翟新建， 李大鵬

(1.河南省地礦局第四地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001； 2.河南省小口徑鉆探工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450001)

小秦嶺金礦田觀音峪礦區(qū)位于河南省靈寶市。該地區(qū)是我國(guó)主要產(chǎn)金地區(qū)之一，大地構(gòu)造位置屬華北地臺(tái)西南緣的華山臺(tái)穹，以新太古代典型花崗巖——綠巖建造為主體，產(chǎn)于該類建造的金礦儲(chǔ)量和產(chǎn)量都位于金礦之首。國(guó)務(wù)院辦公廳頒布的《找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)綱要》(國(guó)辦發(fā)[2011]57號(hào))中明確提出了“在膠東、小秦嶺等金資源富集區(qū)加強(qiáng)深部找礦”的要求，為小秦嶺深部找礦提供了政策指引和有利保障。為加強(qiáng)地質(zhì)找礦進(jìn)度，貫徹落實(shí)綠色勘查的發(fā)展理念，該地區(qū)引進(jìn)并應(yīng)用了ROCK-600型便攜式全液壓鉆機(jī)。

1 地質(zhì)概況

小秦嶺地區(qū)經(jīng)歷了長(zhǎng)期的構(gòu)造變形變質(zhì)作用，區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，晚期沿韌性剪切帶活動(dòng)的壓扭性斷裂內(nèi)有含金石英脈充填，并有熱液交代構(gòu)造巖或圍巖成蝕變巖型金礦石。

1.1 地質(zhì)設(shè)計(jì)要求

河南省小秦嶺金礦田北中礦帶觀音峪礦區(qū)設(shè)計(jì)工作量1935 m，鉆孔孔深180～400 m，終孔直徑≥75 mm,巖心平均采取率≥80%，礦心采取率≥90%，孔斜率要求：直孔不超過2°/100 m，斜孔不超過3°/100 m。鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Borehole design parameters

1.2 鉆遇地層

鉆孔揭露的地層巖性主要為斜長(zhǎng)角閃巖、輝綠巖、偉晶巖、黑云母斜長(zhǎng)片麻巖、花崗巖、石英巖，局部易出現(xiàn)坍塌、掉塊、膨脹等孔內(nèi)復(fù)雜情況。

2 鉆探設(shè)備及機(jī)具選擇

2.1 鉆機(jī)

鉆探施工使用ROCK-600型便攜式鉆機(jī)(圖1)。該鉆機(jī)采用全液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、集成化設(shè)計(jì)，大量采用航空鋁合金作為材料，最重的部件只有150 kg，快插設(shè)計(jì)，易于拆卸、搬運(yùn)和組裝。鉆機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)場(chǎng)占地面積小，鄉(xiāng)間小路或人行道即可通行，對(duì)周圍環(huán)境和森林植被破壞小，適合在各種惡劣環(huán)境及復(fù)雜地質(zhì)條件下快速地完成鉆探施工任務(wù)。其技術(shù)參數(shù)見表2。

圖1 ROCK-600型便攜式鉆機(jī)Fig.1 ROCK-600 portable drill rig

2.2 機(jī)具

鉆探施工使用的是無錫中地鉆探裝備有限公司

表2 ROCK-600型鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 2 ROCK-600 drill rig technical parameters

生產(chǎn)的HQ和NTW繩索取心鉆具及總成。

3 鉆進(jìn)施工技術(shù)

3.1 管材選擇

該礦區(qū)采用HQ和NTW繩索取心鉆具鉆進(jìn)。HQ繩索取心使用范圍是開孔至完整基巖；NTW繩索取心使用深度范圍見完整基巖至達(dá)到目的層(終孔)。繩索取心鉆桿選用無錫中地鉆探裝備有限公司生產(chǎn)的HQ(?89 mm×5.5 mm)和NTW(?73.3 mm×4.55 mm)系列鉆桿(材質(zhì)為30CrMnSi)。

3.2 鉆進(jìn)工藝

開孔采用?95 mm金剛石繩索取心鉆進(jìn)，鉆至完整巖石，下入?89 mm技術(shù)套管護(hù)壁；換NTW繩索取心鉆具鉆進(jìn)至終孔(達(dá)到地質(zhì)目的)。局部孔段地層較發(fā)育，沖洗液漏失量較大，為了提高鉆進(jìn)效率，采用了隨鉆堵漏鉆進(jìn)方法。

3.3 鉆進(jìn)參數(shù)

在正確選擇鉆頭的情況下，其鉆進(jìn)效率取決于鉆進(jìn)參數(shù)，即鉆壓、轉(zhuǎn)速與泵量。確定金剛石鉆進(jìn)參數(shù)時(shí)，除了考慮機(jī)械鉆速外，還要充分考慮鉆頭的壽命問題。鉆頭壽命嚴(yán)重影響著小時(shí)效率，因此，判別參數(shù)的合理與否，主要看機(jī)械鉆速和金剛石的消耗量。實(shí)際施工中采用的鉆進(jìn)參數(shù)見表3。

表3 采用的鉆進(jìn)參數(shù)Table 3 Drilling parameters

3.4 金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器

該鉆孔采用?95和76 mm繩索取心金剛石鉆頭。為保證鉆孔施工安全，加大了?76 mm鉆頭和擴(kuò)孔器的外徑，增大環(huán)狀間隙，以減少循環(huán)阻力；同時(shí)選擇適合本礦區(qū)地層的鉆頭參數(shù)，取得了很好的效果。

?95 mm繩索取心鉆具選用的金剛石鉆頭外徑95 mm,擴(kuò)孔器外徑95.7 mm。鉆頭參數(shù)：金剛石品級(jí)SDBVB(英國(guó))，粒度46～80目，濃度100%；胎體硬度HRC30～35，水口10個(gè)，唇面為圓弧式。?76 mm繩索取心鉆具選用的金剛石鉆頭是在原鉆頭外徑增加了0.5 mm(原鉆頭外徑為?75.5 mm),擴(kuò)孔器外徑76.7 mm。鉆頭參數(shù)：金剛石品級(jí)SDBVB，粒度46～80目，濃度100%；胎體硬度HRC5～10，水口10個(gè)，唇面為同心圓尖齒形。擴(kuò)孔器選用的是 SDBVB級(jí)金剛石+聚晶條(2×2×5)的燒結(jié)擴(kuò)孔器。

3.5 沖洗液選擇

在該礦區(qū)施工之前，沖洗液配方的設(shè)計(jì)作為該礦區(qū)的重點(diǎn)工作，根據(jù)事前預(yù)估的地層資料，研究?jī)?yōu)選出了5種沖洗液配方，以滿足可能鉆遇不同地層時(shí)的需求，然后根據(jù)實(shí)際施工地層靈活選用和調(diào)整。在鉆進(jìn)過程中，因開孔地層較為完整，從經(jīng)濟(jì)成本和使用方便方面來考慮沖洗液的類型，選擇使用下列3種無固相沖洗液。

配方1：1 m3清水+0.4%CMC+PHP干粉300～500 ppm+0.30%的植物膠，(即每1 m3沖洗液中加入300～500 g水解聚丙烯酰胺)，用以進(jìn)行開孔護(hù)壁。

配方2：1 m3清水+0.1%CMC+100～300 ppm PHP+0.3%～0.5%熒光高效潤(rùn)滑劑，用以基巖護(hù)壁。PHP是由聚丙烯酰胺水解而成，主要用作水基不分散鉆井液的絮凝劑，抑制造漿強(qiáng)，可維持沖洗液的低密度，具有一定的增粘作用。在穩(wěn)定的基巖段，沖洗液的粘度指標(biāo)可降低，重點(diǎn)增加沖洗液的潤(rùn)滑性能。

配方3：水∶高效潤(rùn)滑劑=1000∶12的比例混合，經(jīng)攪拌均勻，送入循環(huán)池，用以穩(wěn)定基巖護(hù)壁。06熒光高效潤(rùn)滑劑，顏色為暗灰色，主要為軟脂酸、硬脂酸等脂肪酸鹽類陰離子表面活性劑，具有高效潤(rùn)滑冷卻性能，抗溫能力強(qiáng)，洗潔力好，潤(rùn)滑系數(shù)降低率高，扭矩系數(shù)降低率達(dá)到或超過50%，是在皂化粉基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種新型的潤(rùn)滑冷卻劑。

護(hù)壁堵漏：當(dāng)鉆遇裂隙及破碎地層，鉆井液有漏失現(xiàn)象，沖洗液消耗大，沖洗液無法滿足施工要求時(shí)，采用803堵漏劑堵漏起到了良好的效果。

4 應(yīng)用實(shí)效

在應(yīng)用ROCK-600型便攜式鉆機(jī)的生產(chǎn)實(shí)踐中，相對(duì)于在該礦區(qū)施工的立軸鉆機(jī)，鉆進(jìn)效率得到提高，搬家周期大幅縮短，占地毀林面積減少顯著，一定程度上實(shí)現(xiàn)了綠色勘查，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。同時(shí)也存在著許多問題，下一步可著重改進(jìn)。

4.1 鉆探施工效率大幅提高

ROCK-600型全液壓便攜式鉆機(jī)在400 m以淺鉆孔施工，鉆進(jìn)效率相對(duì)立軸鉆機(jī)得到大幅提高。鉆進(jìn)效率對(duì)比情況見表4。

表4 鉆進(jìn)效率對(duì)比Table 4 Drilling efficiencies

從表4可以看出，ROCK-600型便攜式全液壓鉆機(jī)相對(duì)XY-4型立軸鉆機(jī)平均臺(tái)月效率提高202%，平均小時(shí)效率提高214%。

4.2 搬家及鉆機(jī)安裝周期縮短

ROCK-600型全液壓便攜式鉆機(jī)與XY-4型立軸鉆機(jī)的搬家、鉆機(jī)安裝時(shí)間對(duì)比如表5所示。

從表5可看出：ROCK-600型便攜式全液壓鉆機(jī)相對(duì)于傳統(tǒng)的XY-4型鉆機(jī)搬家時(shí)間和安裝時(shí)間顯著減少。這是因?yàn)镽OCK-600型鉆機(jī)實(shí)行集成化設(shè)計(jì)，總質(zhì)量1.2 t，最重模塊僅150 kg，僅需4人即可抬運(yùn)，條件良好的路段可使用皮卡車進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。傳統(tǒng)的XY-4型立軸鉆機(jī)搭配SG-8型鉆塔、BW-250型泥漿泵、攪拌機(jī)等配套設(shè)備，重達(dá)5 t，轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)鉆塔需要拆卸零散，搬運(yùn)不便。

表5 鉆機(jī)搬家和安裝時(shí)間對(duì)比Table 5 Comparison of movement time and rig-up timebetween various drills

4.3 修路、平機(jī)場(chǎng)占地面積小

ROCK-600型鉆機(jī)人工便道(路寬0.8～1.2 m)即可搬運(yùn)，機(jī)場(chǎng)面積僅需4 m×4 m既能滿足施工要求，而XY-4型立軸鉆機(jī)單件較重，人工搬運(yùn)不便時(shí)需使用三輪車或皮卡搬運(yùn)，運(yùn)輸設(shè)備道路路寬在1.5～1.8 m以上，機(jī)場(chǎng)除擺放鉆塔外，還要滿足現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備、管材的擺放及沖洗液循環(huán)的要求，面積應(yīng)在6 m×6 m以上。

4.4 夾持器鎖死系統(tǒng)工作時(shí)間短

ROCK-600型便攜式全液壓鉆機(jī)在觀音峪礦區(qū)施工的ZK201在215.53 m發(fā)生跑鉆事故，主要原因是班長(zhǎng)操作不當(dāng)和班組人員責(zé)任心不強(qiáng)造成的。該孔使用的是NTW繩索取心鉆桿，在下入第119根鉆桿時(shí)，動(dòng)力頭扭矩不足導(dǎo)致鉆桿絲扣吃絲少，此時(shí)1號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)意外熄火，半分鐘內(nèi)未啟動(dòng)，夾持器無法自動(dòng)夾緊，因鉆桿自重較大導(dǎo)致鉆桿絲扣脫扣，引發(fā)了跑鉆事故。后來檢查發(fā)動(dòng)機(jī)熄火的原因主要是油箱存在大量油沫，造成供油不暢。因?yàn)闄C(jī)臺(tái)人員加柴油時(shí)，油桶里存在油沫，沒有過濾，直接加入油箱，造成油箱內(nèi)積存大量油沫，而柴油濾芯長(zhǎng)時(shí)間不更換，油沫進(jìn)入供油管，造成的供油不暢。如鉆機(jī)夾持器能在液壓系統(tǒng)動(dòng)力缺失的情況下，鎖住回油的時(shí)間更長(zhǎng)點(diǎn)，這樣會(huì)給鉆機(jī)人員更多的處理時(shí)間，減少事故的發(fā)生。

4.5 處理事故能力略顯不足

ROCK-600型便攜式全液壓鉆機(jī)在觀音峪礦區(qū)施工的ZK201跑鉆事故后，換低轉(zhuǎn)速動(dòng)力頭液壓馬達(dá)(200 r/min，650 N·m)，下入公錐錐住鉆桿，提拉不動(dòng)，后強(qiáng)力提拔，機(jī)座翹起，仍沒提出，多次嘗試后絲扣脫扣。后考慮鉆孔漏失嚴(yán)重，孔內(nèi)基本為干孔，鉆桿因自重較大，下落到孔底并擠死在孔內(nèi)，決定改用割刀進(jìn)行切割。割刀下入145.58 m，無法繼續(xù)下入，慢轉(zhuǎn)割刀，開始切割鉆桿。切割后，下入公錐錐住鉆桿，后起上97根鉆桿。通過對(duì)孔內(nèi)的事故情況進(jìn)行分析研究，一致認(rèn)為孔內(nèi)鉆桿無法起出，無法繼續(xù)施工，移孔重新施工。ROCK-600型鉆機(jī)正常鉆進(jìn)使用的是1300 r/min、260 N·m的動(dòng)力頭馬達(dá)，處理事故采用低轉(zhuǎn)速馬達(dá)，可強(qiáng)力提拔時(shí)，機(jī)座翹起，不敢繼續(xù)增大提拔力度，最終導(dǎo)致處理事故失敗。

5 結(jié)語

(1)ROCK-600型便攜式鉆機(jī)在小秦嶺金礦田觀音峪礦區(qū)的應(yīng)用表明，該便攜式全液壓鉆機(jī)具有效率高、搬遷方便、對(duì)地層適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)環(huán)境破壞小等特點(diǎn)，非常適合在鉆孔較淺、搬遷頻繁、修路困難的礦區(qū)施工。

(2)從施工鉆孔來看，與施工能力相當(dāng)?shù)牧⑤S式鉆機(jī)相比，ROCK-600型鉆機(jī)搬遷快、施工效率高和施工成本低，但由于自身設(shè)計(jì)原因，在施工中一旦出現(xiàn)孔內(nèi)事故，其處理事故能力方面有所不足。

(3)ROCK-600型鉆機(jī)配套的泥漿泵對(duì)沖洗液質(zhì)量要求比較高，所以在施工中沖洗液不循環(huán)使用，在干旱缺水地區(qū)施工，成本較高。

(4)ROCK-600型鉆機(jī)是以渦輪增壓柴油機(jī)為動(dòng)力，建議增加電動(dòng)機(jī)動(dòng)力，能拓寬鉆機(jī)的施工領(lǐng)域(適應(yīng)坑內(nèi)鉆探)，實(shí)現(xiàn)綠色鉆探。