趙國(guó)法，呂新前，熊 偉

(1．浙江省有色金屬地質(zhì)勘查局，浙江 紹興312000;2．河北省地礦局第三地質(zhì)大隊(duì)，河北張家口075000)

0 引言

外際底礦區(qū)勘查對(duì)象為熱液型含砷硫化物銀礦床。礦體主要賦存于板橋山鈣質(zhì)砂巖、荷塘組的含炭質(zhì)泥巖和北東向?qū)娱g破碎帶內(nèi)，并受褶皺構(gòu)造控制，礦化集中產(chǎn)出背斜部位的裂隙發(fā)育的多孔質(zhì)巖層。鉆探是礦區(qū)勘查的主要手段，但因遇鉆地層復(fù)雜，巖石破碎，前期鉆孔施工中普遍存在淺部鐵帽型礦體采心難、鉆孔彎曲度測(cè)量難以把握、沖洗液配制環(huán)保要求高等施工難點(diǎn)問(wèn)題。要保質(zhì)保量的完成礦區(qū)鉆探施工，除了要根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)和施工條件制定出在復(fù)雜地層條件下的鉆進(jìn)技術(shù)方案，更重要的是要充分理解鉆探施工的本質(zhì)和質(zhì)量指標(biāo)的內(nèi)涵，依據(jù)勘查對(duì)象的地質(zhì)特點(diǎn)，不斷完善鉆進(jìn)工藝和操作水平，滿足地質(zhì)對(duì)鉆探質(zhì)量的要求，從而提高鉆孔地質(zhì)信息的可靠性。

1 地質(zhì)及施工條件

1．1 施工條件

礦區(qū)位于浙江省西南部開(kāi)化縣城北西35°，直距約25 km的外際底村西側(cè)，有鄉(xiāng)村公路進(jìn)村，外部交通條件方便。屬中低山區(qū)，主峰高程達(dá)1285 m，大多數(shù)山峰海拔在200～700 m之間，地形切割強(qiáng)烈，地表溝谷縱橫，植被發(fā)育。降雨集中在5—6月份，7—8月份晴熱少雨。機(jī)具搬遷和夏季生產(chǎn)用水困難。

1．2 勘查對(duì)象特征

礦區(qū)屬揚(yáng)子地臺(tái)東南緣錢塘褶皺帶，華埠—新登坳褶帶(又稱錢塘復(fù)向斜)西南處。地質(zhì)構(gòu)造主要表現(xiàn)為一系列北東向的倒轉(zhuǎn)褶皺、斷裂和東西向、北西向斷裂。地層傾向北西，傾角40～60°，已有鉆孔中地層主要巖性自上而下分別為:浮土(厚度約6 m)、泥巖(厚度約20 m)、破碎帶(厚度約18 m)、硅質(zhì)巖(厚度80 m)、長(zhǎng)石石英砂巖(厚度23 m)、黃鐵礦化泥巖(厚度47 m)、鈣質(zhì)泥巖(厚度45 m)、白云巖(厚度119 m)、破碎帶(厚度20 m)、泥巖(厚度80 m)。從巖石強(qiáng)度看，大部分巖石強(qiáng)度＜20 MPa，巖石完整程度位于破碎—較完整之間，屬?gòu)?fù)雜地層。易造成巖心采取率偏低、鉆孔彎曲度偏大。

礦區(qū)見(jiàn)有3個(gè)礦帶，主要(脈石)礦物為石英和方解石。礦體特征和金屬礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等見(jiàn)表1。其中，Ⅲ礦帶硫化物已氧化成蜂窩狀、土塊狀褐鐵礦，形成較疏松的鐵帽，取心較困難。同時(shí)，由于礦石中含有磁性礦物，對(duì)測(cè)斜有一定的影響;而含有硫酸鹽礦物，對(duì)沖洗液的限制較嚴(yán)。

表1 外際底礦床地質(zhì)特征

2 鉆孔設(shè)計(jì)及主要質(zhì)量要求

礦區(qū)總鉆探工作量為15000 m，前期施工鉆孔孔深多為200 m左右，隨找礦認(rèn)識(shí)的深入，鉆探孔深逐步加深為450～600 m的斜孔。設(shè)計(jì)方位320°，天頂角20°，穿礦直徑75 mm。主要質(zhì)量要求如下。

(1)巖礦心采取率:礦層及其頂?shù)装?～5 m內(nèi)礦心、巖心采取率≮80%，圍巖巖心的分層采取率≮70%。

(2)孔斜測(cè)量:每50 m測(cè)量一次頂角和方位角，換徑、穿礦和終孔加測(cè)方位角和頂角，頂角偏斜≯3°/100 m。鉆孔見(jiàn)礦位置偏離勘查線距離不得超過(guò)基本工程間距的20%。測(cè)斜要使用經(jīng)校正的KXP－2B(D)型數(shù)字羅盤測(cè)斜儀。

(3)簡(jiǎn)易水文觀測(cè):每班至少觀測(cè)水位1～2回次，每觀測(cè)回次中提鉆后、下鉆前各測(cè)量一次水位，間隔時(shí)間＞5 min。有條件時(shí)記錄沖洗液消耗量。遇涌水、漏水、坍塌、掉塊、溶洞及鉆具墜落等異?，F(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)準(zhǔn)確記錄其孔深和有關(guān)情況。地下水自流鉆孔，測(cè)量水頭高度和涌水量。

3 鉆探技術(shù)方案

3．1 鉆進(jìn)方案

中深孔鉆進(jìn)對(duì)鉆機(jī)動(dòng)力、穩(wěn)定性、鉆桿強(qiáng)度等都比淺孔要求更高，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析地層特征和市場(chǎng)可供選擇的鉆探設(shè)備，選擇了長(zhǎng)沙探礦機(jī)械廠生產(chǎn)的XY－4型巖心鉆機(jī)。主要參數(shù)為:柴油機(jī)功率56 kW，轉(zhuǎn)數(shù)2200 r/min，主軸最大扭矩6500 N·m，液壓系統(tǒng)額定壓力8 MPa，繩索取心鉆桿直徑75 mm。

3．2 鉆進(jìn)參數(shù)

選擇合理的鉆進(jìn)參數(shù)在鉆進(jìn)過(guò)程中非常重要。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合實(shí)際鉆孔資料確定:礦區(qū)完整地層鉆壓控制在10～12 kN，破碎地層鉆壓控制在7～9 kN。完整地層轉(zhuǎn)速控制在500～900 r/min，破碎地層轉(zhuǎn)速控制在200～400 r/min。根據(jù)鉆探孔徑及地層情況，沖洗液泵量控制在80～130 L/min。

4 技術(shù)難點(diǎn)和改進(jìn)措施

巖心鉆探是通過(guò)機(jī)械方式向縱深切割巖石，獲取巖樣，并提供客觀的地質(zhì)信息。但受地質(zhì)條件和技術(shù)水平的限制，繩索取心鉆探技術(shù)在礦區(qū)實(shí)踐中有其局限性。針對(duì)礦區(qū)鉆探施工中的難點(diǎn)，依據(jù)對(duì)地質(zhì)和鉆探技術(shù)特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，深刻理解鉆探質(zhì)量指標(biāo)的內(nèi)涵，認(rèn)真分析產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題的地質(zhì)機(jī)理，從提高鉆孔地質(zhì)信息的可靠性角度不斷完善鉆探施工方案，最終達(dá)到地質(zhì)對(duì)鉆探施工的質(zhì)量要求。

4．1 淺部氧化礦體巖心采取率的提高

礦區(qū)0～8線主要出露為荷塘組含炭質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖，構(gòu)造發(fā)育，巖層破碎，礦體出露于層間破碎帶中，呈蜂窩狀、團(tuán)狀、局部硅化產(chǎn)出。尤其是分布在背斜頂部的礦體多已暴露在地表，成為剝蝕殘留礦床，其中Ⅲ礦帶的硫化物已氧化成蜂窩狀、土塊狀構(gòu)造褐鐵礦，形成較疏松的鐵帽，取心較困難。前期施工的鉆孔在孔深0～80 m的淺部破碎地層的采取率僅為61.3%，礦體已無(wú)法辯認(rèn)，大多當(dāng)作地表浮土層對(duì)待，給人造成Ⅲ礦帶已剝蝕殆盡的假象。

經(jīng)對(duì)礦區(qū)前期施工資料分析，造成對(duì)該礦層采取率普遍低的原因除地質(zhì)條件特殊外，前期大功率鉆機(jī)的機(jī)械振動(dòng)對(duì)巖石沖擊和雙管單動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)因泵量大對(duì)破碎地層的沖蝕大也是重要的因素。為此，首先在鉆機(jī)選型上改用GY－300A型鉆機(jī)，該型號(hào)鉆機(jī)在機(jī)械操作上與XY－4型鉆機(jī)相似，主要鉆具的規(guī)格可以相互通用，能最大限度上不改變制定的礦區(qū)鉆進(jìn)方案和鉆進(jìn)參數(shù)。同時(shí)，由于最大扭矩和動(dòng)力系統(tǒng)輸出功率相對(duì)較小，能降低施工時(shí)機(jī)械振動(dòng)對(duì)破碎地層的沖擊。而且，由于鉆機(jī)外形尺寸和重量小，也方便淺孔施工坪基和搬遷。鉆機(jī)主要參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 鉆機(jī)主要參數(shù)對(duì)比

其次，在開(kāi)孔段和淺部鐵帽部位采用無(wú)泵反循環(huán)鉆具，即在鉆進(jìn)中不用水泵沖洗鉆孔，人工將沖洗液倒入后，低速開(kāi)動(dòng)鉆機(jī)，利用孔內(nèi)的靜水柱壓力和上下提動(dòng)鉆具在孔底形成局部反循環(huán)而實(shí)現(xiàn)沖洗孔底的鉆進(jìn)。通過(guò)對(duì)已完成的ZK802鉆孔淺部進(jìn)行補(bǔ)孔試驗(yàn)，結(jié)果十分理想:原先施工的ZK802孔最上部基本采取不到巖心，經(jīng)二次補(bǔ)心無(wú)法取得完整的礦心;但在同位置按新工藝施工的淺孔ZK806孔，巖心采取率為87%，而且?guī)r心較為完整，在地質(zhì)設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)見(jiàn)礦部位見(jiàn)厚度達(dá)1.97 m的銀多金屬礦體(見(jiàn)圖1)。

同時(shí)，嚴(yán)格控制鉆速、鉆壓及沖洗液用量。在破碎地層鉆探做到少鉆勤提，回次進(jìn)尺控制在0.5～1.0 m。巖心要卡牢，防止脫落和殘留，殘留巖心過(guò)多影響采取率時(shí)應(yīng)特別采取。在破碎地層采取率無(wú)法控制孔段采用孔底局部反循環(huán)鉆進(jìn)取心工藝。

圖1 ZK802孔(上)與ZK806孔(下)淺部巖心對(duì)比

采用上述措施對(duì)余下鉆孔和部分前期施工的鉆孔進(jìn)行施工，結(jié)果全礦區(qū)巖心采取率達(dá)到了90%以上，礦體巖心采取率達(dá)到了93%以上，破碎地層的巖心采取率達(dá)到了81%;同時(shí)開(kāi)孔段和淺部鐵帽部位采取率一般為61% ～90%，平均達(dá)77.33%，而且?guī)r心相對(duì)完整，提供了客觀真實(shí)的地質(zhì)信息。根據(jù)新施工鉆孔結(jié)果，結(jié)合前期槽探成果，很快有效控制了礦區(qū)的淺部層狀礦體，估算的資源量有大幅提高，取得了較好的地質(zhì)成果。

4．2 環(huán)保型沖洗液的選定

繩索取心鉆進(jìn)過(guò)程中，因鉆具與孔壁間隙小，孔內(nèi)阻力會(huì)隨孔深增大，特別是遇到破碎地層，孔內(nèi)阻力會(huì)瞬間增大。要保證優(yōu)質(zhì)快速安全鉆進(jìn)，正確地選擇、使用沖洗液起著十分重要的作用。性能優(yōu)良的沖洗液能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持孔內(nèi)穩(wěn)定，給諸如下套管、灌注水泥護(hù)壁創(chuàng)造有利條件，也是提高破碎地層巖心采取率的關(guān)鍵措施之一。然而，由于礦區(qū)所處的開(kāi)化縣正在開(kāi)展國(guó)家東部公園建設(shè)，對(duì)礦區(qū)鉆孔施工有嚴(yán)格的環(huán)保要求。如前所述，礦區(qū)礦石中含有較多的硫化物及硫酸鹽礦物，不當(dāng)?shù)臎_洗液可能會(huì)引起對(duì)地下水的污染。因此，礦區(qū)沖洗液的選擇十分有限。

根據(jù)礦區(qū)地層特點(diǎn)和防止地下水重金屬污染的發(fā)生，經(jīng)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所專家建議，礦區(qū)沖洗液方案為:

(1)沖洗液使用以對(duì)環(huán)境破壞小的清水為主，在鉆進(jìn)過(guò)程中盡量不添加皂化油;

(2)鉆孔深部遇破碎層采用泥漿護(hù)壁，1 m3水+100 kg膨潤(rùn)土+1 kg燒堿;

(3)鉆孔深部遇破碎地層且采取率低時(shí)，采用SH膠配制無(wú)固相沖洗液護(hù)壁，提高巖心采取率，1 m3水+2%SH+0.15%燒堿。

上述配方中，含有燒堿的沖洗液在地下水中有如下化學(xué)反應(yīng)，具有中和酸及抑制重金屬離子形成的作用。

經(jīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門多次對(duì)地下水檢測(cè)，均符合要求，為礦區(qū)勘查創(chuàng)造了很好的質(zhì)量和社會(huì)效益。

4．3 數(shù)字羅盤測(cè)斜儀使用和防斜措施

因繩索取心技術(shù)的特點(diǎn)是不提鉆取心，測(cè)斜時(shí)一般是將測(cè)斜儀從鉆桿內(nèi)下入指定的位置完成定測(cè)，但KXP－2B(D)型數(shù)字羅盤測(cè)斜儀并不防磁干擾，操做不當(dāng)會(huì)因鉆桿的影響造成數(shù)據(jù)失真;而且礦區(qū)有多層含有磁黃鐵礦層存在，如何避開(kāi)這些磁性層也是鉆孔測(cè)斜時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題。

在率先使用KXP－2B(D)型數(shù)字羅盤測(cè)斜儀測(cè)斜ZK1204孔，其孔斜數(shù)據(jù)與地質(zhì)設(shè)計(jì)出現(xiàn)了很大的偏差(見(jiàn)表3)，尤其是方位角數(shù)據(jù)匪夷所思。為此，通過(guò)對(duì)巖礦心巖性、軸角的觀察，偏斜規(guī)律的研究和地質(zhì)剖面圖的校核，并詳細(xì)檢查了測(cè)斜時(shí)的操作過(guò)程，證實(shí)引起數(shù)據(jù)混亂的根本原因是測(cè)孔斜時(shí)測(cè)斜儀未穿過(guò)鉆桿到達(dá)裸眼孔段，鉆桿影響了測(cè)斜儀的失真和數(shù)據(jù)混亂。另外在施工工藝上也存在著不合理處，孔徑配比極不合理，采用127 mm鉆頭開(kāi)孔后直接采用71 mm鉆進(jìn)，難以保證孔斜達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表3 ZK1204孔數(shù)字羅盤測(cè)斜儀(KXP－2B(D))測(cè)斜結(jié)果

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，制定了具體的解決方案。

(1)嚴(yán)格按照測(cè)斜要求，每50 m按規(guī)范測(cè)頂角、方位角，在換徑或見(jiàn)礦層時(shí)均應(yīng)加測(cè)頂角和方位角，以便發(fā)現(xiàn)鉆孔彎曲度增大時(shí)及時(shí)處理。

(2)鉆進(jìn)到達(dá)指定深度后，先提3～4根鉆桿，在鋼絲繩上做好標(biāo)志，用繩卡將數(shù)字電子測(cè)斜儀綁定在鋼絲繩上，設(shè)定好測(cè)斜儀器測(cè)量的時(shí)間，測(cè)量時(shí)間隨著測(cè)斜深度的增加而相應(yīng)增加，確保時(shí)間充足，最后將數(shù)字電子測(cè)斜儀用鋼絲繩下放到指定的測(cè)斜深度，儀器必須穿過(guò)鉆具，且測(cè)斜儀器應(yīng)遠(yuǎn)離鉆具6 m以上，這是確保測(cè)斜儀器不受鐵器影響的關(guān)鍵。

(3)地質(zhì)技術(shù)人員必須定期對(duì)鉆機(jī)所用測(cè)斜儀進(jìn)行校正，保證鉆機(jī)所用測(cè)斜儀器的準(zhǔn)確性;且鉆機(jī)進(jìn)行測(cè)斜的時(shí)候，地質(zhì)技術(shù)人員必須到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)督，防止鉆機(jī)編造測(cè)斜數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確，同時(shí)對(duì)是否有磁性巖層做出判斷，及時(shí)找出鉆孔發(fā)生偏斜的原因，及時(shí)糾正錯(cuò)誤，防止不必要的損失。

(4)加強(qiáng)施工管理，地基平整必須按要求開(kāi)挖，機(jī)臺(tái)必須坐落在實(shí)地上，以防不均勻沉降造成孔斜，并在鉆進(jìn)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在下75 mm繩索鉆桿時(shí)，必須先下91 mm的套管，用以增強(qiáng)鉆進(jìn)時(shí)的導(dǎo)向，防止發(fā)生孔斜事故。

通過(guò)上述方案的實(shí)施，鉆孔測(cè)斜數(shù)據(jù)質(zhì)量有了明顯提高，并較為符合地質(zhì)特征和偏斜規(guī)律，鉆孔彎曲度從原來(lái)的施工淺孔的2.93°/100 m，提高到施工孔深達(dá)到450 m以深鉆孔時(shí)，彎曲度控制在2°/100 m以內(nèi)，達(dá)到地質(zhì)設(shè)計(jì)的質(zhì)量要求。

5 結(jié)語(yǔ)

鉆探作為傳統(tǒng)的地質(zhì)勘查重要手段，今后仍將發(fā)揮不可替代的作用。鉆探質(zhì)量指標(biāo)源于鉆探的多變性和地質(zhì)需要的確定性，質(zhì)量指標(biāo)的核心是為地質(zhì)勘查提供有效的地質(zhì)信息。地質(zhì)人員必須正確把握巖心鉆探的可行性和局限性，了解現(xiàn)有鉆探技術(shù)水平和工藝方法，才能更好地理解鉆孔資料帶來(lái)的地質(zhì)信息。鉆探施工人員要充分理解巖心鉆探質(zhì)量指標(biāo)的內(nèi)涵，盡最大限度來(lái)提高鉆探工藝技術(shù)水平，滿足地質(zhì)要求，提高地質(zhì)信息的可靠性。

鉆探施工實(shí)踐強(qiáng)，復(fù)雜地層鉆探施工遇到的技術(shù)難點(diǎn)多，解決問(wèn)題的根本方法是要充分了解礦區(qū)地層的特征，選用合適的施工工藝，采取針對(duì)性的措施，預(yù)防質(zhì)量事故的發(fā)生，從而確保鉆孔質(zhì)量達(dá)到地質(zhì)要求，這也是達(dá)到降低施工成本和提高鉆探效率的最有效途徑。

通過(guò)對(duì)外際底礦區(qū)鉆探施工的總結(jié)分析，筆者認(rèn)為:

(1)復(fù)雜地層鉆進(jìn)中出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的原因主要是對(duì)礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和地層等客觀因素及鉆探技術(shù)的局限認(rèn)識(shí)不深，采用了不當(dāng)?shù)氖┕すに嚭筒僮鞣椒?

(2)復(fù)雜地層的表現(xiàn)形式多種多樣，生成質(zhì)量問(wèn)題的結(jié)果也不一樣，解決問(wèn)題的手段不能是單一的，必須采取綜合手段。防治質(zhì)量事故必須嚴(yán)把地基平整、開(kāi)孔、測(cè)斜、控制鉆速、鉆壓及沖洗液用量等施工環(huán)節(jié)的質(zhì)量關(guān)。

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