張金柱，張金良，朱宏偉，王振福

(1.洛陽欒川鉬業(yè)集團股份有限公司礦山公司，河南 欒川 471542;2.陜西省地礦局，陜西西安 710054)

潛孔錘技術(shù)在三道莊鉬礦采空區(qū)探測中的應(yīng)用

張金柱1，張金良1，朱宏偉1，王振福2

(1.洛陽欒川鉬業(yè)集團股份有限公司礦山公司，河南 欒川 471542;2.陜西省地礦局，陜西西安 710054)

結(jié)合高風(fēng)壓潛孔錘鉆進技術(shù)在洛陽欒川鉬業(yè)集團三道莊鉬礦區(qū)采空區(qū)探測中的應(yīng)用，介紹了高風(fēng)壓潛孔錘技術(shù)鉆進塌陷區(qū)、穿越采空區(qū)施工技術(shù)。應(yīng)用高風(fēng)壓潛孔錘鉆進技術(shù)在洛鉬集團三道莊鉬礦進行采空區(qū)探測，摸索出了相應(yīng)的鉆進工藝方法，大幅度提高了成孔率，對同類型礦山采空區(qū)勘探具有參考意義。

潛孔錘鉆進;采空區(qū)探測;跟管鉆進

0 序言

洛陽欒川鉬業(yè)集團三道莊鉬礦，蘊藏B+C+D級儲量58713萬t，2005年底以前，該礦床開采主要以地下硐采方式為主。為了合理利用資源，2006年全面改換為露天方式開采，形成了30000 t/d的露天生產(chǎn)規(guī)模。但是，由于早期多家企業(yè)的地下無序開采，露天開采境界形成了近2000萬m3的地下采空區(qū)，2005年以后，地表多次塌陷，塌陷面積達38萬m2，最大塌陷深度70～80 m。采空區(qū)的存在，嚴重影響到礦區(qū)露天開采生產(chǎn)和安全，因此必須對采空區(qū)進行探測與治理。本文就高風(fēng)壓潛孔錘鉆進技術(shù)在該鉬礦采空區(qū)探測中的應(yīng)用進行探討。

1 三道莊鉬礦采空區(qū)的特點及采空區(qū)探測工作的難度

1.1 三道莊鉬礦采空區(qū)的特點

采空區(qū)位于富礦體內(nèi)，無序開采及礦柱被采破壞現(xiàn)象嚴重。使得采空區(qū)形態(tài)不規(guī)則、深度不定、邊界不清、大小及高低不一致;采空區(qū)復(fù)合交錯、面積大、間隔層較薄，甚至幾層相互采透貫通，有大量盲采空區(qū)存在。

1.2 采空區(qū)探測工作的難度

塌陷區(qū)地層破碎，裂隙變大。鉆進過程中，特別是上部地層，常發(fā)生卡鉆、鉆具折斷、提鉆后鉆孔坍塌事故;采空區(qū)底板表面不平整，穿越采空區(qū)時易導(dǎo)致鉆具偏斜、產(chǎn)生鉆具折斷事故和巖粉排出困難，使得采空區(qū)探測穿孔難度大，穿孔質(zhì)量低，普通鉆探技術(shù)無法鉆探到塌陷區(qū)下部采空區(qū)等。

2 三道莊鉬礦地質(zhì)概況及采空區(qū)的探測方法

2.1 礦區(qū)地質(zhì)概況

2.1.1 地質(zhì)構(gòu)造

三道莊鉬礦區(qū)是東秦嶺鉬金屬礦帶內(nèi)的一個重要礦床，位于華北地臺南緣東秦嶺鉬礦帶內(nèi)的豫西斷隆，三川—欒川褶皺帶中。該陷褶帶北部為熊耳山隆褶帶，南部為伏牛山隆褶帶，礦床與燕山期酸性或中酸性小侵入體密切相關(guān)，構(gòu)成我國重要的燕山期斑巖－矽卡巖鉬礦床之一。礦區(qū)構(gòu)造線方向以北西西為主，裂隙和褶皺都比較發(fā)育，礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造密集發(fā)育，具多期活動特點。

2.1.2 地層情況

礦區(qū)內(nèi)出露的地層主要為欒川群南泥湖組和三川組，鉬礦體主要分布在南泥湖組中下段地層及三川組。圍巖主要為欒川群三川組大理巖和南泥湖級二云母片巖、石英巖等。前者受接觸交代作用形成透輝石矽卡巖和石榴石矽卡巖，是三道莊鉬鎢礦主要含礦層位;后者受熱接觸變質(zhì)作用形成黑云母長英角巖、透輝石長英角巖等，是南泥湖鉬礦的主要賦存層位。

2.2 三道莊鉬礦采空區(qū)探測方法

三道莊鉬礦地下采空區(qū)的探測方法包括物探方法、鉆孔探測法及三維激光探測法相結(jié)合的手段。即先采用物探方法，對開采境界內(nèi)地下采空區(qū)進行大面積探測，初步確定采空區(qū)的位置和埋藏深度，然后根據(jù)物探方法探測的采空區(qū)結(jié)果，采用鉆孔探測，準確掌握采空區(qū)頂板厚度以及采空區(qū)高度，最后采用三維激光探測法對采空區(qū)逐一進行精確掃描探測，準確掌握采空區(qū)面積、高度、形態(tài)。三種探測方法相互補充，可準確探測地下采空區(qū)的基本情況，指導(dǎo)采空區(qū)處理和采礦安全生產(chǎn)。

針對該采空區(qū)地質(zhì)情況，采用高風(fēng)壓潛孔錘鉆進技術(shù)進行鉆孔探測。

3 高風(fēng)壓潛孔錘采空區(qū)鉆進工藝

3.1 設(shè)備與機具組合

3.1.1 空壓機

選用Atlas SHR型高風(fēng)壓空氣壓縮機，額定風(fēng)壓 2.4 MPa，額定風(fēng)量 26 m3/min。

3.1.2 鉆機

選用GSD－Ⅱ型動力頭式鉆機，鉆孔直徑90～1200 mm，鉆進深度150～50 m。

3.1.3 鉆具組合

開孔及破碎地層鉆進采用PGZ115－44－146/8型偏心跟管鉆具，其鉆具組合為:φ155 mm偏心鉆頭﹢φ126 mm導(dǎo)向器﹢GM44型潛孔錘﹢φ73 mm外平鉆桿﹢φ146 mm管靴及套管(參見圖1)。

圖1 PGZ115－44－146/8型偏心跟管鉆具組成示意圖

正常鉆進采用GM44型潛孔錘鉆進，鉆具組合為:φ115 mm鉆頭+GM44型潛孔錘+φ73 mm外平鉆桿。GM44型潛孔錘主要性能參數(shù)見表1。

表1 GM44型潛孔錘性能參數(shù)表

3.2 準備工作及開孔鉆進技術(shù)

3.2.1 準備工作

安裝鉆機時保證鉆機動力頭對正孔位且導(dǎo)向桿垂直，支座調(diào)平、鉆機安裝穩(wěn)固，以保證開孔和鉆進過程鉆孔垂直度?？諌簷C與鉆機連接風(fēng)管必須采用2寸鋼編橡膠管，連接長度不低于40 m，保證空壓機和孔口、采樣分離器間有一定的距離，以利于空壓機工作環(huán)境干凈。

3.2.2 開孔鉆進

開孔準備工作做好后，按要求扶正偏心跟管鉆具，開動潛孔錘并且不回轉(zhuǎn)鉆具，將開孔鉆具打入地面20～30 cm并使其定位后再開動回轉(zhuǎn)繼續(xù)鉆進，套管下入完整基巖后換φ115 mm鉆頭鉆至終孔?？諌簷C工作壓力選用1.8 MPa，根據(jù)地層松散破碎程度調(diào)節(jié)風(fēng)量，以控制潛孔錘的沖擊頻率及沖擊功，越松散選用風(fēng)量越小，反之越密實選用風(fēng)量越大。

3.3 塌陷區(qū)鉆進工藝

(1)偏心跟管鉆進時要嚴格控制風(fēng)量選擇，力爭達到潛孔錘的正常工作和排渣干凈的完美結(jié)合。鉆進規(guī)程參數(shù)為:塌落物松散時風(fēng)量采用全風(fēng)量的1/3，約100～120 L/s，塌落物密實時選用全風(fēng)量的2/3，約180 ～210 L/s;風(fēng)壓選用1.6 MPa左右;鉆壓為鉆具自重，不再附加施加壓力。

(2)鉆遇夾雜的特破碎地層時，采用高轉(zhuǎn)速、低鉆壓的鉆進參數(shù)，同時要不斷上下竄動鉆具，直至鉆孔通暢后方能停鉆接長鉆桿。

(3)鉆遇大的塊石偏居鉆孔時，采用輕鉆壓、高轉(zhuǎn)速的鉆進參數(shù)，防止別斷鉆頭。若遇鉆具卡死情況發(fā)生時，絕對禁止強行開動鉆機正轉(zhuǎn)，應(yīng)盡快用千斤頂把鉆具頂離孔底或反轉(zhuǎn)上拉鉆具，脫離卡死位置后再采用輕鉆壓、高轉(zhuǎn)速的鉆進參數(shù)重復(fù)竄動通過偏心石塊。

(4)鉆穿塌陷區(qū)后，改用φ115 mm普通潛孔錘鉆頭繼續(xù)鉆進，直到設(shè)計孔深。

3.4 采空區(qū)鉆進工藝

(1)直接鉆穿法。包括通過改變與控制鉆進工藝參數(shù)、下套管導(dǎo)向、灌注水泥等工藝措施，直接鉆穿采空區(qū)，鉆進示意圖如圖2所示。當鉆進到采空區(qū)底板時，采用輕壓、慢轉(zhuǎn)、微給進的工藝參數(shù)，在底板處使鉆頭輕輕接觸底板，鉆具保持垂直狀態(tài)，以保證在底板垂直開孔，避免鉆具偏斜和折斷。

圖2 直接鉆穿采空區(qū)示意圖

(2)套管導(dǎo)向鉆穿法。當鉆透采空區(qū)頂板后，把套管從空口一直下放到采空區(qū)底板，使套管穩(wěn)當?shù)刈湓诘装迳?，對繼續(xù)鉆進起導(dǎo)向作用。下完套管后，用普通潛孔錘工藝繼續(xù)鉆進，直到鉆進到設(shè)計深度為止。下套管導(dǎo)向鉆穿法如圖3所示。

圖3 套管導(dǎo)向鉆穿采空區(qū)示意圖

(3)鉆進規(guī)程參數(shù)。風(fēng)化基巖及完整基巖鉆進時風(fēng)量采用全風(fēng)量，約280～300 L/s，若出現(xiàn)潛孔錘空打(不工作)情況時，應(yīng)減小風(fēng)量至均勻沖擊為準;風(fēng)壓選用1.8 MPa左右;鉆壓選為鉆具自重。

(4)當要穿透二層采空區(qū)繼續(xù)鉆進時，必須在下層底板比較完整且傾角較小時，才能實施。鉆進時必須在控制鉆速的情況下采用低轉(zhuǎn)速、低風(fēng)量的參數(shù)，鉆進80 cm左右后方可正常鉆進，鉆效控制在1 m/h左右為宜。

(5)二層采空區(qū)底板傾角探測方法為:上下重復(fù)提動鉆具接觸孔底，若每次接觸孔底探測深度相差不大，則說明底板鉆進部位地層傾角較小。

(6)實際施工過程中，當套管的長度＞30 m時，要穿過破碎、堅硬的復(fù)雜地層把套管下入到采空區(qū)底板極其困難，成功率相當?shù)?，所以最好不采用下套管?dǎo)向鉆進方法。施工中多采用直接鉆透方法。

4 應(yīng)用效果及存在的問題

4.1 應(yīng)用效果

(1)鉆進時效:在塌陷區(qū)跟管鉆進的平均時效為2～3 m，在一般地層鉆進平均時效3.40 m。臺月效率840 m，是該礦區(qū)立軸鉆機回轉(zhuǎn)鉆進工藝效率的2倍多。

(2)鉆孔成功率:使用高風(fēng)壓潛孔錘完成鉆孔51個，有效進尺3024 m。在塌陷復(fù)雜地層，跟管鉆進的最大深度達到了27 m，采空區(qū)鉆孔深度超過100 m。鉆孔成功率＞90%。

(3)實踐表明，鉆進塌陷區(qū)時必須使用跟管鉆進技術(shù)，穿越采空區(qū)鉆進時采用直接鉆穿法優(yōu)于套管導(dǎo)向鉆穿法。

(4)通過加強對上部不穩(wěn)定地層的保護、及時打撈斷裂的偏心鉆頭及對管靴結(jié)構(gòu)改進等措施，可大大提高跟管鉆進技術(shù)在塌陷區(qū)復(fù)雜地層的鉆進深度。

4.2 存在的問題

(1)本次應(yīng)用潛孔錘鉆進效率偏低，其原因有:①地層破碎，活動的堅硬巖塊多，地層裂隙多、漏失嚴重，沖擊破碎下來的巖屑無法返出地表，容易造成卡鉆、埋鉆事故，提鉆后出現(xiàn)塌孔;②在鉆進過程中要經(jīng)常反復(fù)上下提拉鉆具，所花費的時間遠超過純鉆進時間;③跟管鉆進時，遇到破碎堅硬塌陷地層，由于阻力大，經(jīng)常憋鉆，導(dǎo)致偏心鉆頭上部與導(dǎo)向器連接的螺紋根部斷裂，處理斷裂的偏心鉆頭費時多、難度大。

(2)穿越采空區(qū)施工難度大。采空區(qū)鉆進時，經(jīng)常出現(xiàn)因鉆具偏斜使孔內(nèi)鉆具折斷的事故。跟管鉆進過程中，常出現(xiàn)管靴、偏心鉆頭斷裂，導(dǎo)致跟管無法繼續(xù)等事故。

5 結(jié)語

通過在三道莊鉬礦塌陷區(qū)、采空區(qū)等復(fù)雜地層中應(yīng)用高風(fēng)壓潛孔錘鉆進技術(shù)，摸索出了高風(fēng)壓潛孔錘鉆進技術(shù)在該礦區(qū)的鉆進工藝和鉆進技術(shù)參數(shù)。通過對潛孔錘管靴結(jié)構(gòu)改進，大大減少了斷裂現(xiàn)象，提高了跟管鉆進技術(shù)在該礦區(qū)的跟管深度。若通過進一步的應(yīng)用技術(shù)研究，設(shè)法提高高風(fēng)壓潛孔錘鉆進技術(shù)在該礦區(qū)的鉆進效率;通過提高潛孔錘鉆具的剛度和強度，可繼續(xù)加大潛孔錘跟管鉆進深度。高風(fēng)壓潛孔錘鉆進技術(shù)必將在該鉬礦采空區(qū)探測中得到更廣泛地應(yīng)用。

［1］汪彥樞.潛孔錘跟管鉆進方法的開發(fā)及應(yīng)用［J］，探礦工程，2003，(S1):201 －203.

［2］王春毅，王永紅，程秀升.露天礦境界內(nèi)地下采空區(qū)探測實踐［J］，采礦技術(shù)，2008，8(6):61 －62.

Application of Down-hole Hammer Technology for Survey in Worked-out Area of Molybdenum Mine

ZHANG Jinzhu1，ZHANG Jin-liang1，ZHU Hong-wei1，WANG Zhen-fu2(1.Mining Company of Luoyang Luanchuan Molybdenum Co.，Ltd.，Luanchuan Henan 471542，China;2.Shaanxi Bureau of Geology and Mineral Resources，Xi’an Shaanxi 710054，China)

According to the application of high-air pressure down-hole hammer drilling technology in worked-out area of molybdenum mine，the paper introduced the subsidence area drilling with high-air pressure down-hole hammer and crossing subsidence area construction technology.By the survey in worked-out area of molybdenum mine with high-air pressure down-hole hammer drilling technology，relative drilling technological methods were found out and success rate of borehole was largely increased.

down-hole hammer drilling;survey in worked-out area;drilling with casing

P634.5+6

A

1672－7428(2011)07－0066－03

2011－01－31;

2011－04－18

張金柱(1968－)，男(漢族)，河南欒川人，洛陽欒川鉬業(yè)集團股份有限公司礦山公司助理工程師，采礦專業(yè)，主要從事于礦山空區(qū)探測及采空區(qū)的管理工作，河南省欒川縣縣城。