楊相茂，彭漢華，許華松

(1．武漢中南冶勘資源環(huán)境工程有限公司，湖北武漢430035;2．武漢金地探礦機(jī)械有限公司，湖北武漢430035)

云南省蘭坪縣中排鄉(xiāng)李子坪鉛鋅礦詳勘設(shè)計(jì)工作量16000余米，在施工的初期，由于地層破碎帶較發(fā)育，破碎帶巖石主要為白堊系、侏羅系的粉砂巖、石英砂巖，裂隙中多有泥沙充填，鉆探巖心采取率無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)不斷探索、研究，設(shè)計(jì)使用了一種導(dǎo)流底噴鉆頭，較好地解決了巖心采取率的問(wèn)題，得到了設(shè)計(jì)部門的好評(píng)。

1 地層情況

礦區(qū)主要地層自上至下為:

第四系覆蓋層，主要為含碎石松散土層，碎石成分主要為風(fēng)化的粉砂巖、石英砂巖、泥巖等;

白堊系上統(tǒng)南新組，主要為紫色灰、紫紅色巖屑砂巖、粉砂巖、泥巖夾石英質(zhì)礫巖及泥質(zhì)白云巖透鏡體;

白堊系下統(tǒng)景星組，主要為紫紅、灰白色薄～中厚層狀石英砂巖、粉砂巖、泥巖、局部可見(jiàn)黑色碳質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)礫巖透鏡體，局部銅礦化;

侏羅系中統(tǒng)花開(kāi)左組，上段為灰、灰黃、灰綠、紫紅等雜色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖，灰色厚層狀灰?guī)r、深灰色薄層狀生物碎屑灰?guī)r，局部銅、銀、鉛、鋅礦化;下段為灰、紫灰色細(xì)砂巖，紫紅色粉砂巖，底部為灰白色石英砂巖;

主要礦體沿裂隙帶發(fā)育，礦體巖心采取率要求大于90%。

2 取心鉆具研究

在地質(zhì)勘探中，鉆探所取出的巖礦心是計(jì)算礦產(chǎn)儲(chǔ)量的主要依據(jù)，也是巖心鉆探的主要目的［1］，因此巖心采取率必須滿足地質(zhì)設(shè)計(jì)。

為了獲得滿意的巖心采取率，我們選用了穩(wěn)定性較好的HYDX－6型全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)，配備了S95和S75兩種規(guī)格的繩索取心鉆具，通過(guò)前期的施工，在大部分地層中，都能保證取心質(zhì)量。但是在部分裂隙發(fā)育孔段，由于巖石堅(jiān)硬、破碎，基本無(wú)膠結(jié)，部分裂隙夾泥，鉆進(jìn)時(shí)雖然采取了繩索取心鉆進(jìn)工藝，但是巖心采取率還是達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。為了解決這種孔段的取心問(wèn)題，我們對(duì)現(xiàn)有的S95繩索取心鉆頭進(jìn)行了研究與改進(jìn)，取得了較好的效果。

2．1 繩索取心鉆頭工作狀況分析

繩索取心鉆進(jìn)工藝是目前巖心鉆探巖心采取率較高、鉆探質(zhì)量較好的施工工藝，鉆進(jìn)過(guò)程中，內(nèi)管不旋轉(zhuǎn)，巖心進(jìn)入內(nèi)管后，既避免了鉆具旋轉(zhuǎn)引起的機(jī)械破碎，又避免了沖洗液對(duì)巖心的沖刷，能保證有較高的巖心采取率和較好的取心質(zhì)量。

普遍使用的繩索取心鉆具鉆頭與卡簧座的配合間隙為3～5 mm(如圖1所示)，在橢圓框位置形成錐面間隙，液流通過(guò)此間隙時(shí)，流向由軸向變?yōu)檩S向與徑向的合成方向。鉆頭、卡簧座、巖心三者之間的配合間隙很小，因此流液通過(guò)間隙時(shí)的流速就很大，巖心組分與結(jié)構(gòu)首先遭徑向液體的沖擊被破壞，沖散的組分隨之被軸向與周向旋轉(zhuǎn)液流帶走。余下的組分由于成松散狀態(tài)，不易進(jìn)入內(nèi)管，造成孔內(nèi)不干凈，無(wú)法鉆進(jìn)。特別是膠結(jié)強(qiáng)度較低的破碎帶鉆進(jìn)，極易造成鉆孔垮塌。圖2為WZK1206孔取出的巖心。

圖1 常規(guī)鉆頭配合液流流向

圖2 WZK1206孔巖心照片

2．2 繩索取心鉆頭的改進(jìn)

為了避免沖洗液對(duì)巖層的破壞作用，我們?cè)诂F(xiàn)有鉆具組合不變的情況下對(duì)鉆頭與卡簧座組合做了調(diào)整，設(shè)計(jì)了導(dǎo)流底噴鉆頭，如圖3、圖4所示。導(dǎo)流底噴鉆頭是在原有鉆頭的胎體內(nèi)部加工一密封臺(tái)階，在鉆頭工作時(shí)確?？ɑ勺淙朊芊馀_(tái)階內(nèi)，封堵沖洗液。在鉆頭胎體中部加工水口，讓沖洗液直接流向鉆頭底部。由于水口在胎體的中部，為了保證鉆頭的正常工作，對(duì)鉆頭胎體的配比及與卡簧座配合的相關(guān)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。鉆頭胎體硬度選HRC25～30。

設(shè)計(jì)的鉆頭與卡簧座經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，效果比較理想。該鉆頭既克服了普通底噴鉆頭只能鉆進(jìn)軟巖的缺點(diǎn)，又保留了巖層中的松軟組分的原狀結(jié)構(gòu)不被破壞。從取出的巖心可以看出(如圖5)，原來(lái)的地層結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有破壞。

圖3 導(dǎo)流底噴鉆頭與普通鉆頭液流流向?qū)Ρ葓D

圖5 WZK1206孔原狀巖心照片

3 施工工藝的調(diào)整

為了確保導(dǎo)流底噴鉆頭的取心效果，對(duì)鉆進(jìn)工藝也做了適當(dāng)調(diào)整，在李子坪鉛鋅礦礦區(qū)，針對(duì)不同的鉆頭，鉆進(jìn)參數(shù)調(diào)整見(jiàn)表1。

表1 李子坪鉛鋅礦破碎層鉆進(jìn)參數(shù)

4 沖洗液

沖洗液的選用首先要考慮其良好的護(hù)壁性能，同時(shí)也要考慮其冷卻鉆頭、排除巖粉及保護(hù)巖心、潤(rùn)滑鉆具等綜合性能［2］，在該礦區(qū)開(kāi)始選用的沖洗液為0.3%的水解聚丙烯酰胺(PHP)加0.2%的皂化油。為了充分發(fā)揮導(dǎo)流底噴鉆頭的作用，增強(qiáng)護(hù)壁效果，我們研究了表2配比的低固相沖洗液，在施工實(shí)踐中取得了較滿意的效果，沖洗液性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 李子坪鉛鋅礦低固相沖洗液配比 /‰

表3 李子坪鉛鋅礦低固相沖洗液性能參數(shù)

5 施工效果

通過(guò)采取上述技術(shù)措施，取得了明顯的效果，保證了工程質(zhì)量。表4為鉆具及工藝優(yōu)化前后幾個(gè)鉆孔的取心質(zhì)量對(duì)比情況。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)在破碎、松散地層中取心鉆進(jìn)，采用普通繩索取心鉆進(jìn)工藝，由于巖心自鉆頭到達(dá)內(nèi)管的過(guò)程中受沖洗液的沖刷，取心效果不理想，應(yīng)用導(dǎo)流底噴鉆頭可以避免該沖刷過(guò)程，能大幅提高破碎地層的巖心采取率及取心的質(zhì)量;

表4 工藝優(yōu)化前后鉆孔取心質(zhì)量對(duì)比

(2)導(dǎo)流底噴鉆頭的使用必須配合優(yōu)質(zhì)的低固相沖洗液，以保護(hù)孔壁和巖心，保持孔底干凈;

(3)由于導(dǎo)流底噴鉆頭的力學(xué)結(jié)構(gòu)與普通繩索取心鉆頭不同，鉆進(jìn)參數(shù)應(yīng)作相應(yīng)調(diào)整。

［1］ 李世忠．鉆探工藝學(xué)(中)［M］．北京:地質(zhì)出版社，1992．

［2］ 劉廣志．金剛石鉆探手冊(cè)［M］．北京:地質(zhì)出版社，1991．

［3］ 楊凱華，段隆臣，湯鳳林，等．新型金剛石工具的研究［M］．湖北武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2001．

［4］ 湯鳳林，?。ぃ永飳?，段隆臣．巖心鉆探學(xué)［M］．湖北武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1997．

［5］ 姚愛(ài)國(guó)，馬明，吳翔，等．巖土工程鉆進(jìn)原理［M］．湖北武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2000．