常江華，凡 東，劉慶修，史海岐，劉建林，楊偉峰

（中煤科工集團(tuán)西安研究院，陜西西安 710077）

水平孔繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)在金礦坑道勘探中的應(yīng)用

常江華，凡 東，劉慶修，史海岐，劉建林，楊偉峰

（中煤科工集團(tuán)西安研究院，陜西西安 710077）

隨著淺部可采資源越來(lái)越少，對(duì)老礦山進(jìn)行深部和外圍資源勘探的需求越來(lái)越迫切，坑道勘探是在老礦區(qū)進(jìn)行深部資源勘探的一個(gè)捷徑。結(jié)合太白縣某金礦坑道勘探的鉆孔需求，采用了繩索取心水平鉆進(jìn)工藝，合理選擇鉆機(jī)、鉆具及輔助裝備，完成了勘探工作，為國(guó)內(nèi)采用水平孔繩索取心鉆進(jìn)工藝施工坑道勘探鉆孔提供參考。

水平孔;繩索取心;坑道;鉆探

1 礦區(qū)勘探概況

太白縣某金礦位于西秦嶺中帶，陜西省寶雞市境內(nèi)，礦區(qū)經(jīng)歷了自太古宙以來(lái)的多期造山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，具有復(fù)雜的構(gòu)造演化史，礦床受大型剪切帶以及大型剪切帶內(nèi)或旁側(cè)的剪切褶皺和剪切斷裂的控制，屬于較為典型的造山型金礦床。礦石類(lèi)型以破碎帶蝕變巖型、構(gòu)造蝕變巖型和石英脈型為主。

該礦目前正處于勘探階段，已探明的礦帶成扁豆形分布，礦帶狹窄處不過(guò)幾公分，但是金礦品位較高、易采、易選，主要賦存于黃鐵礦和鐵白云石中，伴生大量石英礦。

礦區(qū)以往采用的坑道炮掘勘探成本高、進(jìn)度慢，難以滿(mǎn)足該礦快速完成勘探、投入生產(chǎn)的急切需求。礦方急需更加方便、低成本的勘探方法。

鉆探取心勘探方法是一種相對(duì)方便、低成本的勘探方法，坑道鉆探取心除了需要鉆進(jìn)垂直向下鉆孔以外，經(jīng)常需要沿礦床層帶鉆進(jìn)近水平孔，取心方法有提鉆取心和不提鉆取心兩種。提鉆取心雖然工藝施工簡(jiǎn)單，但隨鉆孔加深，所用時(shí)間及勞動(dòng)量遞增，不適用中深孔取心鉆進(jìn)。不提鉆取心方法又有反循環(huán)取心和繩索取心兩種。反循環(huán)取心往往受到鉆孔漏失、設(shè)備管材（雙壁鉆桿）費(fèi)用昂貴等影響，而且?guī)r心質(zhì)量得不到保證;繩索取心鉆進(jìn)具有鉆進(jìn)效率高、地質(zhì)效果好、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低等諸多優(yōu)點(diǎn)，于是我們開(kāi)展了這項(xiàng)工藝在水平孔鉆進(jìn)中的生產(chǎn)應(yīng)用試驗(yàn)。

礦方要求在礦區(qū)施工近水平鉆孔一個(gè)，鉆孔深度≥300 m，終孔直徑≥78 mm，巖心直徑≥49 mm，取心率≥90%。主要施工地層為粉砂質(zhì)灰?guī)r夾薄層變質(zhì)粉砂巖，局部為變質(zhì)細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖、斑點(diǎn)狀泥質(zhì)粉砂巖夾砂質(zhì)板巖、粉砂質(zhì)灰?guī)r透鏡體等。巖石堅(jiān)硬，灰?guī)r可鉆性等級(jí)8～9級(jí)，石英可鉆性等級(jí)9～10級(jí)。

2 配套設(shè)備

為了完成預(yù)定300 m水平取心鉆孔的任務(wù)，配套的主要設(shè)備有:ZDY1000G型全液壓坑道鉆機(jī)，坑道用高強(qiáng)度繩索取心鉆桿，水平孔75 mm坑道用繩索取心鉆具，BW-250型泥漿泵，金剛石繩索取心鉆頭和擴(kuò)孔器。

2.1 ZDY1000G型全液壓坑道鉆機(jī)

ZDY1000G型全液壓坑道鉆機(jī)（圖1）具有豎直鉆進(jìn)500 m、水平鉆進(jìn)400 m的能力。鉆機(jī)為全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)，具有分體性好，在坑道狹小空間內(nèi)布置靈活方便;給進(jìn)行程長(zhǎng)，效率高;可滿(mǎn)足多角度鉆孔施工，適宜礦體的追索［1，2］。該鉆機(jī)的主要特點(diǎn)有:

圖1 ZDY1000G型全液壓坑道鉆機(jī)

（1）鉆機(jī)遵循分體式、模塊化的設(shè)計(jì)原則［3］，整體由主機(jī)、泵站、操縱臺(tái)3部分組成，各部分之間用軟管連接，擺布靈活，解體性好，便于搬遷運(yùn)輸［4］。

（2）給進(jìn)裝置采用油缸鏈條的倍速機(jī)構(gòu)，行程長(zhǎng)、機(jī)身短，導(dǎo)向性好，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，機(jī)身剛度好。設(shè)計(jì)了新型的復(fù)合鏈條張緊裝置，鏈條傳動(dòng)穩(wěn)、高效［5］。

（3）液壓系統(tǒng)采用雙泵開(kāi)式系統(tǒng)，回轉(zhuǎn)和給進(jìn)回路分別獨(dú)立供油，回轉(zhuǎn)參數(shù)和給進(jìn)參數(shù)可以獨(dú)立調(diào)節(jié)而不相互干擾。

（4）回轉(zhuǎn)器采用變量泵+變量馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)調(diào)速方式，轉(zhuǎn)速可以無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)范圍寬，工藝適應(yīng)性強(qiáng)。

水平孔與垂直孔鉆進(jìn)用繩索取心鉆具使用場(chǎng)合不一樣，特點(diǎn)存在明顯差別，垂直孔鉆進(jìn)可以靠重力自由下放內(nèi)管總成和打撈器，水平孔鉆進(jìn)時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)內(nèi)管總成和打撈器的自由下放;另外垂直孔鉆進(jìn)時(shí)鉆具的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)與自身重力方向相同，受力情況較好，水平孔鉆進(jìn)鉆具的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)與自身重力方向垂直，受力情況明顯較差。

2.3 BW-250型泥漿泵

試驗(yàn)選用BW-250型泥漿泵，該泵具有壓力高、泵量大的特點(diǎn)，可用于孔徑70～200 mm、孔深500 m的全面或取心鉆進(jìn)，能夠完全滿(mǎn)足排粉和正常鉆進(jìn)的要求。

圖2 75 mm坑道用水平孔繩索取心鉆具

圖3 水力輸送打撈器

圖4 通纜式水接頭

2.4 坑道用高強(qiáng)度繩索取心鉆桿

在近水平孔鉆進(jìn)時(shí)，鉆桿在自重的作用下，貼在孔壁上，回轉(zhuǎn)時(shí)，摩擦阻力增大，當(dāng)孔深相近時(shí)，近水平孔鉆桿承受的扭矩比垂直孔鉆桿承受的扭矩要大得多，要求鉆桿有更高的強(qiáng)度和耐磨性。針對(duì)這種情況，研制了坑道用高強(qiáng)度繩索取心鉆桿（見(jiàn)圖5）。其主要特點(diǎn)有:

圖5 坑道用高強(qiáng)度繩索取心鉆桿結(jié)構(gòu)圖

（1）鉆桿采用摩擦焊接公母接頭工藝，鉆桿疲勞強(qiáng)度高，密封性能好，公母接頭與鉆桿體連接強(qiáng)度高;

（2）采用雙頂錐螺紋連接，螺紋擰緊時(shí)接觸面積大，間隙小，螺紋受力均勻，傳遞扭矩大，密封性能好，而且具有自定心的特點(diǎn)，減少螺紋的擰卸磨損。

2.5 鉆頭與擴(kuò)孔器

金剛石雙管取心鉆頭（如圖6a）用于繩索取心雙管鉆進(jìn)，由于鉆桿最大外徑為75 mm，考慮合理的孔壁間隙，鉆頭的外徑設(shè)計(jì)為78.5 mm。

3 鉆進(jìn)工藝

3.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

3.2 沖洗介質(zhì)

圖6 鉆頭及擴(kuò)孔器

沖洗介質(zhì)的主要功用是冷卻鉆頭、攜帶和排除巖粉。施工礦區(qū)巖石比較穩(wěn)定，成孔容易，因此采用泥漿泵供應(yīng)的清水作為沖洗介質(zhì)就可滿(mǎn)足鉆進(jìn)要求。

3.3 鉆進(jìn)工藝參數(shù)

一般來(lái)說(shuō)，在一定范圍內(nèi)鉆速是隨鉆壓的增大而增加的，但它們因孔底碎巖機(jī)理的不同而有所不同。過(guò)大的鉆壓使金剛石消耗量急劇增大，而且還會(huì)導(dǎo)致鉆速下降。另外取心鉆頭是非標(biāo)尺寸，唇面較大，需要的鉆壓適當(dāng)要大一些，所以鉆壓在易鉆地層基本選擇在9～12 kN，在個(gè)別堅(jiān)硬、復(fù)雜地層時(shí)12～18 kN。

金剛石取心鉆進(jìn)要求鉆頭有足夠高的轉(zhuǎn)速來(lái)達(dá)到高效率鉆進(jìn)的目的，但是水平孔鉆進(jìn)鉆桿與孔壁的摩擦力大，過(guò)高的轉(zhuǎn)速需要高功率，而且對(duì)鉆桿的損傷大，所以選擇鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速390～700 r/min，并且隨著鉆孔深度的增加適當(dāng)?shù)慕档娃D(zhuǎn)速。

沖洗液量大，則孔內(nèi)比較干凈，鉆孔軌跡在重力作用下將有下斜的趨勢(shì);沖洗液量小，則孔內(nèi)可能產(chǎn)生巖屑的堆積物，產(chǎn)生巖屑橋，使鉆孔軌跡向上偏斜;地層巖性比較穩(wěn)定，而沖洗液量又適中時(shí)，有利于鉆孔的保直鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過(guò)程中泥漿泵的泵量選用52 L/min，泵送和打撈內(nèi)管總成時(shí)，為了提高效率，泥漿泵的泵量適當(dāng)調(diào)大。

4 施工情況

2010年9月，1號(hào)鉆孔開(kāi)孔定位于礦區(qū)運(yùn)輸大巷南端底板以上1.3 m，鉆孔方位與運(yùn)輸大巷夾角成7°，開(kāi)孔傾角-1.22°。為便于下放內(nèi)管總成，先使用單管鉆進(jìn)4 m，然后換用繩索取心鉆進(jìn)，繩索取心水平孔鉆進(jìn)工藝方法不但減輕了提下鉆時(shí)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，也減少了鉆進(jìn)輔助時(shí)間。設(shè)備在鉆進(jìn)過(guò)程中性能穩(wěn)定，系統(tǒng)壓力在孔深240 m以前在7～10 MPa，在孔深240 m以后為10～14 MPa，鉆進(jìn)破碎地層最大系統(tǒng)壓力為23 MPa（鉆機(jī)系統(tǒng)調(diào)定最大壓力為26 MPa）;鉆進(jìn)時(shí)鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速390～700 r/min，隨著鉆孔深度的增加適當(dāng)?shù)慕档娃D(zhuǎn)速。

鉆孔深度為324 m時(shí)，系統(tǒng)壓力急劇升高，停鉆對(duì)鉆孔的孔斜進(jìn)行了測(cè)量，鉆孔軌跡見(jiàn)圖7，鉆孔基本呈稍微下斜趨勢(shì)，最大孔斜-3.82°，鉆孔軌跡基本保持平直，排除因?yàn)榭仔贝蠖鸬南到y(tǒng)壓力升高，初步判斷該段地層破碎，大量碎巖堆積在鉆桿附近引起系統(tǒng)壓力升高。

圖7 鉆孔軌跡圖

11月22日，成功終孔，終孔深度401.8 m，取心率達(dá)到90.87%。完成了預(yù)定孔深300 m、取心率90%的目標(biāo)。

5 總結(jié)

（2）水平孔繩索取心鉆探工藝減輕了提下鉆時(shí)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了鉆進(jìn)輔助時(shí)間，但是由于第一次采用這種工藝方法，使用者操作不太熟練，加上對(duì)地層條件不了解，1號(hào)鉆孔沒(méi)有完全發(fā)揮該工藝方法應(yīng)有的鉆進(jìn)效率，以后還需要繼續(xù)做大量工作推廣應(yīng)用。

（3）隨著資源開(kāi)采量的增加，淺部資源越來(lái)越少，對(duì)老礦山進(jìn)行深部和外圍資源勘探的的需求越來(lái)越迫切，坑道勘探是在老礦區(qū)進(jìn)行深部資源勘探的一個(gè)捷徑，水平孔繩索取心鉆進(jìn)工藝是中深孔坑道勘探的理想方法，應(yīng)用會(huì)逐漸增多。

［1］ 殷新勝，凡東，魏歡歡，等.中深孔坑道勘探設(shè)備的研制［A］.2011年陜西省探礦工程年會(huì)論文集［C］.118-121.

［2］ 常江華，王賀劍，姚克，等.ZDY1000G型坑道勘探鉆機(jī)的設(shè)計(jì)［A］.2010年陜西省探礦工程年會(huì)論文集［C］.209-212.

［3］ 石智軍，胡少韻，姚寧平，等.煤礦井下瓦斯抽采（放）鉆孔施工新技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2008.16.

［4］ 凡東，殷新勝，常江華，等.ZDY1000G型全液壓坑道鉆機(jī)的設(shè)計(jì)［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2011，（1）:78-80.

［5］ 殷新勝，田宏亮，凡東，等.一種用于鏈條倍速機(jī)構(gòu)的張緊緩沖裝置［P］.中國(guó)專(zhuān)利:200920033862.9.

［6］ 殷新勝，石智軍，魏歡歡，等.一種坑道近水平孔用繩索取心鉆具［P］.中國(guó)專(zhuān)利:201020279922.8.

Application of Wire-line Coring Technology in Horizontal Borehole for Exploration in Gold Mine Tunnel

CHANG Jiang-hua，F(xiàn)AN Dong，LIU Qing-xiu，SHI Hai-qi，LIU Jian-lin，YANG Wei-feng（Xi’an Research Institute of China Coal Technology ＆ Engineering Group Corp，Xi’an Shaanxi 710077，China）

The deep and peripheral resource exploration in old mine has been much more urgent as the shallow available resource is less and less，now the tunnel exploration is a shortcut for deep resource exploration in old mine.According to the tunnel exploration drilling conditions of a gold mine in Taibai County，horizontal wire-line coring technology is adopted with rational selection of drilling rig，drilling tools and auxiliary equipments to finish the exploration work，which can be a reference for using horizontal wire-line coring technology in tunnel exploration drilling in China.

horizontal hole;wire-line coring;tunnel;exploration drilling

P634.5

A

1672-7428（2012）01-0040-04

2011-06-03

常江華（1982-），男（漢族），河南西平人，中煤科工集團(tuán)西安研究院工程師，機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)，碩士，從事坑道鉆探機(jī)具的研發(fā)和推廣工作，陜西省西安市高新區(qū)錦業(yè)一路82號(hào)，13659250891@126.com。