試析深部找礦鉆探施工技術要點

宋彬濱

（山東省地質礦產勘查開發局第七地質大隊，山東 臨沂 276002）

深部鉆探施工不僅對施工技術有較高要求，而且對設備能力、工藝水平以及技術要點等方面也有很高的要求。因此，合理的施工技術以及儲備處理事故的關鍵技術要點對于鉆探施工至關重要[1，2]。

1 鉆探施工技術發展概述

鉆探技術作為地下資源勘探和開采的技術手段，在古埃及和歐洲早有應用。至今在埃及尼羅河谷地還保留下來許多古人鉆成的水井，有的至今仍在為沙漠中的人們提供水源。歐洲有記載的第一口水井是1126年在法國南部鉆成的，從此誕生了一個現代名詞“自噴井”。1818年法國農業部創立了鉆探基金，1830年巴黎鉆探技師杰古謝在圖爾地區鉆成了第一口120m深的自噴井。到1839年后開始用套管加固孔壁，從而進一步加深了鉆孔深度。1855年在巴黎鉆成528m深的水井，日產水量1.5萬m3。其他國家也在工業化之前開始了地下水的鉆探工作。俄羅斯還通過改善水井鉆探工藝并用于其他工程目的——開采巖鹽礦床。俄羅斯人于17世紀完成了第一部關于勘探與開采巖鹽的鉆探工藝手稿，詳細的描述了所用鉆探工具、設備和工藝。該手稿中首次出現了起源于俄羅斯的128個鉆探專用術語，表明當時其鉆探技術達到了相當高的水平。1859年美國的塞尼加石油公司用機械鉆探方法打成了第一口石油開發井，位于賓夕法尼亞州泰特斯沃爾鎮（鉆孔深約21m，每日產油4.8t）。

直到上世紀50年代，由于鉆探技術在開發地下礦產資源方面的不可或缺性，同時對礦產資源的需求日益增大，西方發達工業國，從二戰的陰霆中復蘇并強勢崛起，并開始進行深部地質勘探計劃。深部地質勘探對于研發鉆探機具、配置鉆探裝備以及研究鉆進工藝等多方面有了更高的新要求?，F階段發達國家通過多年對鉆探技術的關鍵技術研究以及突破，己經研制出一套完備的技術手段與裝備體系，不管是鉆探工藝或泥漿技術，還是鉆探設備以及鉆探工具應用等方面均日趨完善。

2 深部找礦鉆探施工技術要點

2.1 深部用水泥漿技術要點

水泥漿流變性：良好的流變性是設計水泥漿配方要考慮的主要問題，同時也是灌注水泥漿進行固孔、堵漏的前提，尤其是在深部堵漏施工中，要求灌注的水泥漿在可泵期內具有良好的流動性。常用的硅酸鹽水泥，主要成分是硅酸鹽化合物，包括硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣，與水混合后發生強烈水化作用，粘度逐步增加，流動性逐漸變差，隨時間發展水泥漿逐漸開始喪失流動性，最終凝固成為整體。

影響水泥漿的流變特性因素主要有溫度、水灰比以及各類添加劑，準確把握個因素對水泥漿流動性影響對于水泥漿的設計具有重要意義。

2.2 影響水泥漿的流變特性因素

2.2.1 溫度對水泥漿流變特性影響

水泥漿在不同溫度條件下流變性變化差異較大，同時溫度也會對固結速率產生一定影響，主要表現在水泥漿的流行指數n以及稠度系數K值，在一定的溫度范圍內，溫度的升高會導致流性指數n逐漸增大，并使稠度系數K逐漸減小，流變特性曲線如圖1所示。由圖可以看出50℃以下流性指數n以及稠度系數K變化幅度?。粶囟雀哂?0℃時，水泥漿內部水化速度變快，水泥漿體系具有較強的結構能力，因此流變參數變化幅度較大，導致流變性急劇下降。

2.2.2 水灰比對水泥漿流變特性影響

水泥漿的水灰比的不同主要決定體系中各組分離子的濃度、密度的不同，從而影響水泥漿水化作用，導致水泥漿流動性與固結速率的變化，水灰比對水泥漿流變特性影響曲線如圖2所示。水灰比的增大，會使水泥漿在一定時間內具有較好的流動性，改善水泥漿的可泵性。但水灰比的增大還會使水泥漿的凝結時間延長。特別對于深部施工，事故孔段位置較深時，候凝時間過長會嚴重影響鉆進效率。因此在保證水泥漿具有良好流動性的同時，盡量控制水灰比在合理的范圍內。

圖2 水灰比對水泥漿流變特性影響曲線

2.2.3 添加劑對水泥漿流變特性影響

為加速水泥漿的凝固，縮短候凝時間，提高鉆探施工效率，在配置固孔、堵漏水泥漿時加入一定量的速凝劑，速凝劑的加入會影響水泥漿內各組分間的反應。其中以CaCl2作為速凝劑配置水泥漿，在形成新的水泥孰料礦物后，能夠增加水化作用生成物的溶解度，同時使水泥水化速度以及硬化速度得到提高。水泥漿體系中生成的AICI3.nH2O，會減少自由水的存在，并使水分子更多的以化學結合水形式存在，從而保證水泥具有良好的不透水性、早期強度以及密實度。

2.2.4 水泥漿固結時間與后期強度

固孔、堵漏處理使用的速凝水泥漿應具有初始流動性好、初終凝時間間隔短以及安全施工等特點。水泥漿的可泵期以及凝結時間需依據事故孔段深度、灌注方法等情況進行合理選擇，以滿足施工要求，并提高事故處理效率。

對于水泥漿固結后強度要求，隨著水泥漿固結反應的發生，至水泥漿達到終凝失去塑性，此時水泥具有的早期強度不足以滿足固孔要求，一般需再進行養護20～24小時，使水泥獲得足夠強度方能進行透孔施工。另外為避免水泥強度過高導致透孔過程中發生孔斜事故，應在適當抗壓強度范圍內以及水泥早期強度增長過程中鉆取水泥塞。

3 固孔、堵漏水泥漿技術要點

固孔、堵漏時應根據具體事故情況，配置滿足處理要求、性能良好的水泥漿。深部灌注使用的水泥漿應保證初始狀態流動性能良好，初凝與終凝時間間隔較短，強度符合要求。

針對礦區破碎坍塌孔段的漏失及地層情況，對水泥漿的配方進行試驗研究，水泥漿主要采用CaCl2作為速凝劑，試驗用水泥為800型超細硅酸鹽水泥，灌注方法利用鉆桿通過泵送方法進行注漿。根據深部固孔堵漏水泥漿的流變特性、孔內溫度情況以及后期強度要求，通過試驗對不同水灰比以及添加劑加量情況下，水泥漿的可泵時間、初凝時間、終凝時間與后期強度等參數進行分析，選擇性能良好的水泥漿配方用于施工處理。

4 注漿施工技術要點

（1）應仔細查看孔內提取巖心，分析巖石破碎程度，即破碎地層孔隙以及裂隙大小等，計算事故孔段的深度以及漏失坍塌地層厚度。

（2）為防止孔內原有沖洗液中化學材料對速凝水泥漿的性能造成影響，以及保證事故段孔內清潔，需反復掃孔，用清水換漿1～2小時，替換孔內原有沖洗液。

（3）對灌漿設備進行仔細檢查，確保其完整性與安全性。

（4）嚴格按照配比配置水泥漿，并用過濾網，去除大顆粒物塊，預制好的水泥漿需要不停攪拌，避免水泥凝固。

（5）使用清水替漿后，盡量在不停泵的狀態下，直接將水泥漿泵送至孔內。灌注結束后，將預先計算好的替漿水壓入孔內，停泵后，卸開連接鉆桿，使鉆桿內外壓差保持平衡，保證水泥漿順利壓入事故段。最后緩慢提升鉆桿，防止抽吸作用的發生。

（6）灌注后，每隔一定時間測定漿面位置，預防水泥漿滲入裂隙大量流失。針對大裂隙地層，配置水泥漿時可加入適量細粒材料，會取得更好的封堵效果。

5 結語

目前來說，正在開采的礦山的礦產資源已經遠遠不能達到工業和生活的需求量了，迫使礦山開采公司不得不去勘測和尋找出更多的礦產資源的礦山。開采公司要不斷地去改革、創新勘測和找礦技術，從而幫助開采公司可更為有效的勘測和開采礦產資源，推動礦業公司可以更好的發展。