高智輝，牛志紅

（江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六八大隊，江西 上饒 334700）

1 項目概況

尾礦庫的穩(wěn)定性、安全性向來為人們所重視，尤其是大型的尾礦庫，一旦發(fā)生垮塌事故，勢必造成重大的人員傷亡和巨大的財產(chǎn)損失。因此，庫區(qū)位置的選擇、庫容及壩址的設(shè)計、施工、驗收等都必須嚴格按行業(yè)最高標準來進行。此外，隨著尾砂的不斷堆積過程，要定期對庫壩的穩(wěn)定性和安全性進行勘探研究，科學評估，提出合理建議。

江銅集團永平銅礦的尾礦庫是一座特大型的尾礦庫，始建于1985年，設(shè)計庫容為6600萬m3，由一個主壩和 5個子壩圈成，主壩高150m，現(xiàn)尾砂已堆置142m，目前已接近尾礦庫使用后期，按照相關(guān)規(guī)范要求，需要做尾礦庫中后期穩(wěn)定性、安全性研究。設(shè)計方案及評估過程由中鋼集團馬鞍上礦院工程勘查設(shè)計有限公司承擔，寧波華東核工業(yè)工程勘查院則承擔庫區(qū)及庫壩的工程地質(zhì)勘查，本次勘查設(shè)計鉆孔51個，鉆探工作量2792m(20m～160m不等)，勘查完成后向江西銅業(yè)股份有限公司永平銅礦提交程地質(zhì)勘查報告及相關(guān)數(shù)據(jù)資料。

2 發(fā)現(xiàn)問題

通過查閱資料和實地勘查發(fā)現(xiàn)尾砂壩為粘土斜墻堆石壩，采用上游法分散管放礦堆筑，表面用塊石護坡。庫區(qū)內(nèi)的堆積物（尾砂）成分復(fù)雜，既有素填土、尾細砂、尾粉砂、尾亞砂、尾重壓黏、尾輕亞黏，壩基土為粉質(zhì)粘土，場地的下臥基巖中又出現(xiàn)有強風化含泥質(zhì)粉砂巖、中風化含泥質(zhì)粉砂巖。在鉆探的初期還是比較順利，但鉆進至30m后就容易出現(xiàn)卡鉆、埋鉆、垮孔現(xiàn)象，而且沉渣多，難以取得尾礦砂原裝土試樣。

卡鉆、埋鉆：經(jīng)常性的卡鉆勢必會影響工程的進度，如果因為卡鉆而無法達到設(shè)計要求的鉆探深度，這個鉆孔就得報廢。

取樣困難：尾礦庫的穩(wěn)定性和安全性評價的主要依據(jù)就是來原于鉆探中的精準取樣及樣品中涵蓋的各種數(shù)據(jù)。如果取樣達不到要求，鉆探就意味著失去了意義。

3 研究分析

為解決上述難題，我院決定抽調(diào)具有豐富實地工作經(jīng)驗的地質(zhì)、鉆探、水文、機械加工專業(yè)人員成立課題攻關(guān)小組，攻克難題。

課題組針對上述問題進行剖析研究：造成卡鉆、埋鉆的因素很多，既有尾砂本身地質(zhì)、水文及工程力學等非可控因素，也存在鉆探過程中人為可控的外在因素，如鉆機型號、直度、鉆探口徑、鉆頭、鉆具選擇是否適中；鉆進速度、取鉆、下鉆操作是否正確；高壓水泵的配置、鉆進過程中水泥漿流速、泥漿泵的選擇、壓力、凝膠劑的品種及配比等。人為可控的因素可以通過改進工作措施加以克服。

課題組針對尾砂本身地質(zhì)、水文及工程力學等非可控因素容易造成卡鉆問題分析研究認為：當鉆進達到一定深度時就會發(fā)生卡鉆、埋鉆，其原因在于尾礦壩中的橫向應(yīng)力隨著深度的增加而增加，達到一定深度后，作用在鉆頭及巖芯管上的壓力所產(chǎn)生的摩擦力就會大于鉆機能夠提供的最大拉力，此時就會發(fā)生卡鉆、埋鉆現(xiàn)象。

目前，常見的鉆頭都是針對可鉆中硬-硬和有硬巖夾層的地層，如PDC鉆頭及其改進的新型鉆頭。近年來，也有針對卵礫巖層硬度大、可鉆性級別高、卵礫石礫徑大小不等及形狀不規(guī)則等特點研發(fā)了一些抗沖擊性能較強新型取芯鉆頭，如QTQ型鉆頭、STS型鉆頭、金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合齒鉆頭、四翼式取砂硬質(zhì)合金鉆頭等。實踐證明，目前已有的鉆頭均不適用于尾礦壩的深部勘探及取樣。

4 研究方案、解決對策

為此課題組對現(xiàn)有的鉆頭進行了改進，將改進后的新型鉆頭取名為“高尾砂壩超深鉆探鉆頭”，簡稱“新鉆頭”。

第一，選用高硬度、高強度合金材料作為掘進鉆頭（見圖1，2之圖例1，4硬質(zhì)合金鉆頭）。以降低其在鉆進過程中與周圍巖層的磨損，從而節(jié)約了鉆探成本，加快了鉆進速度。

圖1 改進后鉆頭的三維拆分示意圖

第二，在原鉆頭的胎體四周各增設(shè)一排“橫牙”（見圖2之圖例8，11），“橫牙”表面鑲嵌硬質(zhì)合金，以降低其在鉆進過程中與周圍巖層的磨損，從而節(jié)約了鉆探成本；同時，“橫牙”在鉆進的過程中不斷的對孔壁的刮擦，無形的增大了鉆孔的直徑，減少了孔壁對鉆桿擠壓和摩擦，從而較好解決了卡鉆的問題，也方便取樣。

第三，加大了水口的尺寸（見圖1，2之圖例9），這就保證了鉆井液順暢循環(huán)、加快了鉆進速度。該鉆頭的構(gòu)造及圖2示如下。

5 驗證效果

利用“新鉆頭”重新鉆探，共驗證了51個鉆孔，歷時57天，就完成了本次勘查任務(wù)，鉆進速度快；鉆孔最深至170m，沒有發(fā)生卡鉆現(xiàn)象；巖芯取樣方便，取樣合格率在95%以上，此外，本次勘查損耗的鉆頭只有10個，有效降低了勘查成本。采用新工藝鉆探明顯大大優(yōu)越于傳統(tǒng)工藝。因此，課題研究取得了巨大成功，取得了明顯的經(jīng)濟效益。

圖2 改進后鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖

6 課題所取得的成果

經(jīng)課題組研究改進的“新鉆頭”更適合高尾礦壩超深鉆探及較軟質(zhì)層的鉆探。該鉆頭的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。在實施尾礦壩的深井鉆探中，避免了鉆進和提鉆時卡鉆、保證鉆井液順暢循環(huán)、加快了鉆進速度和防止鉆進中胎體的磨損。安全、高效，降低了勘探成本，取得了明顯的經(jīng)濟效益。

7 成果的推廣

新鉆探工藝在永平銅礦燕倉尾礦壩鉆探中的成功應(yīng)用，極大的鼓舞勘探科技人員的創(chuàng)新意識。在德興銅礦4＃尾礦壩浸潤線觀測系統(tǒng)的建立及高壩穩(wěn)定性研究項目的招投標中，我院又成功中標。再次將新鉆探工藝應(yīng)用于該項目的鉆探中，同樣獲得成功。

8 結(jié)語

本文闡述了高尾砂壩超深鉆探中所遇到的技術(shù)問題，通過研究分析，發(fā)明了“高尾砂壩超深鉆探鉆頭”新工藝技術(shù)、解決了鉆探的技術(shù)難題，安全、高效，有效降低了勘探成本。隨著此項技術(shù)的應(yīng)用推廣，必將對勘探行業(yè)產(chǎn)生巨大深遠影響。