～9。

5.5.2 斷裂破碎帶，蝕變帶地層

礦區斷裂破碎帶、蝕變帶多，破碎帶膠結強度不夠，排列疏松，整體表現不穩，前期使用的PAM+CMC無固相沖洗液一直存在掉塊、坍塌現象，后采用PAB無固相沖洗，具體配方：PA粉1%～2%，PB粉0.24%。

沖洗液性能：密度1.02～1.06g/cm3，粘度22～24s，失水量6.6～8mL/30min，pH值為7.5。

PA·PB處理劑造價高，約2.5萬元/t，配制1000L該沖洗液其成本360～400元。若全孔循環使用，浪費嚴重，因此，當鉆穿破碎帶、蝕變帶地層后，便將預制好的PAB無固相沖洗液泵入該層段，停鉆2～4h后，即可使用PAM+CMC無固相恢復正常鉆進。

實踐證明，該沖洗液適用于鉆進高嶺土、綠泥石化等蝕變帶，斷層泥與角礫、粉碎狀破碎帶、泥質和炭質頁巖層、流砂和風化層等復雜地層，效果較好。

5.5.3 沖洗液配置應注意的問題

（1）要購置正規廠家生產的處理劑，而市場上采購的部分材料達不到規定性能，如PHP大部分用于污水處理，分子量低且含食鹽。CMC用于房屋裝修，粘度不夠等，因而導致按配方配制，但性能指標達不到理想效果。

（2）鈣膨潤土要預先浸泡加堿鈉化處理。有機處理劑要先浸泡，并要保證足夠的時間。如PA·PB預浸泡時間必須大于20h，CMC浸泡時間至少8h等。

（3）處理劑一定要準確計量，依次加入，為避免各處理劑之間阻溶和不理想交聯而導致絮凝現象，按先無機后有機，先分子量小后分子量大的。

（4）攪拌要充分，各種處理劑之間的交聯作用必須具備充分的接觸條件，每一種處理劑加入后，至少用攪拌機保持10～15min攪拌。

（5）勤測量。沖洗液循環使用后，要勤測量并認真記錄，防止其他液體混入，及時檢測性能指標，發現不符合設計要求時要及時調整，確保沖洗液性能穩定。

6 結束語

在臨江葦沙河鐵礦深孔鉆探的施工實踐表明，針對復雜地層的不同孔段，必須采用合理的鉆進技術，提高鉆進效率，降低施工成本和孔內事故的發生，通過該礦區的施工，積累一定的經驗，以期對今后的鉆探施工有所指導。

（1）任何鉆探施工都要充分了解礦區地層、構造等地質資料，尤其是深孔施工設計要精、細、全，這是保證施工順利進行的前提。對可能碰到的問題既要預測全面，又要做好應對措施，制定好施工應急預案。

（2）優化鉆孔結構，合理選擇鉆進工藝參數。對破碎孔段采用優質泥漿鉆進，同時要加強沖洗液的配置和維護是關系到整個鉆孔成功與否的前提。

（3）針對硬、脆、碎地層，使用繩索取芯液動錘鉆進，充分發揮新工藝、新技術的最優性能，是提高施工效率和經濟效應的直接手段，先進的科學的施工工藝能大大降低事故發生率，降低施工成本。

[1]柴世剛，等.小秦嶺靈寶金礦田整裝勘查第一深孔鉆探工藝[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2014，41（9）：23-26.

[2]董國明，等.河北省古馬鐵礦深孔巖心鉆探技術[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2015，42（5）：26-30.

P634.15

B

1004-5716(2016)12-0063-03

2016-03-01

2016-03-10

楊春柳（1976-），男（漢族），吉林永吉人，工程師，現從事探礦（巖土）工程管理與技術研究工作。