時志興， 楊 春， 翟東旭

(1.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第一地質(zhì)大隊，河南 鄭州 450016； 2.中礦資源勘探股份有限公司，北京 100089)

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程家溝-沙溝銀多金屬礦區(qū)坑道鉆探工藝

時志興1， 楊 春2， 翟東旭1

(1.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第一地質(zhì)大隊，河南 鄭州 450016； 2.中礦資源勘探股份有限公司，北京 100089)

坑道內(nèi)孔深大于300 m大頂角鉆孔施工，施工難度明顯加大，通過在坑道內(nèi)完善施工硐室設(shè)計，確保鉆孔順利施工及鉆探施工安全。從設(shè)備選擇與安裝、鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆進(jìn)參數(shù)、沖洗液的配置、常見事故及其預(yù)防等方面的完善，完成了頂角56°、設(shè)計孔深593 m鉆孔的施工，總結(jié)出了坑道內(nèi)大頂角鉆孔施工工藝。

坑道鉆探；硐室設(shè)計；大頂角鉆孔；鉆探事故

0 引言

洛寧程家溝-沙溝銀多金屬礦區(qū)進(jìn)行了多年探采活動，探采位置主要為絕對標(biāo)高0 m以上，深度在300～500 m，而深部和外圍還缺少鉆探成果。利用現(xiàn)有坑道進(jìn)行深部勘探，不僅資金效率高、找礦成果好，而且時間短、收效快、耗費(fèi)少，經(jīng)濟(jì)效益好，有利于礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展?？拥纼?nèi)鉆探施工靶區(qū)明確，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，既能在深部取得好的鉆探成果、減少植被破壞，保護(hù)施工環(huán)境，打造綠色礦山，又能提高鉆探效益，節(jié)約鉆探施工成本。為充分利用礦區(qū)坑道，設(shè)計了大量坑道鉆探工程，并取得了顯著的地質(zhì)成果。

1 工程概述

1.1 礦區(qū)概況

勘查區(qū)隸屬于河南省洛寧縣，距洛寧縣城約60 km，跨越下峪鄉(xiāng)、興華鄉(xiāng)及盧氏縣范里鄉(xiāng)?？辈榉秶髌鸨R氏縣莊溝，東至洛寧縣上河，北起山前大斷裂，南抵象君山主峰南側(cè)車道溝。區(qū)內(nèi)地形起伏，切割劇烈，相對高差大?？傮w地勢南高北低，山間溪流自南東往北西注入洛河。區(qū)內(nèi)植被覆蓋率占50%以上。

勘查區(qū)內(nèi)有10 kV高壓輸電線路通過，電力資源充足。礦區(qū)經(jīng)過近10年的開采經(jīng)營，坑道密布，縱橫交錯，為布置坑道鉆探工程打下了良好的基礎(chǔ)。

1.2 礦區(qū)地層

礦區(qū)地層單一，具體地層情況如下。

1.2.1 角閃斜長片麻巖組

巖石密度為2.52 g/cm3,裂隙發(fā)育,裂隙面間距一般20～50 mm，裂隙寬2～5 mm，長0.05～0.90 m。裂隙面粗糙，有鐵質(zhì)浸染現(xiàn)象。巖組RQD指標(biāo)平均71.0%，巖石質(zhì)量中等，巖體完整性中等。巖體結(jié)構(gòu)以塊狀結(jié)構(gòu)為主，風(fēng)化帶、蝕變構(gòu)造較強(qiáng)烈地帶呈碎裂—散體結(jié)構(gòu)。巖石抗壓強(qiáng)度123.06～181.99 MPa，屬堅硬巖石，但地表風(fēng)化后，易成高嶺土狀，使巖石強(qiáng)度降低。

1.2.2 斜長角閃片麻巖組

主要造巖礦物為角閃石、斜長石、黑云母等，密度2.62 g/cm3,裂隙不發(fā)育，RQD指標(biāo)平均68.7%，巖石質(zhì)量中等，巖體結(jié)構(gòu)以塊狀結(jié)構(gòu)為主。巖石抗壓強(qiáng)度129.49～203.60 MPa，屬堅硬巖石，該巖石易風(fēng)化，風(fēng)化后強(qiáng)度降低。

1.2.3 蝕變巖組

主要分布構(gòu)造破碎帶及周圍，巖性為片麻巖蝕變后的產(chǎn)物，常具有較強(qiáng)的硅化、絹云母化、綠泥石化等，密度為2.77 g/cm3,裂隙不發(fā)育，RQD指標(biāo)平均50.7%，巖石質(zhì)量中等，巖體結(jié)構(gòu)以塊狀—碎裂結(jié)構(gòu)為主，巖石抗壓強(qiáng)度103.77～145.20 MPa，較堅硬。

1.2.4 構(gòu)造角礫巖巖組

主要分布在含礦構(gòu)造破碎帶中，巖性包括構(gòu)造角礫巖、構(gòu)造碎裂巖等，密度為2.65 g/cm3,巖石以角礫狀構(gòu)造、碎裂狀構(gòu)造為主。主要造巖礦物為斜長石、絹云母、石英及少量碳酸鹽類礦物。角礫多被硅質(zhì)、鐵質(zhì)及鈣質(zhì)等膠結(jié)，裂隙發(fā)育，裂隙一般寬1～2 mm，巖組RQD指標(biāo)平均值為40.7%,是礦區(qū)RQD值最低的巖組。巖石抗壓強(qiáng)度60.55～101.62 MPa。

1.3 鉆探設(shè)計

鉆探工程主要根據(jù)前期探采成果布設(shè)，本礦區(qū)探礦重點(diǎn)是已開采礦區(qū)的深部，采用地表鉆孔和坑道內(nèi)鉆孔，其次對采礦權(quán)外圍有找礦潛力含礦蝕變帶(礦化體)進(jìn)行工程驗證。依據(jù)礦區(qū)礦體集中和礦脈陡的特點(diǎn)，為節(jié)約施工成本和加快施工進(jìn)度，該礦區(qū)鉆孔大多采用分支孔布置，以坑道鉆為主，地表鉆孔為輔。而坑道內(nèi)鉆探由于具有費(fèi)用低、見效快等其它勘探方式不可替代的優(yōu)勢，在本礦山找礦方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。共設(shè)計鉆孔235個，具體見表1。

表1 設(shè)計鉆孔統(tǒng)計

本礦區(qū)鉆孔90%以上為坑道內(nèi)鉆孔，且多為叢式鉆孔，設(shè)計傾角<45°鉆孔占60%以上，所以加強(qiáng)了坑道內(nèi)設(shè)計硐室及坑道內(nèi)鉆探工藝的研究。

2 坑道內(nèi)鉆探硐室設(shè)計

坑道鉆探是利用現(xiàn)有巷道，來更好地揭示礦體產(chǎn)狀，發(fā)現(xiàn)盲礦體。本礦區(qū)已經(jīng)采礦多年，采礦巷道密布，有利于布置坑道鉆探，以便更好地發(fā)現(xiàn)礦體，揭示礦體產(chǎn)狀。

坑道內(nèi)鉆探，空間有限，運(yùn)輸、通風(fēng)、通電、照明困難，濕度大、溫度高，施工條件惡劣。本工程坑道內(nèi)鉆探施工一般在地下200～400 m，深部已達(dá)到地下600 m。根據(jù)多年采礦及鉆探施工經(jīng)驗，知道本礦區(qū)巖層完整，透水性差，適合開挖硐室進(jìn)行鉆探。為了實現(xiàn)不同傾角的鉆孔施工，硐室要求夠大，易于設(shè)備安裝，便于施工。

鉆探硐室，首先滿足鉆探設(shè)備安裝及鉆機(jī)滑移有足夠的位置、升降鉆具有合適空間、操作鉆機(jī)有必要的場所、人員進(jìn)出有適宜的安全通道；其次著重考慮硐室施工的經(jīng)濟(jì)性，減少硐室開鑿工作量和巖石裸露面積，盡可能減小硐室開鑿對巖體穩(wěn)定性的影響。此外，對自由面大、裂隙發(fā)育的裸露巖面加以適當(dāng)錨固支護(hù)。

硐室底部必須有足夠的地方，安裝鉆機(jī)底盤，鉆機(jī)底盤一般為4.5 m×4 m，為減少硐室開挖量，鉆機(jī)底盤適當(dāng)改為4 m×3.5 m，所以硐室底部面積一般為6 m×5 m，高度7～8 m，根據(jù)鉆孔傾角及方位，硐室上部可稍窄，只要滿足XY-4、XY-44型鉆機(jī)移動安裝及不同傾角鉆孔施工即可。為便于施工，硐室盡可能大，根據(jù)需要在硐室或巷道內(nèi)開挖泥漿池和沉淀池。

為施工安全，要求從硐室1.5 m高處至頂部裸漏巖石部分進(jìn)行錨固支護(hù)，錨桿規(guī)格為?40 mm、長1.2～1.5 m圓鋼，梅花形布置，間距0.5～0.6 m。全部掛上安全網(wǎng)，噴錨支護(hù)，安全網(wǎng)規(guī)格為30 mm×30 mm×4 mm。破碎、掉塊部位要噴射水泥漿加固，下部大塊巖石可能出現(xiàn)崩塌部位采用鋼軌或鋼柱支護(hù)，并用木樁搭架，嚴(yán)重的在支架部位填砼加固(見圖1)。

圖1 木樁加固

為實現(xiàn)無塔鉆進(jìn)，在硐室頂部內(nèi)壁打入2根?30 mm、長1.2～1.5 m圓鋼，進(jìn)行錨固，用以安裝天車滑輪，并保證天車滑輪、立軸、鉆孔中心在一條直線上(參見圖2)。

圖2 天車滑輪安裝圖

3 坑道鉆探施工工藝(以ZKX0508孔為例)

3.1 鉆孔設(shè)計

ZKX0508孔設(shè)計孔深593 m，設(shè)計頂角56°，方位角117°。終孔孔徑≮75 mm，特殊情況下，終孔孔徑≮60 mm。

3.2 質(zhì)量要求

(1)巖心采取率：上部覆蓋層不取心，全孔巖心采取率≮90%，連續(xù)5 m巖心采取率達(dá)不到要求，應(yīng)查明原因，及時采取補(bǔ)救措施。

(2)鉆孔彎曲度：每50 m測一次頂角和方位角，頂角和方位角偏差≯2°/100 m，終孔頂角及方位角偏差≯6°。

(3)其它質(zhì)量要求嚴(yán)格按照《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》(DZ/T 0227—2010)執(zhí)行。

3.3 鉆探工藝

開孔使用普通單管鉆進(jìn)，下部由于本礦山礦體賦存在蝕變巖帶或構(gòu)造帶，巖層較破碎，而且礦層比較薄，巖心采取率低，很有可能錯過礦層，不能準(zhǔn)確圈定礦體，因而在本礦坑道內(nèi)鉆探施工多采取繩索取心鉆進(jìn)工藝。與普通鉆進(jìn)方法相比，繩索取心鉆進(jìn)具有巖心采取率高、鉆進(jìn)效率高、鉆孔不易偏斜、人工勞動強(qiáng)度低、鉆探成本低等優(yōu)點(diǎn)。

研究比較文學(xué)，最主要的目的就是給我們的借鑒活動找出一些可遵循的規(guī)律，達(dá)到事半功倍的目的。我們常說，有比較才有鑒別，通過不同文學(xué)的比較，可以從理論上提高我們對外國文學(xué)的認(rèn)識；不同文學(xué)之間的相同之處何在？不同之處又何在？產(chǎn)生這些同與異的關(guān)鍵何在？從技巧到內(nèi)容，都可以進(jìn)行對比，從對比中吸取對我們有用的東西。[2]

3.4 鉆探設(shè)備的安裝

根據(jù)鉆孔設(shè)計，選擇XY-44型鉆機(jī)進(jìn)行施工。由于坑道內(nèi)硐室地面為完整的巖石，爆破開鑿出來，只是大致平整。設(shè)備進(jìn)場前，首先應(yīng)用砼找平，不僅便于安裝鉆機(jī)，而且利于方便施工，避免由于地面不平整而導(dǎo)致人員傷亡事故。鉆機(jī)按要求找平安裝好后，使用錨固方法固定，上部使用4根?60 mm鋼管一端頂緊鉆機(jī)底盤，一端支撐在硐室壁上。然后根據(jù)鉆孔方位角和傾角在硐室頂部鑿入錨桿，安裝天車輪。

泥漿池、沉淀池在開鑿硐室時一并鑿好，泥漿泵、絞車等在適當(dāng)位置安裝好后，錨固方法固定。

3.5 鉆孔結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計要求，終孔口徑≮75 mm。開孔即為基巖，因而采用?113 mm孔徑開孔，鉆進(jìn)0.6 m后下入?108 mm套管，用砼固定好，采用?77 mm繩索取心金剛石鉆進(jìn)，預(yù)留?91 mm口徑備用。鉆具級配(鉆桿-巖心管-鉆頭)分別為：?50 mm-?108 mm-?113 mm、?89 mm-?89 mm-?96 mm、?71 mm-?73 mm-?77 mm。

3.6 鉆進(jìn)參數(shù)

鉆壓隨著金剛石鉆頭的磨鈍，逐步增大，在鉆進(jìn)強(qiáng)研磨性、破碎或軟弱地層時，降低鉆壓。只有足夠高的轉(zhuǎn)速，繩索取心金剛石鉆進(jìn)才能達(dá)到高效率鉆進(jìn)的目的，在設(shè)備能力及鉆桿管材強(qiáng)度允許的前提下，盡量提高轉(zhuǎn)速，頂角大的鉆孔鉆進(jìn)時鉆桿與孔壁的摩擦力大，鉆桿的損傷大，隨著孔深增加，適當(dāng)控制轉(zhuǎn)速，特別是鉆進(jìn)強(qiáng)研磨性、破碎或軟弱地層時要降低轉(zhuǎn)速。在鉆速高、進(jìn)尺快時，巖粉量大，選用較大泵量，反之則泵量適當(dāng)減少。在大角度斜孔鉆進(jìn)時，泵量小，孔內(nèi)巖屑堆積物越來越多，形成巖屑橋，使鉆桿彎曲，改變鉆孔鉆進(jìn)軌跡，增大鉆孔彎曲量，嚴(yán)重的發(fā)生鉆桿斷裂或埋鉆事故。鉆進(jìn)過程中根據(jù)鉆速和巖層情況調(diào)整沖洗液量大小。泵送和打撈內(nèi)管總成時，為了提高效率，泥漿泵的泵量適當(dāng)調(diào)大。具體鉆進(jìn)參數(shù)如表2所示。

表2 金剛石鉆頭(孕鑲)鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

3.7 沖洗液配置

沖洗液對鉆孔成功與否起著關(guān)鍵作用，而繩索取心金剛石鉆進(jìn)對沖洗液的性能要求更加苛刻。繩索取心鉆桿與孔壁之間、內(nèi)管與外管之間，環(huán)狀間隙小，沖洗液性能不好會導(dǎo)致泵壓升高、憋泵、循環(huán)漏失，甚至造成提鉆抽垮鉆孔等，且鉆桿高速旋轉(zhuǎn)可導(dǎo)致巖粉及沖洗液固相在鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢，妨礙打撈巖心，甚至造成內(nèi)管打撈不上來，嚴(yán)重影響鉆進(jìn)效率。繩索取心金剛石鉆進(jìn)要求使用清水或低固相潤滑沖洗液。

配制沖洗液主要材料有：膨潤土、火堿、羧甲基纖維素(高粘)、高效防塌劑、堵漏劑、護(hù)壁劑、高效潤滑劑、聚丙烯酰胺等。

在鉆孔上部，主要為安山巖和角閃片麻巖，巖層相對較完整，使用清水鉆進(jìn)，隨著孔深增加，可使用無固相沖洗液，以增強(qiáng)沖洗液的潤滑及攜帶巖粉性能，沖洗液配比為：清水+0.4% 06型高效潤滑劑+0.3%PAM(1200萬)+0.3%Na2CO3。

該沖洗液加入PAM主要是增大粘度提高攜帶巖粉能力，加入06型高效潤滑劑主要起潤滑作用。

在破碎地層，主要是含有夾層泥地層，沖洗液失水量大，夾層泥吸水膨脹，造成鉆孔縮徑，隱患非常多，容易引起鉆桿斷裂及埋鉆等孔內(nèi)事故，遇到此地層，要及時調(diào)整沖洗液性能。要求降低沖洗液失水量，且攜帶巖粉能力強(qiáng)，有高效潤滑作用，沖洗液配比為：1%鈉基膨潤土+1%護(hù)壁劑+0.4% 06型高效潤滑劑+0.4%高粘CMC+0.5%防塌劑。

沖洗液性能：粘度22～24 s，密度1.02～1.04 g/cm3，失水量≯6 mL/30 min，pH值8～9，泥皮厚度<0.5 mm。

該沖洗液失水量小，能更好地在孔壁形成薄而韌的泥皮，有效抑制夾層泥水化膨脹，預(yù)防孔壁的坍塌，而且具較強(qiáng)的懸浮力和攜帶性，能有效清潔孔底，并具備隨鉆堵漏及潤滑功能。

3.8 金剛石鉆頭的選擇

開孔鉆進(jìn)巖石相對破碎，選用胎體硬度HRC36的?113 mm鉆頭；繩索取心鉆進(jìn)在巖層破碎時選擇胎體硬度HRC30～36鉆頭，完整巖層選用胎體硬度HRC12～15鉆頭。鉆頭外徑一般為77 mm，增大鉆具與孔壁之間的空隙，以便更好地攜帶巖粉，減少孔內(nèi)事故。

3.9 ZKX0508孔施工成果

通過施工硐室的設(shè)計完善，保證了鉆探施工安全順利進(jìn)行。通過鉆探工藝的優(yōu)化組合，不僅提高了鉆探效率，降低了施工成本，減少了施工事故，而且充分保證了鉆孔質(zhì)量，為今后相似鉆孔的施工提供了技術(shù)參考。該鉆孔施工歷時25 d，終孔深度591.77 m，無論鉆孔頂角和方位角都符合設(shè)計要求。平均時效2.66 m，臺月進(jìn)尺709 m，巖礦心采取率達(dá)99%。

3.10 本礦區(qū)常見鉆探事故及預(yù)防

由于該礦區(qū)地下水豐富，許多鉆孔存在涌水現(xiàn)象，如果不進(jìn)行處理，沖洗液不能充分冷卻鉆頭，就會出現(xiàn)燒鉆事故、鉆桿折斷脫落事故、鉆頭掉塊脫落事故；在蝕變帶地層，有時會出現(xiàn)夾層，該巖層易風(fēng)化，遇水膨脹，處理不及時會造成夾鉆、埋鉆事故；大頂角鉆孔施工，不僅鉆具磨損大，而且內(nèi)管不易投放到位，不采取相應(yīng)措施，會出現(xiàn)斷鉆桿、巖心打撈不上來等事故問題。鉆探事故不僅影響鉆探效率、延長施工時間，而且主要是降低施工效益、加大施工成本，因而要加強(qiáng)管理，采取必要的預(yù)防措施。

(1)施工前詳細(xì)了解相關(guān)地質(zhì)情況，確定合理的鉆孔結(jié)構(gòu)；

(2)加強(qiáng)施工人員責(zé)任意識，提高施工人員技術(shù)能力；

(3)嚴(yán)格執(zhí)行鉆探技術(shù)操作規(guī)程及交接班制度；

(4)加強(qiáng)管理，嚴(yán)禁設(shè)備、鉆具帶病工作，鉆桿磨損超標(biāo)不得使用；

(5)遇異常情況，及時停鉆，采取必要的消除措施，避免盲目鉆進(jìn)。

4 坑道內(nèi)鉆探施工安全措施

坑道內(nèi)鉆探施工空間狹小，交通不便，救生困難，發(fā)生人身傷亡事故，很難得到及時救治，必須采取最大限度的安全措施。

(1)安全教育制度：對施工人員進(jìn)行安全知識、安全規(guī)范及規(guī)章制度教育，加強(qiáng)其自救及逃生能力。

(2)進(jìn)出登記制度：施工人員嚴(yán)格遵守礦區(qū)安全管理規(guī)定，進(jìn)出坑道進(jìn)行登記。

(3)摸排風(fēng)險制度：進(jìn)入施工硐室，對硐室內(nèi)圍巖及時檢查，排除危石。

(4)安全用電制度：實行“一機(jī)一閘一漏電保護(hù)”及安全電壓照明。

(5)安全通風(fēng)制度：安裝排風(fēng)機(jī)，加強(qiáng)空氣流通，以避免產(chǎn)生閉氣現(xiàn)象和降低硐室內(nèi)溫度。

(6)安全運(yùn)輸制度：專人操作機(jī)電車，對較長鉆具，必須倆人抬，禁止一人肩扛。

(7)設(shè)安全員制度：一個機(jī)臺配置一個專兼職安全員，負(fù)責(zé)安全檢查和監(jiān)督。

(8)定期檢查制度：經(jīng)營安全科定期對施工鉆機(jī)安全檢查，發(fā)現(xiàn)并排除安全隱患。

5 結(jié)語

本礦區(qū)鉆探施工主要存在硐室內(nèi)施工安全隱患及坑道內(nèi)鉆探施工工藝技術(shù)欠缺，通過參考類似礦區(qū)的施工經(jīng)驗及本礦區(qū)的施工總結(jié)，經(jīng)過近幾年的實踐，無論在硐室設(shè)計和分支孔鉆探工藝技術(shù)都越來越成熟。目前本礦區(qū)坑道內(nèi)鉆探所占比例越來越大，鉆孔也越來越深，不僅節(jié)省了大量的施工成本，提高了鉆孔施工質(zhì)量，減少了鉆探設(shè)備搬遷，節(jié)省了鉆探工作量，而且還減少了水土、森林破壞，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，還提高了經(jīng)濟(jì)效益，對今后同類礦區(qū)鉆探施工有很好的借鑒作用。

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Tunnel Drilling Technology of Chengjiagou-Shagou Silver Polymetallic Deposit

SHI Zhi-xing1, YANG Chun2, ZHAI Dong-xu1

(1.The First Geological Brigade of Henan Nonferrous Metals Geology and Mineral Resources Bureau, Zhengzhou Henan 450016, China; 2.Sinomine Resource Exploration Limited Company, Beijing 100089, China)

For the large angle drilling construction with hole depth greater than 300m, the construction difficulty increases obviously. By improving construction chamber design in the tunnel, the smooth drilling construction and the safety are ensured. Based on the improvement of equipment selection and installation, hole structure, drilling parameters, flushing medium configuration, common accidents and the prevention, the construction technology of large apex angle drilling in tunnel is summarized, the drilling construction of borehole with apex angle 56 degree and designed depth 593m has been completed.

tunnel drilling; chamber design; large apex angle drilling; drilling accident

2016-06-17；

2017-03-29

2010年度河南省地質(zhì)勘查基金項目“河南省洛寧縣程家溝-沙溝銀多金屬礦深部預(yù)查”

時志興，男，漢族，1973年生，高級工程師，長期從事巖心鉆探工作，河南省鄭州市經(jīng)開區(qū)第八大街166號，765181609@qq.com。

P634

B

1672-7428(2017)05-0039-05