祁新堂

(河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第四地質(zhì)大隊(duì),河南鄭州 450016）

河南舞陽鐵礦鐵古坑礦段巖心鉆探施工工藝

祁新堂

(河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第四地質(zhì)大隊(duì),河南鄭州 450016）

針對舞陽鐵礦鐵山礦床鐵古坑礦段的復(fù)雜地層,詳細(xì)介紹了在渣堆上鉆探、堵漏等具體的施工技術(shù)措施,以期對今后的鉆探施工有所指導(dǎo)。

深部找礦;巖心鉆探;渣堆;堵漏

1 礦區(qū)概況

鐵山礦區(qū)位于河南省舞鋼市舞陽礦業(yè)公司院內(nèi)鐵古坑,處中、低山區(qū),地形切割深,起伏大。地層傾角30°～60°,設(shè)計孔深450～800 m,部分孔深超過900 m。隨著近年來礦產(chǎn)品價格不斷攀高,再加之露天開采的深度越來越大,開采底面積越來越小,已逐步不具備露天開采條件,不能滿足正常的礦產(chǎn)品需求。舞陽礦業(yè)有限責(zé)任公司為了最大限度開采礦石而獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益,決定由露天開采轉(zhuǎn)地下開采,需查明深部資源情況。為此于2007年2月對鐵古坑礦區(qū)設(shè)計鉆孔11個,以查明深部資源,為露轉(zhuǎn)地開采提供詳實(shí)的技術(shù)資料。受安鋼集團(tuán)舞陽礦業(yè)有限責(zé)任公司委托,我隊(duì)承擔(dān)了該礦區(qū)的鉆探施工任務(wù)。礦區(qū)地層復(fù)雜,大部分鉆孔布置在排土堆上,水源比較遠(yuǎn),需從山下往山上拉水,施工難度大。采取率要求高,要求巖心采取率85%以上,礦心采取率90%以上。業(yè)主為了盡快露轉(zhuǎn)地開采產(chǎn)生效益,要求工期相當(dāng)緊。

2 地質(zhì)概況

礦區(qū)出露地層為第四系和太古界。從上到下分為7個巖性段:

第一段為雜填土,含碎石、礦渣等;

第二段為粉質(zhì)粘土,褐黃色,稍濕,可塑,含少量灰白色高嶺土和黑色鐵錳質(zhì)結(jié)核;

第三段為條帶狀混合巖(夾細(xì)粒斜長角閃巖、云母片巖）,灰白、灰紅色,中細(xì)粒花變晶結(jié)構(gòu),條帶狀構(gòu)造,長英質(zhì)脈體含量約占65%,角閃斜長片麻巖基體約占35%,脈體與基體相間呈條帶狀分布;

第四段為杏仁狀細(xì)粒閃長巖,灰色,較破碎,細(xì)粒結(jié)構(gòu),杏仁狀構(gòu)造,主要礦物成分為斜長石、角閃石,杏仁石為石英;

第五段為條帶狀石英輝石磁鐵礦,灰綠色,中細(xì)粒花崗變晶結(jié)構(gòu),條帶狀構(gòu)造,主要礦物成分為磁鐵礦、次透輝石,次要礦物成分為石英;

第六段為輝石大理石,灰白色,中?；◢徸兙ЫY(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,主要礦物成分為白云石、方解石,次要礦物成分為次透輝石;

第七段為條帶狀混合巖,淺灰、灰紅色,較破碎。

3 鉆探施工中遇到的難點(diǎn)問題

(1）在渣堆上施工,地層極為松散,漏水、坍塌不易鉆進(jìn);

(2）施工中破碎地層漏失,不能滿足正常的鉆探要求;

(3）地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜,存在掉塊、坍塌地層,造成鉆桿、鉆具折斷,內(nèi)管投放困難,鉆進(jìn)阻力大,輔助工作時間多,效率低,嚴(yán)重影響了勘查項(xiàng)目的進(jìn)度。

為此我們在鉆探施工工藝上進(jìn)行了探索和改進(jìn)。從鉆孔結(jié)構(gòu)、泥漿配比、鉆頭選用、堵漏方法、鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)等方面著手,比較好地解決了施工過程中出現(xiàn)的問題,鉆進(jìn)效率得到了明顯提高,受到了業(yè)主的高度評價和認(rèn)可。

4 鉆探設(shè)備及主要材料選擇

4.1 鉆機(jī)的選擇

經(jīng)過市場考察,根據(jù)設(shè)計孔深,選用了連云港黃海機(jī)械廠生產(chǎn)的XY-44型鉆機(jī)。該鉆機(jī)質(zhì)量輕,凈重僅2150kg,便于施工搬運(yùn)。主要技術(shù)參數(shù)為:鉆進(jìn)能力600～1000 m(“71 mm鉆桿）;鉆孔角度75°～90°;最大扭矩3200 N·m。

4.2 鉆塔的選擇

根據(jù)孔深及鉆塔的負(fù)荷能力,經(jīng)過分析比較,選用了張家口中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司生產(chǎn)的SG13型鉆塔,主要參數(shù)為:天車有效工作負(fù)荷100 kN,最大工作負(fù)荷150 kN,鉆塔高度12.84 m,底部平面尺寸4.2 m×5.15 m,頂部平面尺寸112 m×113 m。通過鉆進(jìn)900 m的孔深來看,該鉆塔的穩(wěn)定性好。

4.3 水泵的選擇

根據(jù)以往的鉆探經(jīng)驗(yàn),選用了BW250型泥漿泵。

4.4 鉆桿的選擇

鉆探施工所需主要材料就是鉆桿,鉆桿質(zhì)量的優(yōu)劣關(guān)系到鉆孔能否成功并直接影響到鉆探效率和效益。多年的生產(chǎn)實(shí)踐表明,在實(shí)際鉆探過程中鉆桿易折斷的部位絕大部分是在接頭螺紋處,也就是說:在鉆進(jìn)過程中,受交變彎曲應(yīng)力的影響,整個鉆桿柱的最薄弱環(huán)節(jié)是鉆桿接頭的螺紋部分。在鉆桿中間發(fā)生折斷事故是非常少見的,即使發(fā)生,也是因?yàn)槟p嚴(yán)重而造成鉆桿體壁厚過薄所致。

根據(jù)地層情況并結(jié)合孔深實(shí)際,為提高效率確保工期,我們采用繩索取心鉆探施工工藝。為了保證鉆桿質(zhì)量,確保整個勘查項(xiàng)目的順利完成,經(jīng)多方考察比較,慎重選用了無錫探礦機(jī)械廠生產(chǎn)的兩端鐓粗加厚的“71 mm繩索取心鉆桿,選用JS75繩索取心鉆具。這種鉆桿兩端經(jīng)鐓粗加厚,增加了最薄弱環(huán)節(jié)(接頭絲扣處）的強(qiáng)度,克服了鉆桿接頭易折斷的問題。接頭外徑是平的,減少孔壁卡鉆的機(jī)會。

5 鉆探技術(shù)措施

5.1 第四系以上及渣堆層位的鉆探技術(shù)措施

渣堆填土比較松散,成分復(fù)雜。有開采排出的石塊,大小不一,很不均勻,也有雜填土。孔內(nèi)嚴(yán)重漏失,坍塌掉塊,按正常的鉆進(jìn)工藝根本無法施工。正常鉆進(jìn)提鉆后再下鉆就下不到原來的位置,甚至下不去,嚴(yán)重影響施工進(jìn)度,為此經(jīng)過多方考察研究,針對這種特殊地層采取以下2種方法。

5.1.1 水泥固結(jié)法

開孔采用“130 mm金剛石鉆頭,鉆進(jìn)到6 m,下入“127 mm套管作為孔口管,套管與孔壁環(huán)狀間隙用水泥土封填嚴(yán)實(shí),以防孔口管在施工過程中由于振蕩而往下跑。然后使用普通“50 mm鉆桿、普通“110 mm鉆具鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過程中以水灰比為0.4左右的純水泥漿作為沖洗液,這樣既保證了鉆探所需沖洗液,水泥漿液在鉆進(jìn)過程中向土體擴(kuò)散,隨著時間的加長,水泥漿液和四周及下部松散土體作用發(fā)生固結(jié),達(dá)到了穩(wěn)定孔壁的作用,利于鉆進(jìn)。每鉆進(jìn)5～6 m,孔內(nèi)灌注一定量的水泥漿,水泥漿水灰比為0.4左右,其中按比例加一定量的氯化鈣等早強(qiáng)劑,停12 h左右再繼續(xù)鉆進(jìn),直到鉆過第四系土層。這種方法操作簡便,成本稍低,但進(jìn)度慢,需要等候水泥固結(jié),造成人工浪費(fèi)。

5.1.2 多級套管法

這種方法是用普通“50 mm鉆桿、普通鉆具、金剛石鉆頭頂水鉆進(jìn),逐步換徑下套管。先使用“130 mm金剛石鉆頭鉆進(jìn),根據(jù)設(shè)備的通力盡量打,能打多少打多少,然后下入“127 mm薄壁套管,套管之間用電焊焊接,要保證焊接質(zhì)量,避免在鉆進(jìn)過程中由于振蕩從焊接處折斷而造成孔內(nèi)事故,套管底部用水泥固定;然后換用“110金剛石鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)到設(shè)備承受能力,下入“108 mm薄壁套管,底部用水泥固定;再換用“91 mm金剛石鉆頭鉆進(jìn),直至穿過第四系土層,下入“89 mm薄壁套管。施工中用稠泥漿頂漏鉆進(jìn),用薄壁套管主要是為了節(jié)約費(fèi)用,以防鉆孔完成后由于地層原因套管拔不出來而造成成本過大增加。這種方法施工速度快,但會由于套管拔不出來而增加成本。

5.2 在基巖層中的施工技術(shù)措施

5.2.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

原則上盡量簡化鉆孔結(jié)構(gòu),以增加鉆桿在孔內(nèi)的穩(wěn)定性,保證鉆桿與鉆孔之間的環(huán)狀間隙限制在鉆桿直徑的15%～25%,合理設(shè)計鉆孔級配,避免鉆桿局部彎曲嚴(yán)重而發(fā)生鉆桿接頭螺紋部分折斷事故。本次基巖鉆進(jìn),采用“71 mm兩端經(jīng)鐓粗加厚的繩索取心鉆桿,采用“77 mm金剛石鉆頭,使鉆桿與鉆孔之間的環(huán)狀間隙既符合合理的鉆孔級配,又能滿足沖洗液攜帶巖粉上返的要求。

5.2.2 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

(1）轉(zhuǎn)速的選擇是關(guān)鍵,由于我們采用的四角塔,穩(wěn)定性好,正常鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速不低于6擋(389 r/ min）,大大提高了鉆進(jìn)效率。

(2）壓力的選擇,排除浮力、摩阻力等各種因素影響,實(shí)際孔底壓力控制在10～20 kN。

(3）泵量應(yīng)控制在50～80 L/min,工作泵壓控制在2.0～3.2 MPa。

5.2.3 沖洗液

由于孔深大,鉆桿增加,摩阻力不斷增大,為確?？變?nèi)安全和提高鉆進(jìn)效率,按期完成勘探任務(wù),必須解決好潤滑和護(hù)壁的問題。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合地層實(shí)際,使用了低粘度、低密度、低濾失、低固相泥漿體系,把清水、膨潤土、潤滑劑、植物膠、CMC等按照一定的比例配制成符合要求的泥漿。要嚴(yán)格控制泥漿性能:粘度18～21 s,密度1.02 g/cm,pH值9,濾失量10 mL/30 min,泥餅厚度0.6 mm。及時檢查泥漿性能質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)問題及時調(diào)節(jié)或更新。

5.2.4 鉆頭的選用

選擇好和用好鉆頭是提高鉆探效率的前提。應(yīng)根據(jù)地層的軟硬來選擇不同胎體硬度的鉆頭,在實(shí)際鉆探過程中,我們根據(jù)所取巖心詳細(xì)了解地層的巖性和硬度,做到心中有數(shù)。遇到孔內(nèi)正常而進(jìn)尺很慢或是根本就不進(jìn)的情況,要及時更換鉆頭,使鉆頭與所鉆地層相匹配,以利于提高鉆探效率。根據(jù)以往的實(shí)踐,使用了唐山金石超硬材料有限公司生產(chǎn)的繩索取心鉆頭,根據(jù)不同的地層選用鉆頭:對于較軟巖層,選用胎體硬度為HRC15～25的金剛石鉆頭;對于中等硬度的巖層,選用胎體硬度為HRC25～35的金剛石鉆頭;對于研磨性高的巖層,選用胎體硬度為HRC35以上的金剛石鉆頭。取得較好的鉆探效率。

5.2.5 基巖地層破碎漏水的處理

以往淺孔都是采用水泥封,但深孔封水泥有很大的危險因素,很有可能將鉆桿封到孔內(nèi)拔不出來,造成孔內(nèi)事故。經(jīng)過分析比較,采用了隨鉆801堵漏劑,效果較好,堵住了漏失,保證了鉆孔安全。

具體堵漏方法為:先把鉆桿上提,留出要堵漏的位置;在地表將隨鉆801堵漏劑在水桶中攪拌好,通過鉆桿內(nèi)孔倒向鉆孔;首先要根據(jù)鉆桿內(nèi)徑及長度、高壓進(jìn)水管的內(nèi)徑及長度、立軸鉆桿的內(nèi)徑及長度算好替漿水的量,保證能把堵漏劑壓到孔底;然后合上立軸鉆桿,開大泵量關(guān)水,快速將隨鉆801堵漏劑壓到孔內(nèi)漏失部位,減少和孔內(nèi)沖洗液混合的機(jī)會。在此部位停1個多小時,再輕壓慢轉(zhuǎn),待孔內(nèi)返漿后才能轉(zhuǎn)入正常鉆進(jìn)。

在ZK7004鉆孔施工到453 m時出現(xiàn)漏失,從下午1∶30開始做準(zhǔn)備用801堵漏劑堵漏,到下午5∶00堵住漏失并正常鉆進(jìn),總共用了3.5 h,較一般的水泥封孔堵漏效率有了很大的提高。

6 結(jié)語

通過近幾年的鉆探施工,在渣堆上施工、堵漏、泥漿配制、鉆進(jìn)參數(shù)、鉆頭選用等方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn),深切地體會到鉆探施工是一個系統(tǒng)而復(fù)雜的工程,特別是鉆井液就象人的血液一樣,是整個鉆探工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié),更是提高效益和質(zhì)量的有效途經(jīng),希望能給今后的鉆探施工提供一些指導(dǎo)性的經(jīng)驗(yàn),也為今后的鉆探施工打下一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

[1] 姜光忍,李忠,王獻(xiàn)斌.繩索取心鉆探施工中鉆桿折斷原因分析及應(yīng)對措施[J].探礦工程(巖土鉆掘工程）,2009,36(3）: 15-17.

Coring Drilling Technology of Iron M ine in W uyang of Henan Province

Q I Xin-tang(No.4 Geological Brigade of Henan Nonferrous GeologicalMineral Resource Bureau,Zhengzhou Henan 450016,China）

According to the complex for mation in a mining section ofWuyang iron mine,the paper introduced the drilling and leakage stoppage construction technology in slag formation.

deep prospecting;coring drilling;slag for mation;leakage stoppage

P634.5

:A

:1672-7428(2010）05-0022-03

2010-01-04;

2010-03-07

祁新堂(1970-）,男(漢族）,河南鄧州人,河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第四地質(zhì)大隊(duì)工程師,工業(yè)與民用建筑專業(yè),從事巖土工程施工與管理工作,河南省舞鋼市朱蘭干休路地質(zhì)四隊(duì)(462500）,wgjd8133717@163.com。