黔西南水銀洞金礦涌水坑道鉆探難點與對策

班金彭， 暢利民， 代云鵬， 譚代衛， 郝海洋， 付芝康， 黃明勇， 劉萬龍

(1.貴州省地質礦產勘查開發局115地質大隊，貴州 清鎮 551400； 2.貴州省地質礦產勘查開發局105地質大隊，貴州 貴陽 550018)

0 引言

坑道鉆探是礦山勘查常用的勘探方法，既能減少地表環境破壞，又能提高鉆探效益、節約鉆探施工成本，對延長礦山開發壽命意義重大[1-4]。受業主方委托，貴州省地礦局115地質大隊對黔西南水銀洞金礦進行坑道鉆探施工。該礦區Ⅰa含礦體內地下水豐富，部分區段為承壓水，礦區內坑道鉆孔孔內水壓較大，所實施的一個水文鉆孔涌水量最高達112.86 t/h，給小口徑繩索取心鉆探帶來了極大施工難題。針對水銀洞金礦Ⅰa含礦體，實施了37個坑道鉆孔，其中涌水鉆孔32個；總進尺超過3800 m；鉆孔驗收優質率90%以上，合格率100%，獲得了業主方的高度認可。

1 地質概況

1.1 主要含礦層特征

礦區出露地層有三疊系的永寧鎮組T1yn和夜郎組T1y、上二疊統大隆組P3d、長興組P3c、龍潭組P3l、峨眉山玄武巖組P2β、大廠組P2dc以及中二疊統茅口組P2m等[5]。施工鉆遇地層如圖1所示。主要含礦層有：構造蝕變體(SBT)含礦層(Ⅰa)和龍潭組中含礦層。

圖1 水銀洞龍頭山層序Fig.1 Depositional sequence of Longtoushan Formation at Shuiyindong Mine

1.1.1 構造蝕變體(SBT)含礦層(Ⅰa)

為龍潭組(P3l)與茅口組(P2m)不整合界面間因區域性構造滑脫作用和熱液蝕變作用形成的含礦角礫巖，巖性為深灰色中層強硅化灰巖、角礫狀強硅化灰巖、硅質巖及角礫狀粘土巖組合。

礦床受控于灰家堡背斜和SBT，礦體主要產于龍潭組P3l1地層和SBT中[6]，主要巖性為深灰色中層強硅化灰巖、角礫狀強硅化灰巖、硅質巖及角礫狀粘土巖(粘土巖部分見硅化)，節理密集發育，見大量溶蝕孔隙，局部呈蜂窩狀。

1.1.2 龍潭組中含礦層

產于龍潭組地層中，主要巖性為鈣質砂巖、鈣質粉砂巖、泥灰巖、生物屑灰巖，呈透鏡狀、似層狀、層狀產出。

1.2 水文地質概況

水銀洞金礦區處灰家堡背斜核部，受兩翼三疊系下統夜郎組三段相對隔水層阻隔，灰家堡背斜形成一個較完整的水文地質單元，礦區處在背斜水文地質單元的徑流區中部。

區域內地下水類型有巖溶水、基巖裂隙水、松散巖類孔隙水[7]。巖溶水賦存于以碳酸鹽巖為主的中二疊統茅口組(P2m)、構造蝕變體(SBT)，巖性主要為灰巖、泥質灰巖；與Ⅰa含礦體充水有關的茅口組(P2m)巖溶含水層，富水性較強，且受大氣降水影響較小。

2 坑道鉆探施工難點

2.1 地層軟硬交替，易導致鉆孔傾角改變

軟質地層的巖性以泥質灰巖、泥質粉砂巖為主，如龍潭組中碳質粘土巖、煤線，遇水易水化膨脹或垮塌。堅硬地層主要為質地較純的碳酸鹽巖，包括中二疊統茅口組、蝕變帶和龍潭組中所夾的灰巖。隨著軟弱夾層傾角的增大，巖塊的強度減小[8]。鉆進時若不及時調整鉆進參數(鉆壓、轉速和排量)，則易發生孔內事故。KZK5524鉆孔，鉆穿基巖3 m后的22 m以淺均為粘土巖，隨后的鉆探過程中，多次出現灰巖與粘土巖的交互地層。

2.2 礦層巖石破碎，易造成埋鉆事故，取心率低

該區金礦極易富集于孔隙度較大的碎裂(塊狀)巖、角礫巖、鈣質粉砂巖、細砂巖中。當進入蝕變體后，孔底水壓高、涌水量大，礦層取心率低。龍潭組第一段裂隙、孔隙發育，巖石破碎，嚴重影響巖心的采取率(見圖2)。鉆遇破碎地層時，在鉆桿的旋轉撞擊下，更易垮塌掉塊，如果操作不當，極易造成卡鉆、埋鉆事故。KZK5524鉆孔出現燒鉆事故1次，斷鉆桿事故5次，鉆穿27 m SBT，終孔深度97.00 m，施工日期達12天之久。

圖2 KZK5705鉆孔巖心采取率和RQDFig.2 Core recovery and RQD of Hole KZK5705

2.3 礦層水壓高、涌水量大，不利于繩索取心技術應用

由于該區孔內礦層水壓在0.4～0.7 MPa，且孔內裂隙發育，涌水量較大(見圖3)。鉆遇涌水層時，內管下放及提起困難。內管總成的“蝴蝶片”被頂在彈卡室的扶正環臺階上，導致內管拉不起來，必須頻繁起大鉆，嚴重降低繩索取心鉆進的效率；內管下放時，由于孔底往外沖出，阻礙內管的下放。

圖3 KZK5313鉆孔孔內涌水情況Fig.3 Water kick from Hole KZK5313

2.4 蝕變體硬度大、可鉆性差，鉆頭易消耗

SBT主要為硅化角礫狀粘土巖(P3l1下部)和強硅化角礫狀灰巖(P2m上部)組合[9]，分布于SBT硅質巖中，直接頂板為硅質巖，具有硬脆的特征。巖石力學強度高、巖心采取率小，主要與巖石硬脆、地下水活動有關，總體上頂板穩固性較差；Ⅰa含礦體底板為P2m灰巖，巖心完整，穩固性強。研究表明水銀洞金礦礦石中二氧化硅含量在25.25%～49.46%[10]，礦層多方解石和石英脈，巖石堅硬，為獲得較理想的鉆速只能換用胎體硬度低的鉆頭，從而導致鉆頭使用壽命低。

2.5 SBT層溶巖水硫、砷含量較高，對人體健康不利

水銀洞金礦礦石礦物主要有黃鐵礦、毒砂、雌黃和雄黃等，其中黃鐵礦是該區金礦床的主要載金礦物。而溶巖水中，硫、砷含量較高，不僅會腐蝕鉆桿導致斷鉆具的事故，長時間接觸孔內涌水，會對現場人員的皮膚產生危害。

2.6 井下工作環境較差，影響施工人員情緒

鉆遇特大涌水層后，繩索取心工藝內管下放與上提困難，須采用普通鉆進工藝，頻繁起大鉆，施工人員易疲憊；井下惡劣的施工環境，對長期駐守于此的施工人員的精神狀態造成影響。

3 鉆探施工技術及分析

3.1 優化鉆孔結構

經過前期施工的多個鉆孔的經驗摸索，將原本設計的二開鉆孔結構優化為三開結構，目的是增大涌水孔的孔口定向管固井質量。

一開：采用?108 mm金剛石鉆頭開孔，鉆進深度1 m。

二開：采用?93 mm金剛石鉆頭繼續鉆進2 m，將42.5建筑水泥+5%(質量比)速凝劑的均勻水泥漿灌滿裸眼鉆孔，再下3 m的?89 mm定向管，侯凝36 h以上。

三開：采用?75.5 mm金剛石鉆頭鉆至中二疊統茅口組P2m，全段取心，終孔后水泥全段封孔或在孔口安裝閘閥(孔內水壓大時)，對于水文孔要在孔口安裝壓力測試裝置進行壓力測試。

3.2 主要鉆探設備與管材(見表1)

表1 主要鉆探設備Table 1 Main drilling equipment

3.3 涌水對鉆速的影響分析

針對旨在揭穿水銀洞Ⅰa含礦層的特大涌水孔，探索出的施工工藝為：礦層以淺未涌水段或者涌水量較小層段，采用繩索取心鉆進工藝，而進入特大涌水段則采用普通取心鉆探工藝，停用泥漿泵，將上余鉆桿敞開以排水。統計了該礦區32個涌水坑道鉆孔鉆進的相關數據，計算分析了每個鉆孔不同孔段的機械鉆速，涌水段以淺的鉆速為4.20 m/h(1.62 m/h)，涌水段以深的鉆速為2.82 m/h(1.24 m/h)，見圖4所示。

進入礦層前的繩索取心機械鉆速平均為4.20 m/h，最高可達8.41 m/h；進入礦層蝕變體后，由于孔底水壓及水量大，繩索取心技術無法有效的實施，多采用普通取心鉆探工藝，須起大鉆，當鉆進參數和鉆進方法沒有控制好時，每趟鉆只有不到1 m的進尺，嚴重降低了鉆進效率，平均機械鉆速降低至2.82 m/h，最低低至0.44 m/h。

由此可見，孔內涌水量大、水壓高，嚴重降低了鉆進效率；繩索取心工藝取心方便，減少了頻繁起下鉆的時間，節省了施工人員的體力。對于特大涌水孔，繩索取心工藝亟需解決內管不易下放和上提的難題。

圖4涌水孔分段鉆速分析
Fig.4Drilling rate analysis for water kick sections of different holes

3.4 涌水量和孔底靜水壓對鉆速及巖心采取率的影響分析

統計了該礦區9個坑道水文鉆孔的涌水量和孔底靜水壓(孔口靜水壓+液柱壓力)數據，分析了孔內涌水對鉆進速度和巖心采取率的影響，詳見表2。

表2 坑道水文鉆孔的相關數據統計Table 2 Data of hydrological holes

圖5分析了孔底靜水壓和涌水量對鉆速的影響。由圖5中可以看出：機械鉆速隨著孔內涌水量的增加而降低，卻隨著孔底靜水壓的增大而變大。基于水文孔的統計數據，孔內涌水量的大小和孔底靜水壓的大小并無明顯關聯性。對于機械鉆速的影響大小，需探究鉆頭對地層破碎的效率高低。由于SBT形成于龍潭組和茅口組不整合面間，為破碎的強硅化角礫灰巖，當孔底涌水量較大時，孔底巖屑瞬間被清洗干凈，而取心鉆頭在破碎巖石槽內研磨時，胎體內嵌入的金剛石不能有效的研磨孔底巖石，從而導致鉆進速度變低。

圖5 涌水對機械鉆速的影響Fig.5 Effect of water kicks on drilling rates

孔底靜水壓即地層孔隙壓力，地層內某點的上覆巖層壓力是該點處巖石骨架壓力和地層孔隙壓力之和。同樣條件下，孔隙壓力越大，則巖石骨架壓力越小。因此，當孔底靜水壓較大時，孔底地層的骨架壓力較小，鉆進越容易，甚至會出現“掉鉆”現象。

圖6分析了孔底靜水壓和涌水量對涌水段巖心采取率的影響，由圖可以看出：巖心采取率隨著孔底靜水壓增大而降低，隨著涌水量的增大而降低。孔底靜水壓較大時，孔底地層的骨架壓力較小，又由于地層裂隙溶洞發育、巖石破碎，導致進入內管的巖心量變少，因此巖心采取率變小。

圖6 涌水對巖心采取率的影響Fig.6 Effect of water kicks on core recovery

3.5 鉆孔實例分析

以該礦區某鉆孔為例，分析鉆孔孔內涌水對鉆速及巖心采取率的影響。圖7為該礦區某鉆孔的鉆進曲線圖(據文獻[11]，有改動)。鉆孔傾角為90°(直孔)，實際孔深80.34 m，全孔巖心采取率94.18%，破碎帶巖心采取率83.33%，礦層巖心采取率90.71%。鉆進龍潭組一段、二段時，平均機械鉆速為3.6 m/h；鉆進至58 m后，進入SBT內開始涌水，地層破碎且裂隙發育，機械鉆速突增至9.0 m/h，涌水段平均機械鉆速為2.75 m/h。在實際的施工中，鉆進裂隙溶洞發育的破碎帶時，鉆進參數不易控制，鉆頭不能均勻地研磨巖石，產生的巖石碎屑易進入卡簧座與鉆頭內臺階間的間隙，造成憋泵和單回次進尺少，嚴重時甚至導致損壞鉆頭、孔內卡鉆和跑鉆等事故。

圖7某鉆孔機械鉆速、巖心采取率與孔深的關系曲線[11]
Fig.7Relationship curves between drilling rates, core recovery and hole depth

4 解決特大涌水孔的對策

在地表涌水孔中，采取加重泥漿來平衡孔內壓力的方法，已取得顯著效果[12]。但是在水銀洞坑道鉆孔中，由于孔深一般在60～180 m，孔較淺、液柱短，無法形成有效液柱壓力來平衡地層水壓力[11]，更無法實施有效的堵漏措施[13]。因此，從提高鉆速和降低成本角度出發，探索出適合坑道特大涌水孔的工藝、工具對提高經濟效益至關重要。

4.1 普通取心工藝鉆進

當采用普通取心工藝鉆進時(不開泥漿泵、不加內管)，假設忽略破碎巖心間的相互作用，巖心受到自重G、孔內涌水的作用力F涌、浮力f浮、鉆桿內壁的支撐力F支、鉆桿內壁的摩擦力f摩，巖心不再受其他力，則可推導出巖心隨孔內涌水自動上升系數ξ的表達式[14]。

完整巖心的上升系數ξ表達式為：

(1)

式中：P涌——孔內涌水壓力；μ——摩擦系數；α——鉆孔傾角；ρ心——巖心密度；ρ水——礦層水密度；g——重力加速度；h——柱狀巖心長度。

破碎巖心的上升系數ξ′表達式為：

(2)

式中：r——破碎巖心的等效半徑。

由式(1)、(2)可以得出，孔內涌水壓力越大、巖心尺寸越小，ξ值越大，意味著巖心越易隨孔底水排出。當ξ≥1時，理論上孔底巖心可以隨孔口涌出水沖出孔內，ξ值越大，巖心越易沖出；當ξ<1時，孔底巖心則不能沖出，只能依靠起大鉆取出。實際鉆探施工中，合理利用ξ，控制單回次進尺，及時割心，就能實現巖心的自動排出。例如該礦區某鉆孔，P涌為0.36 MPa，α為85°，施工中最大涌出巖心長度為0.67 m，ξ值為37，礦層平均機械鉆速達6.75 m/h。

4.2 繩索取心工藝鉆進

基于前期施工鉆遇特大涌水孔的經驗教訓，在孔內水壓不足以將巖心沖出的情況下，采用繩索取心工藝鉆進時，分析解決該問題的思路主要有3種：“泄”，“堵”，“疏”。

4.2.1 “泄”

所謂的“泄”，就是打開相鄰涌水孔孔口閘閥，為施工鉆孔緩解涌水量壓力。坑內鉆孔布置采用“一位多孔”的設計方案，當鉆遇特大涌水孔時，可以打開相鄰孔的孔口閘閥，從而緩解施工中的涌水量。

4.2.2 “堵”

所謂的“堵”，就是增加內管的綜合重力，以堵孔底的高水壓。通過加長內管，使其自身重力增大[15]；結合使用加重打撈器，便于內管下入孔底。該方法在在后續的鉆孔中獲得了較好的使用效果。此外，使用較大功率的泥漿泵，亦可起到平衡孔底水壓的效果，考慮到運輸困難，該方法未在該項目中應用。

4.2.3 “疏”

所謂的“疏”，就是疏導孔底的水從鉆桿與地層的環隙上涌。繩索取心鉆具的卡簧座與鉆頭的內臺階間隙3～5 mm，內外管間隙1.5～2 mm，鉆具與孔壁間隙2～3 mm，加之泥漿泵對鉆桿內液體的作用壓力，有效的疏導孔底地層水從鉆桿與孔壁間環隙涌出，有利于鉆頭的取心效率。在實際施工中，將NQ卡簧座的底部人工開一些出水槽和鉆具上鉆花眼，都起到了提高鉆速的作用。

此外，針對破碎、軟弱等復雜地層，超前側噴繩索取心鉆具能夠起到較好的提高巖心采取率的作用[16]。設計并加工出有合適疏水孔的“超前鉆”鉆頭，對特大涌水孔更為適用。

5 結論

針對水銀洞金礦Ⅰa含礦體，實施了37個坑道鉆孔，其中涌水鉆孔32個,總進尺超過3800 m。通過采取針對性的對策，鉆孔驗收優質率90%以上，合格率100%，獲得了業主方的高度認可。可得出以下結論：

(1)特大涌水坑道鉆孔，采用繩索取心工藝時要解決內管下放和上提遇阻的難題。

(2)孔內涌水對機械鉆速和采取率的影響規律：機械鉆速隨著孔內涌水量的增加而降低，卻隨著孔底靜水壓的增大而變大；巖心采取率隨著孔底靜水壓增大而降低，隨著涌水量的增大而降低。

(3)采用普通取心工藝鉆進時，可利用巖心上升系數在不起大鉆的情況下，完成取心工作；采用繩索取心工藝鉆進時，可利用“泄”、“堵”、“疏”3種解決對策。認為采用多種方法協同作用才能較好的解決特大涌水坑道鉆孔的鉆探施工難題。