遷安市長城金礦Ⅰ號礦體帷幕注漿工程超硬地層的鉆探施工方法

衛 強，陳偉武

(山西省地質勘查局二一七地質隊，山西 大同 037008)

1 工程概況

遷安市長城金礦位于河北省遷安市軍屯村北側，礦方擬在其礦區內(第7勘探線至第2勘探線)南部開采Ⅰ號金礦體。因礦床富水性強，地下水水位埋深淺，礦體賦存于地下水水位之下約200 m，排水困難，開采難度大，需對擬開采礦體進行帷幕注漿堵水。由山西省第十地質工程勘察院編制了《遷安市長城金礦Ⅰ號礦體帷幕注漿堵水施工設計方案》，該方案經甲方同意后，山西省第十地質工程勘察院實施遷安市長城金礦Ⅰ號礦體帷幕注漿堵水工程。

工程依照礦區帷幕線共布設施工帷幕注漿孔108個，全部為直孔，終孔口徑≥96 mm，平均孔深295 m。

2 遇到的問題和原因分析

2.1 遇到的問題

在施工過程中，西帷幕和北帷幕的部分鉆孔，鉆遇超硬“打滑”地層，使用常規鉆頭和鉆進工藝，鉆探打滑，進尺極慢，鉆進效率極為低下，且鉆頭壽命短。為了保證工程進度，項目部成立技術小組，針對正在施工的幾個鉆孔從鉆頭、工藝、參數和設備各方面進行了研究，整理出一套比較有效的方案。

2.2 原因分析

針對施工中遇到的問題，項目部成立攻關小組，攻關組的技術人員通過跟班觀察、向鉆探機班長詢問和查看班報表等調查手段整理后，發現本礦區堅硬“打滑”地層的特點為石英含量高、礦脈石和礦物粒度極細、研磨性極弱及巖石抗壓強度很高，經小組討論對比分析后對本工程鉆遇堅硬“打滑”地層屬于鈣質白云巖，小組對其命名為Ⅰ型白云巖和Ⅱ型白云巖。

Ⅰ型白云巖(下文簡稱為Ⅰ型地層)呈肉紅色狀，硬度大，巖層中夾雜石英，巖石斷面致密光滑，用鋸條用力滑動后，印記很淺，莫氏硬度6.5，鉆進效率平均為0.32 m/h。

Ⅱ型白云巖(下文簡稱為Ⅱ型地層)呈灰白色，硬度大，巖石斷面致密光滑，鋸條用力摩擦后無印記，研磨性極差，莫氏硬度7.5，鉆進效率平均為0.10 m/h(數據為采取常規鉆頭、參數和工藝對比整理得出)。

經過小組討論研究決定，目的為將Ⅰ型地層鉆進效率提高至為1.50 m/h，Ⅱ型地層鉆進效率平均為0.80 m/h。若低于此鉆進速度，則會對工程進度產生極大影響。

目標設定后，小組人員對鉆進效率低下的原因進行分析和歸納，整理出如下幾點原因。

2.2.1 鉆頭原因

(1)工程開始時，考慮到成本因素，選擇的常規鉆頭，胎體硬度高，導致鉆進堅硬“打滑”地層時，鉆頭胎體和地層在高速摩擦中金剛石不能自銳出刃，故鉆進時效率低下。

(2)常規鉆頭胎體采用常規平底鉆頭，鉆進超硬“打滑”地層時鉆頭和地層接觸面積大，尅取巖心面積增多，故而鉆進效率低下。

2.2.2 沖洗液原因

本工程成孔的目的是為了進行帷幕注漿，考慮到水泥漿遇到化學處理劑后變質，導致凝固失效從而影響工程質量，故工程開始設計鉆進中使用清水作為沖洗液。當鉆進普通地層時，由于鉆進速度快，為保證鉆孔垂直度，故鉆機轉速和鉆壓相對較低，孔內巖粉雜質對鉆進效率影響較低。當鉆遇堅硬“打滑”地層時，需鉆機開啟高轉速和高鉆壓，這時孔內巖粉雜質鉆進高轉速時對孔內的鉆具和鉆桿造成了極大的摩擦阻力，導致鉆機負荷加大、鉆桿磨損嚴重以及能源消耗變大，但是降低轉速后導致鉆進更加緩慢[1-4]。

2.2.3 機械設備原因

根據本工程施工方案和施工組織設計，本工程鉆孔設計平均孔深為300 m，故選擇施工鉆機時選用了XY-4和XY-44型兩種型號的鉆機，在施工過程中發現，XY-44型鉆機在鉆進堅硬“打滑”地層時，平均鉆探進尺要比XY-4型鉆機快0.10 m/h，經分析對比參數得出結論，XY-44型鉆機比XY-4型鉆機在鉆探機械參數上要更優秀。

3 解決措施

3.1 采用金剛石液動沖擊回轉鉆進技術

液動潛孔錘是在回轉鉆進的基礎上通過利用現場泥漿泵輸出的沖洗液驅動液動潛孔錘，對鉆頭施加一定頻率和能量的沖擊功，加速碎巖，因此可大幅度提高堅硬巖層的鉆進時效，減輕孔斜，降低成本，提高綜合效益。

為解決堅硬巖層鉆進困難問題，在ZK78和ZK72鉆探困難鉆孔，經過實際使用和效果分析，對Ⅰ型地層的鉆探效率提升至1.85 m/h，對Ⅱ型地層的鉆探效率提升至1.05 m/h。

液動潛孔錘采用孕鑲金剛石鉆頭，胎體硬度HRC35，胎體高度為20～25 mm。使用平底鉆頭既能保證鉆進速度又能保證鉆頭壽命。鉆進時要保證液動錘的花鍵軸與花鍵套端閉合，使液動錘始終處于有效的工作狀態。液動潛孔錘與普通取心鉆進的回轉速度比常規回轉鉆進時的轉速降低20%左右。

通常來說，在液動潛孔錘內部參數一定的條件下，流量越大泵量越高，潛孔錘的沖擊功和沖擊頻率高，鉆進速度會大大提高，但在實際使用中發現，泵量大泵壓高的情況下，會造成液動錘易損件的磨損和鉆機負荷增大。鉆進過泵的流量控制在150～200 L/min，鉆壓控制在3 MPa左右，轉速為468 r/min。

液動潛孔錘對沖洗液要求較高，本礦區鉆進過程中采用清水鉆進，滿足鉆進要求；在施工過程中，要求鉆進時及時更換清水，保證沖洗液干凈。本工程在施工過程中，在清水中加入切削膏，保證潤滑，還能增加沖洗液的巖粉攜帶能力[5-13]。

3.2 鉆頭的優選

選取了堅硬“打滑”地層的鉆孔，采用普通繩索取心鉆進工藝，進行鉆頭的對比試驗。

鉆進過程中在不采用外力磨取鉆頭胎體的情況下，采用了金石鉆探(唐山)股份有限公司的定制的?96 mm的K5、K9鉆頭，武漢金地探礦機械有限公司的?96 mm的HRC15、HRC20鉆頭，齒形都為鋸齒狀。鉆進參數為轉速548 r/min，鉆壓2.5 MPa。經過實際施工分析得出數據如表1。

表1 地層使用鉆頭數據對照Table 1 Actual bit usage

3.3 鉆進工藝

本工程鉆遇堅硬“打滑”地層層數較多，每層厚度1.5～20 m，若鉆遇較薄地層，鉆遇堅硬“打滑”地層后進行一次提下鉆顯然不符合施工情況。故經過小組實地研究以及向老師傅請教經驗后，有兩種方法可供選擇。

3.3.1 投入磨料法

磨料磨損鉆頭法只適用于胎體硬度HRC35以上的孕鑲金剛石鉆頭。鉆進時，先將鉆頭放置孔底，在機余處做好標記，機桿與鉆桿分開后，將硬度為5～7的巖石用錘子砸成粒徑為10 mm左右的小碎石，拔出取心內管后，將小碎石投入到鉆桿內，投入5～10顆后，投入內管，然后下放鉆具，在不送水的情況下，讓鉆桿高轉速回轉，待鉆進至機余標記處時，表明投入的磨料已經磨碎，然后開大泵量循環，冷卻機桿上部水龍頭以及將孔底巖粉排出。此時，鉆頭胎體上的金剛石已經磨銳出刃，故在一段時間內，鉆進效率大大加快，但是據我們小組統計，每次磨料出刃法磨出的鉆頭有效進尺為1.00 m左右，最多不超過1.50 m。

綜上所述，磨料磨損鉆頭法適用于鉆進較薄巖層，當鉆遇較厚地層時，由于研磨次數過多導致鉆頭磨損加大，鉆頭的磨損程度又無法直接得知，從而存在發生燒鉆事故的隱患。在ZK80孔因多次研磨鉆頭，提鉆后導致鉆頭胎體全部燒掉，幸運的是沒有發生燒鉆事故，否則后果不堪設想。試驗得出，HRC35鉆頭研磨次數為6次，HRC45鉆頭研磨次數為8次。

3.3.2 鉆機干磨法

鉆機干磨法是指鉆遇超硬地層時，先停鉆，加大泵量清洗鉆孔，待孔內巖粉排干凈后，關掉水泵，鉆具放置孔底，開動鉆機高速3擋或者高速4擋，人工造成孔底鉆頭局部燒鉆，使鉆頭內金剛石出露，從而加快鉆進速度。在“燒鉆”過程中，要時刻觀察啟動柜的電流表，電流表的電流超過125 A的時候，必須及時提升鉆具，使鉆頭與孔底分離，從而達到冷卻鉆頭的目的，一般情況下該方法操作2～4次即可達到很好的鉆頭出刃效果[14-15]。但是該操作對操作人員的技術要求比較高，而且對鉆頭壽命影響很大，不宜多次使用。

經過施工得出以下體會：

(1)使用常規繩索取鉆探心工藝，鉆遇堅硬地層時，若發現不進尺或者進尺緩慢，應及時提鉆更換鉆頭、使用投入磨料法或鉆機干磨法加快進尺，快速穿過堅硬地層。

(2)磨鉆頭的方法會因為班長的操作和機械的施工工況對鉆頭產生不同的影響，若鉆頭硬度大，可多研磨幾次，若鉆頭硬度小，則不可多次研磨鉆頭，要及時提鉆更換K5鉆頭或者更換液動潛孔錘進行鉆進。

3.3.3 沖洗液配置

為保證注漿質量，前期施工中循環介質為清水，由于清水攜帶巖粉顆粒能力有限，使用化學泥漿成分又會破壞水泥漿液凝固，故在清水中加入切削膏。切削膏經水浸泡化開后，經攪拌罐攪拌均勻后就可使用，配方為1 m3清水+2.5 kg切削膏。

使用了切削膏加清水為循環介質的鉆孔，鉆機轉速在孔深200 m以淺開到高速4擋，轉速為1191 r/min,200～400 m可以開啟至高速3擋，轉速為819 r/min；而沒有使用該介質的鉆孔，開高速1擋都會導致鉆機發熱嚴重，故切削膏的使用是成功的。

4 經驗和體會

(1)采用不同硬度的金剛石鉆頭胎體，對鉆進速度影響很大，本工程礦區易采用K5鉆頭。

(2)液動潛孔錘對該礦區鉆進施工速度有極大的提升，未來該金礦區開啟二期帷幕工程或者勘察工程時，應推廣普及液動潛孔錘鉆進技術。

(3)磨料法能短期內加快鉆進速度，但是相當于飲鴆止渴，偶爾應用快速穿過較薄堅硬“打滑”地層；長期使用并不推廣。

(4)清水加切削膏制成的循環介質無論是配合普通鉆進還是液動潛孔錘鉆進都有很大的效果。