張金柱，張金良，朱宏偉，王振福

(1.洛陽欒川鉬業(yè)集團(tuán)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(cè)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(tuán)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(jìn)技術(shù)在洛陽欒川鉬業(yè)集團(tuán)三道莊鉬礦區(qū)采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用，介紹了高風(fēng)壓潛孔錘技術(shù)鉆進(jìn)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(jìn)技術(shù)在洛鉬集團(tuán)三道莊鉬礦進(jìn)行采空區(qū)探測(cè)，摸索出了相應(yīng)的鉆進(jìn)工藝方法，大幅度提高了成孔率，對(duì)同類型礦山采空區(qū)勘探具有參考意義。

潛孔錘鉆進(jìn);采空區(qū)探測(cè);跟管鉆進(jìn)

0 序言

洛陽欒川鉬業(yè)集團(tuán)三道莊鉬礦，蘊(yùn)藏B+C+D級(jí)儲(chǔ)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(dá)38萬m2，最大塌陷深度70～80 m。采空區(qū)的存在，嚴(yán)重影響到礦區(qū)露天開采生產(chǎn)和安全，因此必須對(duì)采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)與治理。本文就高風(fēng)壓潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在該鉬礦采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 三道莊鉬礦采空區(qū)的特點(diǎn)及采空區(qū)探測(cè)工作的難度

1.1 三道莊鉬礦采空區(qū)的特點(diǎn)

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(yán)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(cuò)、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(cè)工作的難度

塌陷區(qū)地層破碎，裂隙變大。鉆進(jìn)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(shí)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(cè)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(cè)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(gè)重要礦床，位于華北地臺(tái)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(guó)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(dòng)特點(diǎn)。

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(jí)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(zhǎng)英角巖、透輝石長(zhǎng)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(cè)方法

三道莊鉬礦地下采空區(qū)的探測(cè)方法包括物探方法、鉆孔探測(cè)法及三維激光探測(cè)法相結(jié)合的手段。即先采用物探方法，對(duì)開采境界內(nèi)地下采空區(qū)進(jìn)行大面積探測(cè)，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(cè)的采空區(qū)結(jié)果，采用鉆孔探測(cè)，準(zhǔn)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(cè)法對(duì)采空區(qū)逐一進(jìn)行精確掃描探測(cè)，準(zhǔn)確掌握采空區(qū)面積、高度、形態(tài)。三種探測(cè)方法相互補(bǔ)充，可準(zhǔn)確探測(cè)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(duì)該采空區(qū)地質(zhì)情況，采用高風(fēng)壓潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行鉆孔探測(cè)。

3 高風(fēng)壓潛孔錘采空區(qū)鉆進(jìn)工藝

3.1 設(shè)備與機(jī)具組合

3.1.1 空壓機(jī)

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

3.1.2 鉆機(jī)

選用GSD－Ⅱ型動(dòng)力頭式鉆機(jī)，鉆孔直徑90～1200 mm，鉆進(jìn)深度150～50 m。

3.1.3 鉆具組合

開孔及破碎地層鉆進(jìn)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(jìn)采用GM44型潛孔錘鉆進(jìn)，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(zhǔn)備工作及開孔鉆進(jìn)技術(shù)

3.2.1 準(zhǔn)備工作

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

3.2.2 開孔鉆進(jìn)

開孔準(zhǔn)備工作做好后，按要求扶正偏心跟管鉆具，開動(dòng)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(dòng)回轉(zhuǎn)繼續(xù)鉆進(jìn)，套管下入完整基巖后換φ115 mm鉆頭鉆至終孔?？諌簷C(jī)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(shí)選用風(fēng)量越大。

3.3 塌陷區(qū)鉆進(jìn)工藝

(1)偏心跟管鉆進(jìn)時(shí)要嚴(yán)格控制風(fēng)量選擇，力爭(zhēng)達(dá)到潛孔錘的正常工作和排渣干凈的完美結(jié)合。鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)為:塌落物松散時(shí)風(fēng)量采用全風(fēng)量的1/3，約100～120 L/s，塌落物密實(shí)時(shí)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(shí)，采用高轉(zhuǎn)速、低鉆壓的鉆進(jìn)參數(shù)，同時(shí)要不斷上下竄動(dòng)鉆具，直至鉆孔通暢后方能停鉆接長(zhǎng)鉆桿。

(3)鉆遇大的塊石偏居鉆孔時(shí)，采用輕鉆壓、高轉(zhuǎn)速的鉆進(jìn)參數(shù)，防止別斷鉆頭。若遇鉆具卡死情況發(fā)生時(shí)，絕對(duì)禁止強(qiáng)行開動(dòng)鉆機(jī)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(jìn)參數(shù)重復(fù)竄動(dòng)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(jìn)，直到設(shè)計(jì)孔深。

3.4 采空區(qū)鉆進(jìn)工藝

(1)直接鉆穿法。包括通過改變與控制鉆進(jìn)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(jìn)示意圖如圖2所示。當(dāng)鉆進(jìn)到采空區(qū)底板時(shí)，采用輕壓、慢轉(zhuǎn)、微給進(jìn)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(dāng)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(dāng)?shù)刈湓诘装迳?，?duì)繼續(xù)鉆進(jìn)起導(dǎo)向作用。下完套管后，用普通潛孔錘工藝?yán)^續(xù)鉆進(jìn)，直到鉆進(jìn)到設(shè)計(jì)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(jìn)規(guī)程參數(shù)。風(fēng)化基巖及完整基巖鉆進(jìn)時(shí)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(shí)，應(yīng)減小風(fēng)量至均勻沖擊為準(zhǔn);風(fēng)壓選用1.8 MPa左右;鉆壓選為鉆具自重。

(4)當(dāng)要穿透二層采空區(qū)繼續(xù)鉆進(jìn)時(shí)，必須在下層底板比較完整且傾角較小時(shí)，才能實(shí)施。鉆進(jìn)時(shí)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(jìn)80 cm左右后方可正常鉆進(jìn)，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(cè)方法為:上下重復(fù)提動(dòng)鉆具接觸孔底，若每次接觸孔底探測(cè)深度相差不大，則說明底板鉆進(jìn)部位地層傾角較小。

(6)實(shí)際施工過程中，當(dāng)套管的長(zhǎng)度＞30 m時(shí)，要穿過破碎、堅(jiān)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(dāng)?shù)?，所以最好不采用下套管?dǎo)向鉆進(jìn)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(jìn)時(shí)效:在塌陷區(qū)跟管鉆進(jìn)的平均時(shí)效為2～3 m，在一般地層鉆進(jìn)平均時(shí)效3.40 m。臺(tái)月效率840 m，是該礦區(qū)立軸鉆機(jī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)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(gè)，有效進(jìn)尺3024 m。在塌陷復(fù)雜地層，跟管鉆進(jìn)的最大深度達(dá)到了27 m，采空區(qū)鉆孔深度超過100 m。鉆孔成功率＞90%。

(3)實(shí)踐表明，鉆進(jìn)塌陷區(qū)時(shí)必須使用跟管鉆進(jìn)技術(shù)，穿越采空區(qū)鉆進(jìn)時(shí)采用直接鉆穿法優(yōu)于套管導(dǎo)向鉆穿法。

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

4.2 存在的問題

(1)本次應(yīng)用潛孔錘鉆進(jìn)效率偏低，其原因有:①地層破碎，活動(dòng)的堅(jiān)硬巖塊多，地層裂隙多、漏失嚴(yán)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(jìn)過程中要經(jīng)常反復(fù)上下提拉鉆具，所花費(fèi)的時(shí)間遠(yuǎn)超過純鉆進(jìn)時(shí)間;③跟管鉆進(jìn)時(shí)，遇到破碎堅(jiān)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(fèi)時(shí)多、難度大。

(2)穿越采空區(qū)施工難度大。采空區(qū)鉆進(jìn)時(shí)，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(jìn)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(jìn)技術(shù)，摸索出了高風(fēng)壓潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在該礦區(qū)的鉆進(jìn)工藝和鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)。通過對(duì)潛孔錘管靴結(jié)構(gòu)改進(jìn)，大大減少了斷裂現(xiàn)象，提高了跟管鉆進(jìn)技術(shù)在該礦區(qū)的跟管深度。若通過進(jìn)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(jìn)技術(shù)在該礦區(qū)的鉆進(jìn)效率;通過提高潛孔錘鉆具的剛度和強(qiáng)度，可繼續(xù)加大潛孔錘跟管鉆進(jìn)深度。高風(fēng)壓潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)必將在該鉬礦采空區(qū)探測(cè)中得到更廣泛地應(yīng)用。

［1］汪彥樞.潛孔錘跟管鉆進(jìn)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(cè)實(shí)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(tuán)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(cè)及采空區(qū)的管理工作，河南省欒川縣縣城。