鄧夢(mèng)春,陸生林,殷 琨,黃晟輝
(1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所,四川成都611734;2.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心,四川成都610081;3.吉林大學(xué),吉林 長春130061)
空氣反循環(huán)取樣鉆探技術(shù)是集潛孔錘沖擊回轉(zhuǎn)高速碎巖鉆進(jìn)、壓縮空氣全孔反循環(huán)、鉆進(jìn)過程中連續(xù)獲取巖樣3項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)于一體的鉆進(jìn)新技術(shù)。由于改變了傳統(tǒng)的取心和碎巖方式,它與普通取心鉆進(jìn)相比,不但施工效率高(施工效率提高3~10倍),成本低(成本僅為普通取心鉆進(jìn)的1/5~1/3),而且鉆孔質(zhì)量好,利于穿越復(fù)雜地層,因而被鉆探界稱之為繼繩索取心鉆探技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命。
中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所利用這一技術(shù)在云南大理州北衙金礦進(jìn)行了4個(gè)鉆孔的試驗(yàn)工作。試驗(yàn)地層屬于復(fù)雜地層,破碎、地下空洞多、地下水豐富,孔壁不穩(wěn)定、掉塊、探頭石多、粘土含量高遇水縮徑,造成頻繁卡鉆且非常嚴(yán)重,堵塞正、反循環(huán)通道。盡管如此,與普通巖心鉆探相比較,還是具有較大的優(yōu)越性。主要體現(xiàn)在鉆進(jìn)效率高,巖礦心采取率高且代表性好,找礦效果好。
北衙金礦是我國十大金礦之一,屬于云南黃金公司所有。它位于麗江和大理之間,距麗江和大理各100 km左右,地處大理州鶴慶縣西邑鎮(zhèn)北衙村,交通十分方便。該礦為露天開采,鉆探施工在開采平臺(tái)上進(jìn)行,開孔就是巖層。
礦區(qū)出露的地層有二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組(P2β);三疊系下統(tǒng)青天堡組(T1q);中統(tǒng)北衙組(T2b);第四系更新統(tǒng)蛇山組(Q1s);第四系更新統(tǒng)(Qp)及第四系全新統(tǒng)(Q4)。其中,三疊系上統(tǒng)北衙組(T2b)是礦區(qū)的主要賦礦地層,其巖性主要為白云質(zhì)灰?guī)r、鐵化砂屑灰?guī)r、條帶狀含泥質(zhì)灰?guī)r、似角礫狀灰?guī)r夾長石砂巖。
從鉆探角度講,巖層以灰?guī)r、黃鐵礦、磁鐵礦、褐鐵礦、矽卡巖、石英正長斑巖等為主,風(fēng)化非常嚴(yán)重,地層十分破碎,上述地層泥質(zhì)成分比重較大,有水時(shí),造漿能力強(qiáng)。
礦區(qū)位于近南北向鶴慶—松桂復(fù)式向斜南段,礦區(qū)構(gòu)造與區(qū)域構(gòu)造線方向一致,均呈近南北向展布。區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,次級(jí)褶皺、斷層發(fā)育。
礦區(qū)內(nèi)出露巖漿巖以喜馬拉雅山期形成的淺成侵入斑巖為主,主要侵入巖有石英正長斑巖、石英二長斑巖、正長斑巖及煌斑巖脈等。
礦區(qū)內(nèi)因多期次強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng),伴有巖漿巖的侵入,使區(qū)內(nèi)各種巖石均發(fā)生不同程度的蝕變現(xiàn)象,區(qū)內(nèi)與成礦有關(guān)的蝕變主要有褐鐵礦化、黃鐵礦化、磁鐵礦化、鐵錳礦化等。
鉆機(jī)的選擇遵循以下原則:(1)鉆機(jī)搬遷方便;(2)盡可能選擇全液壓鉆機(jī),并且動(dòng)力頭行程長;(3)低轉(zhuǎn)速;(4)具備足夠的提升能力;(5)具備足夠大的回轉(zhuǎn)扭矩;(6)由于在野外使用,宜采用柴油機(jī)作動(dòng)力。
通過比較,決定采用中國地質(zhì)裝備總公司生產(chǎn)的RC-400型反循環(huán)鉆機(jī)。
其主要性能參數(shù)如下:
鉆深能力:400 m(φ89 mm鉆桿);
結(jié)構(gòu)型式:全液壓動(dòng)力頭式;
柴油機(jī):東風(fēng)康明斯6BT5.9(132 kW/2200 r/min);
裝載方式:鋼制履帶;
動(dòng)力頭給進(jìn)行程:3700 mm;
動(dòng)力頭最大提升:200 kN;
傳動(dòng)方式:雙低速大扭矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)一級(jí)減速;
最大轉(zhuǎn)速:0~90 r/min,0~180 r/min;
最大扭距:8500 N·m,4250 N·m;
外形尺寸:約6.5 m×2.1 m×2.8 m;
質(zhì)量:約 9 t。
鉆具的設(shè)計(jì)和空壓機(jī)的選擇應(yīng)當(dāng)遵循以下3個(gè)原則。
(1)壓力降原則。選用空壓機(jī)時(shí),它的壓力應(yīng)該大于下面幾部分之和:鉆桿環(huán)狀間隙壓力降、潛孔錘壓力降、鉆頭壓力降、鉆桿中心通道內(nèi)壓力降和水的圍壓。
(2)內(nèi)通道匹配原則。一是內(nèi)通道直徑一致的原則,即雙壁鉆具的中心通道與潛孔錘的貫通孔道直徑相同;二是難以保證相同時(shí),雙壁鉆具的中心通道直徑必須大于貫通式潛孔錘及鉆頭的內(nèi)孔通道,不應(yīng)有臺(tái)肩的突變,否則易產(chǎn)生卡堵。
(3)適應(yīng)復(fù)雜條件原則。在極復(fù)雜地層條件鉆進(jìn)時(shí),應(yīng)選擇外平式雙壁鉆具。
根據(jù)以上原則,選用英格索蘭XHP1070型空壓機(jī)(2.4 MPa,30.8 m3/min)可滿足要求。鉆桿選用φ108 mm×3 m外平雙壁鉆桿,潛孔錘選用φ127和108 mm貫通式潛孔錘及配套取樣和取心2種鉆頭(見圖1)。
圖1 取樣和取心鉆頭
根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)情況和試驗(yàn)孔的地層情況,設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖
(1)開孔就是基巖,因此只需用φ127 mm貫通式潛孔錘配φ153 mm鉆頭開孔鉆進(jìn)4~6 m,然后下入φ146 mm孔口管并用夾板固定。
(2)φ127 mm貫通式潛孔錘配φ133 mm鉆頭鉆進(jìn)至40~70 m,具體孔深由回轉(zhuǎn)阻力大小和提升是否順利而決定。
(3)φ108mm貫通式潛孔錘配φ114 mm鉆頭鉆進(jìn)至終孔。由于鉆桿都是用的φ108 mm×3 m外平雙壁鉆桿,因此此孔段所用鉆具為全外平式。
中國地質(zhì)調(diào)查局成都地調(diào)中心根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)目標(biāo)和現(xiàn)場(chǎng)勘察情況,進(jìn)行了鉆孔地質(zhì)設(shè)計(jì),對(duì)巖樣收集和分選提出了要求。
(1)巖樣與巖心采取率的對(duì)比研究。
(2)巖樣是否能夠真實(shí)反映所鉆地層的巖性,地層變化,地層的原生結(jié)構(gòu)和巖石物理力學(xué)性質(zhì)。
(3)巖心污染程度的對(duì)比研究。
(4)巖樣與巖心在礦品位上對(duì)比研究。
(1)全樣收集。
(2)每米為一取樣段,在取樣段結(jié)束時(shí),需待孔底巖樣全部返至地面后,才可進(jìn)行下一取樣段的鉆進(jìn)??杀苊鈳r樣“串段”。
(3)曬干后稱重,計(jì)算質(zhì)量采取率。(4)用巖心箱和塑料袋裝巖樣。
鉆機(jī)儀表盤應(yīng)配備以下儀表:回轉(zhuǎn)扭矩壓力表、給進(jìn)壓力表、提升壓力表、轉(zhuǎn)速表和風(fēng)壓壓力表。
空氣潛孔錘鉆探以沖擊破碎為主,所以其鉆進(jìn)參數(shù)與常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)有較大不同。鉆壓主要是用來克服潛孔錘沖擊時(shí)的反彈力,可根據(jù)地層巖石硬度,巖石自軟至硬,軸壓由小到大。實(shí)際軸壓必須考慮到鉆桿的自重,淺孔時(shí)加壓鉆進(jìn),壓力隨孔深的增加而減少,到一定深度時(shí),轉(zhuǎn)換為減壓鉆進(jìn)。實(shí)際軸壓還必須考慮到鉆進(jìn)速度。進(jìn)尺太快,容易引起堵塞;進(jìn)尺太慢,應(yīng)該查找原因,如果是鉆壓太小不足以克服潛孔錘沖擊時(shí)的反彈力,則應(yīng)加大壓力。勻速鉆進(jìn)較為理想,不容易引起堵塞。
轉(zhuǎn)速是最重要的參數(shù),其選取的合理與否,直接影響到機(jī)械鉆速和鉆頭壽命。如果地層堅(jiān)硬而轉(zhuǎn)速過快,則可能在每轉(zhuǎn)之間,孔底存在未被沖擊破碎的巖石間隔,導(dǎo)致鉆具運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn),并加速鉆具非正常磨損。如果在較軟地層中轉(zhuǎn)速過低的話,則又可能導(dǎo)致重復(fù)破碎,這些都會(huì)影響鉆進(jìn)效率。從理論上來說,轉(zhuǎn)速存在著最優(yōu)值,但實(shí)際操作中轉(zhuǎn)速一般在25~35 r/min之間。鉆具的回轉(zhuǎn)速度還受到?jīng)_擊器的性能、鉆進(jìn)時(shí)的孔徑、巖性、空壓機(jī)參數(shù)、鉆頭類型等的影響,可依靠大量的實(shí)踐來逐步探索。
空氣壓力也是非常重要的鉆進(jìn)參數(shù),鉆進(jìn)過程中要隨時(shí)觀察其大小和變化值。空壓機(jī)壓力的大小應(yīng)該隨孔深的變化而變化。一般地,開孔時(shí)的壓力可比潛孔錘的工作壓力大0.1~0.2 MPa,然后每50 m調(diào)整一次,增加0.1 MPa。鉆進(jìn)過程中要記住反循環(huán)正常鉆進(jìn)的空氣壓力、正循環(huán)暢通時(shí)的空氣壓力、強(qiáng)吹孔時(shí)的空氣壓力。可根據(jù)空氣壓力值的大小和出樣情況,及時(shí)預(yù)見和判斷正、反循環(huán)通道是否堵塞及堵塞的嚴(yán)重程度。
6.3.1 堵塞處理
鉆進(jìn)途中反循環(huán)通道發(fā)生堵塞,此時(shí)禁止有進(jìn)尺的鉆進(jìn),否則將加重堵塞和引起巖樣的流失。
處理方法一:開風(fēng)但不回轉(zhuǎn)鉆桿,可少量上下活動(dòng)鉆具,讓潛孔錘工作,沖擊振動(dòng)解堵。此時(shí)通過調(diào)高空壓機(jī)的壓力,對(duì)解堵沒有幫助。
處理方法二:向反循環(huán)通道中加入適量的柴油并等待數(shù)分鐘后,采用方法一處理。
處理方法三:向反循環(huán)通道中加入適量的柴油并等待數(shù)分鐘后,上下猛鐓鉆桿和鉆具。
上述方法無效后,提鉆處理。
6.3.2 卡鉆處理
如果鉆進(jìn)途中,回轉(zhuǎn)阻力突然增大,必須及時(shí)將鉆具提離孔底10~30 cm,進(jìn)行強(qiáng)吹孔,待回轉(zhuǎn)阻力和空氣壓力都正常后,方可繼續(xù)正常鉆進(jìn)。
鉆進(jìn)途中,回轉(zhuǎn)阻力突然增大,經(jīng)強(qiáng)吹孔處理無效時(shí),可在孔口加上正反接頭,用正循環(huán)吹孔。待正循環(huán)通道(鉆桿與孔壁之間隙)疏通后,再換回反循環(huán)鉆進(jìn)。
如果鉆具在提升途中被卡住,可在孔口接上備用潛孔錘,然后送風(fēng),向下沖擊鉆桿,大部分情況可解卡。
共進(jìn)行了4個(gè)試驗(yàn)鉆孔的施工,完成鉆探工作量493.84 m。4個(gè)孔的孔深分別為149.02、152.04、115.92、76.86 m。
4個(gè)孔的平均鉆速如圖3所示,鉆進(jìn)1 m最快為1 min(60 m/h)。
4個(gè)試驗(yàn)孔的臺(tái)月效率如圖4所示。試驗(yàn)中最高班進(jìn)尺達(dá)60多米,還有2次達(dá)40多米(純鉆時(shí)間只有半天),這是巖心鉆進(jìn)在此礦區(qū)無法達(dá)到的效率。試驗(yàn)孔的臺(tái)月效率為845 m(扣掉了停工待料時(shí)間;主要是考慮到這部分時(shí)間在生產(chǎn)中是很少的,而試驗(yàn)則占的比重大)。而該礦區(qū)常規(guī)鉆的臺(tái)月效率平均在300 m以內(nèi)。
圖3 試驗(yàn)孔機(jī)械鉆速柱狀圖
圖4 試驗(yàn)孔臺(tái)月效率柱狀圖
在RC取樣鉆探中,鉆頭可破碎的全部巖石均隨高速氣流排至地表,通常高達(dá)100%。一般用滿足地質(zhì)要求的樣品量來取代原取心鉆探中巖心采取率,這就要求在鉆進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行無分選縮分。本項(xiàng)目是初次試驗(yàn),根據(jù)地質(zhì)要求,采取的是全樣,并計(jì)算每米的質(zhì)量采取率。
盡管有個(gè)別取樣段存在采取率不足的情況,但全孔總的采取率情況良好,高于巖心鉆進(jìn),如圖5所示。
圖5 試驗(yàn)孔的質(zhì)量采取率(平均)柱狀圖
質(zhì)量采取率計(jì)算公式如下:
表1 常規(guī)鉆孔與對(duì)比試驗(yàn)孔的見礦孔深、礦層厚和品位對(duì)比表
對(duì)表1中的4個(gè)試驗(yàn)孔對(duì)比數(shù)據(jù)分析如下:由于第四個(gè)孔受試驗(yàn)條件限制,無法靠近原孔,造成了礦體變化較大,其礦體厚度與品位無對(duì)比性;其他3個(gè)試驗(yàn)孔經(jīng)過對(duì)比得出結(jié)果:
(1)礦的層數(shù)增加,4個(gè)孔總共從13層增加到18層;
(2)礦體明顯增厚,4個(gè)孔礦體總厚度從56.68 m增加到85 m(見圖6);
圖6 4個(gè)試驗(yàn)孔與常規(guī)取心鉆孔的礦體厚度對(duì)比圖
(3)品位也有一定的增加,第二和第三個(gè)對(duì)比試驗(yàn)孔的礦品位是增加的,第四個(gè)孔因相距太遠(yuǎn)不具可比性,第一個(gè)孔則因礦的層數(shù)增加太多而使平均品位有所下降。但是該礦區(qū)由于礦體受構(gòu)造及巖體控制,礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,不排除地質(zhì)等因素造成以上對(duì)比效果出現(xiàn)誤差。
原地礦部于“九·五”期間專門在山東六隊(duì)、寧夏某金礦和河南某鋁土礦也進(jìn)行過對(duì)比試驗(yàn),對(duì)比的結(jié)果也是:空氣反循環(huán)取樣鉆與常規(guī)取心鉆相比,礦的層數(shù)增加,礦體增厚,品位增加。更在甚者,寧夏某金礦通過空氣反循環(huán)取樣鉆的工作,推翻了該礦區(qū)的原成礦理論。
2012年4月12~13日,在成都召開了由地質(zhì)專家和鉆探專家共同參加的空氣反循環(huán)取樣鉆探技術(shù)研討會(huì)。與會(huì)專家認(rèn)為:空氣反循環(huán)取樣鉆探的采取率幾乎100%,而且充分混合后的巖樣對(duì)品位反映更真實(shí),所以空氣反循環(huán)取樣鉆探與常規(guī)取心方法對(duì)比,礦的層厚和品位都增加。
因此,可以認(rèn)為:與常規(guī)取心方法對(duì)比,RC所取巖樣對(duì)礦的層厚和品位反映更準(zhǔn)確、更真實(shí)。
RC所取巖樣可準(zhǔn)確命名巖性和對(duì)巖性分層,但判別巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造有難度。
常規(guī)工藝巖心比較直觀地表達(dá)巖層及礦化體的接觸部位及巖石成分、物理特征等,而RC由于巖樣呈粉狀,少量碎塊,巖石特征識(shí)別有一定難度。
由于該礦區(qū)構(gòu)造發(fā)育,巖石比較破碎,導(dǎo)致巖樣顆粒細(xì)小,因此全程采用取心鉆頭、穩(wěn)定轉(zhuǎn)速,增大顆粒度。每米巖樣過篩后,存在直徑1 cm以上的巖塊顆粒12顆,可以較準(zhǔn)確地代表該鉆進(jìn)長度的整體巖性;礦體賦存于褐鐵礦化灰?guī)r中,礦體與圍巖存在顏色上的明顯差異。
金礦試驗(yàn),巖樣收集采用每米次,保證了分層的精度可達(dá)到0.5 m。經(jīng)過對(duì)比分析,RC工藝的巖樣分層與常規(guī)鉆進(jìn)的分層,在巖性命名上,沒有較大差別,只是巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、物質(zhì)成分的含量上無法準(zhǔn)確的識(shí)別。
RC工藝在試驗(yàn)過程中不斷積累經(jīng)驗(yàn)、改進(jìn)鉆頭參數(shù)、調(diào)整動(dòng)力系統(tǒng),會(huì)逐漸的提高巖石判別及巖性分層的準(zhǔn)確性。根據(jù)不同的礦種,調(diào)節(jié)巖樣收集的長度,精細(xì)巖層的劃分。巖樣收集的越短,巖層分層越精確,可達(dá)到常規(guī)鉆進(jìn)技術(shù)巖性的分層精度。
該工藝直接利用風(fēng)力實(shí)時(shí)把巖樣輸送到地表,因此不存在泥漿等介質(zhì)對(duì)巖樣的污染問題。
從微觀上看,由于巖樣顆粒大小不一,上返途中存在著速度差,導(dǎo)致層位混亂;但從1 m取樣段來看,層位混亂僅存在于1 cm之內(nèi),可忽略不計(jì)。例如:通常情況下,上返風(fēng)速可達(dá)80 m/s,此時(shí)巖心上返速度為50~60 m/s、巖屑上返速度為80 m/s,200 m的孔深,上返時(shí)間分別為3.3~4 s、2 s,如果機(jī)械鉆速為15 m/h(0.42 cm/s),巖心與巖屑上返時(shí)間差為1.5 s,200 m深度的時(shí)間差造成的進(jìn)尺為0.63 cm,這0.63 cm的巖樣層位混亂,相對(duì)于該深度的影響是微乎其微的。
在鉆進(jìn)中,嚴(yán)格按照每米停鉆、給風(fēng),待該進(jìn)尺長度內(nèi)所有巖樣全部噴出后,再進(jìn)行鉆進(jìn),防止巖樣殘留到下一個(gè)取樣段內(nèi);含水地層的鉆進(jìn)容易產(chǎn)生堵塞,管道壁容易積垢潮濕的巖粉,工作中及時(shí)進(jìn)行清理,降低污染程度;每米進(jìn)尺巖樣單獨(dú)收集,做到一米一個(gè)樣段,按米編號(hào),防止了收集中混入上下進(jìn)尺的巖樣。
RC工藝在鉆進(jìn)過程中,地質(zhì)人員嚴(yán)格要求,巖樣收集過程中規(guī)范收集方法,就能避免樣段內(nèi)出現(xiàn)污染情況,及時(shí)噴出的巖樣能真實(shí)地反映地層的巖性順序。
純鉆進(jìn)時(shí)間利用率較低,僅為9.3%。其原因是地層復(fù)雜,堵塞和卡鉆使得停工待料時(shí)間和事故處理時(shí)間占到了61.8%。試驗(yàn)鉆孔鉆時(shí)時(shí)間占比見圖7。
通過4個(gè)孔的鉆探試驗(yàn)工作,認(rèn)為需加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究工作。
圖7 各項(xiàng)時(shí)間占的百分比
采用包括多種鉆進(jìn)方法、多種介質(zhì)(壓縮空氣中加水或加泡沫,甚至采用泥漿懸浮鉆進(jìn))、多種循環(huán)方式和多種護(hù)壁方式的多工藝鉆進(jìn)方法,增加對(duì)各種復(fù)雜地層的適應(yīng)性,以提高復(fù)雜地層的鉆進(jìn)效率,從而充分發(fā)揮空氣連續(xù)反循環(huán)鉆進(jìn)的優(yōu)越性。
試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),含水層中鉆進(jìn)時(shí),因巖樣粘性較強(qiáng),易被吸附在中心通道管壁中,從而產(chǎn)生巖樣的污染。
含水地層特別是含泥質(zhì)成分重的含水地層,其巖樣收集是目前的一個(gè)難題。其收集方法不僅需考慮到工作效率、成本、不被污染、能實(shí)現(xiàn)水樣分離和樣品無分選縮分等因素,還需考慮到干樣和水樣的通用性或在兩者之間方便快速的轉(zhuǎn)換。
計(jì)算質(zhì)量采取率存在著小樣密度不能反映所鉆地層的真實(shí)密度等問題。應(yīng)該增加體積采取率的計(jì)算,其計(jì)算公式如下:
體積采取率的計(jì)算關(guān)鍵是如何確定膨脹系數(shù)K的取值。首先可以認(rèn)定在相同的礦區(qū)相同的地層,其膨脹系數(shù)K基本是個(gè)恒值;然后在某個(gè)取樣段,根據(jù)鉆進(jìn)和巖樣收集情況,在沒有堵塞和正循環(huán)漏失的情況下,可以認(rèn)為此取樣段的巖樣采取率是100%,據(jù)此可測(cè)算出該地層的膨脹系數(shù)K。
[1] 耿瑞倫,陳星慶,耿燕婷,等.推廣應(yīng)用多工藝空氣鉆進(jìn)技術(shù)成效顯著[J].探礦工程,1998,(3):3 -6.
[2] 張曉西.中心取樣鉆進(jìn)技術(shù)成果與開發(fā)前景[J].探礦工程,1999,(S1).
[3] 張曉西.中心取樣鉆進(jìn)技術(shù)(一)[J].探礦工程,2000,(1):63-65.
[4] 張曉西.中心取樣鉆進(jìn)技術(shù)(二)[J].探礦工程,2000,(2):58-60.
[5] 張曉西.中心取樣鉆進(jìn)技術(shù)(三)[J].探礦工程,2000,(3):57-59.
[6] 冉恒謙,張金昌,謝文衛(wèi),等.地質(zhì)鉆探技術(shù)與應(yīng)用研究[J].地質(zhì)學(xué)報(bào),2011,85(11):1806 -1821.
[7] 王茂森,殷琨,蔣榮慶.全孔反循環(huán)中心取樣鉆進(jìn)設(shè)備與試驗(yàn)研究[J].煤田地質(zhì)與勘探,2000,28(5):61-62.