班金彭， 暢利民， 代云鵬， 譚代衛(wèi)， 郝海洋， 付芝康， 黃明勇， 劉萬龍

(1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局115地質(zhì)大隊(duì)，貴州 清鎮(zhèn) 551400； 2.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局105地質(zhì)大隊(duì)，貴州 貴陽 550018)

0 引言

坑道鉆探是礦山勘查常用的勘探方法，既能減少地表環(huán)境破壞，又能提高鉆探效益、節(jié)約鉆探施工成本，對(duì)延長(zhǎng)礦山開發(fā)壽命意義重大[1-4]。受業(yè)主方委托，貴州省地礦局115地質(zhì)大隊(duì)對(duì)黔西南水銀洞金礦進(jìn)行坑道鉆探施工。該礦區(qū)Ⅰa含礦體內(nèi)地下水豐富，部分區(qū)段為承壓水，礦區(qū)內(nèi)坑道鉆孔孔內(nèi)水壓較大，所實(shí)施的一個(gè)水文鉆孔涌水量最高達(dá)112.86 t/h，給小口徑繩索取心鉆探帶來了極大施工難題。針對(duì)水銀洞金礦Ⅰa含礦體，實(shí)施了37個(gè)坑道鉆孔，其中涌水鉆孔32個(gè)；總進(jìn)尺超過3800 m；鉆孔驗(yàn)收優(yōu)質(zhì)率90%以上，合格率100%，獲得了業(yè)主方的高度認(rèn)可。

1 地質(zhì)概況

1.1 主要含礦層特征

礦區(qū)出露地層有三疊系的永寧鎮(zhèn)組T1yn和夜郎組T1y、上二疊統(tǒng)大隆組P3d、長(zhǎng)興組P3c、龍?zhí)督MP3l、峨眉山玄武巖組P2β、大廠組P2dc以及中二疊統(tǒng)茅口組P2m等[5]。施工鉆遇地層如圖1所示。主要含礦層有：構(gòu)造蝕變體(SBT)含礦層(Ⅰa)和龍?zhí)督M中含礦層。

圖1 水銀洞龍頭山層序Fig.1 Depositional sequence of Longtoushan Formation at Shuiyindong Mine

1.1.1 構(gòu)造蝕變體(SBT)含礦層(Ⅰa)

為龍?zhí)督M(P3l)與茅口組(P2m)不整合界面間因區(qū)域性構(gòu)造滑脫作用和熱液蝕變作用形成的含礦角礫巖，巖性為深灰色中層強(qiáng)硅化灰?guī)r、角礫狀強(qiáng)硅化灰?guī)r、硅質(zhì)巖及角礫狀粘土巖組合。

礦床受控于灰家堡背斜和SBT，礦體主要產(chǎn)于龍?zhí)督MP3l1地層和SBT中[6]，主要巖性為深灰色中層強(qiáng)硅化灰?guī)r、角礫狀強(qiáng)硅化灰?guī)r、硅質(zhì)巖及角礫狀粘土巖(粘土巖部分見硅化)，節(jié)理密集發(fā)育，見大量溶蝕孔隙，局部呈蜂窩狀。

1.1.2 龍?zhí)督M中含礦層

產(chǎn)于龍?zhí)督M地層中，主要巖性為鈣質(zhì)砂巖、鈣質(zhì)粉砂巖、泥灰?guī)r、生物屑灰?guī)r，呈透鏡狀、似層狀、層狀產(chǎn)出。

1.2 水文地質(zhì)概況

水銀洞金礦區(qū)處灰家堡背斜核部，受兩翼三疊系下統(tǒng)夜郎組三段相對(duì)隔水層阻隔，灰家堡背斜形成一個(gè)較完整的水文地質(zhì)單元，礦區(qū)處在背斜水文地質(zhì)單元的徑流區(qū)中部。

區(qū)域內(nèi)地下水類型有巖溶水、基巖裂隙水、松散巖類孔隙水[7]。巖溶水賦存于以碳酸鹽巖為主的中二疊統(tǒng)茅口組(P2m)、構(gòu)造蝕變體(SBT)，巖性主要為灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r；與Ⅰa含礦體充水有關(guān)的茅口組(P2m)巖溶含水層，富水性較強(qiáng)，且受大氣降水影響較小。

2 坑道鉆探施工難點(diǎn)

2.1 地層軟硬交替，易導(dǎo)致鉆孔傾角改變

軟質(zhì)地層的巖性以泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖為主，如龍?zhí)督M中碳質(zhì)粘土巖、煤線，遇水易水化膨脹或垮塌。堅(jiān)硬地層主要為質(zhì)地較純的碳酸鹽巖，包括中二疊統(tǒng)茅口組、蝕變帶和龍?zhí)督M中所夾的灰?guī)r。隨著軟弱夾層傾角的增大，巖塊的強(qiáng)度減小[8]。鉆進(jìn)時(shí)若不及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)(鉆壓、轉(zhuǎn)速和排量)，則易發(fā)生孔內(nèi)事故。KZK5524鉆孔，鉆穿基巖3 m后的22 m以淺均為粘土巖，隨后的鉆探過程中，多次出現(xiàn)灰?guī)r與粘土巖的交互地層。

2.2 礦層巖石破碎，易造成埋鉆事故，取心率低

該區(qū)金礦極易富集于孔隙度較大的碎裂(塊狀)巖、角礫巖、鈣質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖中。當(dāng)進(jìn)入蝕變體后，孔底水壓高、涌水量大，礦層取心率低。龍?zhí)督M第一段裂隙、孔隙發(fā)育，巖石破碎，嚴(yán)重影響巖心的采取率(見圖2)。鉆遇破碎地層時(shí)，在鉆桿的旋轉(zhuǎn)撞擊下，更易垮塌掉塊，如果操作不當(dāng)，極易造成卡鉆、埋鉆事故。KZK5524鉆孔出現(xiàn)燒鉆事故1次，斷鉆桿事故5次，鉆穿27 m SBT，終孔深度97.00 m，施工日期達(dá)12天之久。

圖2 KZK5705鉆孔巖心采取率和RQDFig.2 Core recovery and RQD of Hole KZK5705

2.3 礦層水壓高、涌水量大，不利于繩索取心技術(shù)應(yīng)用

由于該區(qū)孔內(nèi)礦層水壓在0.4～0.7 MPa，且孔內(nèi)裂隙發(fā)育，涌水量較大(見圖3)。鉆遇涌水層時(shí)，內(nèi)管下放及提起困難。內(nèi)管總成的“蝴蝶片”被頂在彈卡室的扶正環(huán)臺(tái)階上，導(dǎo)致內(nèi)管拉不起來，必須頻繁起大鉆，嚴(yán)重降低繩索取心鉆進(jìn)的效率；內(nèi)管下放時(shí)，由于孔底往外沖出，阻礙內(nèi)管的下放。

圖3 KZK5313鉆孔孔內(nèi)涌水情況Fig.3 Water kick from Hole KZK5313

2.4 蝕變體硬度大、可鉆性差，鉆頭易消耗

SBT主要為硅化角礫狀粘土巖(P3l1下部)和強(qiáng)硅化角礫狀灰?guī)r(P2m上部)組合[9]，分布于SBT硅質(zhì)巖中，直接頂板為硅質(zhì)巖，具有硬脆的特征。巖石力學(xué)強(qiáng)度高、巖心采取率小，主要與巖石硬脆、地下水活動(dòng)有關(guān)，總體上頂板穩(wěn)固性較差；Ⅰa含礦體底板為P2m灰?guī)r，巖心完整，穩(wěn)固性強(qiáng)。研究表明水銀洞金礦礦石中二氧化硅含量在25.25%～49.46%[10]，礦層多方解石和石英脈，巖石堅(jiān)硬，為獲得較理想的鉆速只能換用胎體硬度低的鉆頭，從而導(dǎo)致鉆頭使用壽命低。

2.5 SBT層溶巖水硫、砷含量較高，對(duì)人體健康不利

水銀洞金礦礦石礦物主要有黃鐵礦、毒砂、雌黃和雄黃等，其中黃鐵礦是該區(qū)金礦床的主要載金礦物。而溶巖水中，硫、砷含量較高，不僅會(huì)腐蝕鉆桿導(dǎo)致斷鉆具的事故，長(zhǎng)時(shí)間接觸孔內(nèi)涌水，會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員的皮膚產(chǎn)生危害。

2.6 井下工作環(huán)境較差，影響施工人員情緒

鉆遇特大涌水層后，繩索取心工藝內(nèi)管下放與上提困難，須采用普通鉆進(jìn)工藝，頻繁起大鉆，施工人員易疲憊；井下惡劣的施工環(huán)境，對(duì)長(zhǎng)期駐守于此的施工人員的精神狀態(tài)造成影響。

3 鉆探施工技術(shù)及分析

3.1 優(yōu)化鉆孔結(jié)構(gòu)

經(jīng)過前期施工的多個(gè)鉆孔的經(jīng)驗(yàn)摸索，將原本設(shè)計(jì)的二開鉆孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化為三開結(jié)構(gòu)，目的是增大涌水孔的孔口定向管固井質(zhì)量。

一開：采用?108 mm金剛石鉆頭開孔，鉆進(jìn)深度1 m。

二開：采用?93 mm金剛石鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)2 m，將42.5建筑水泥+5%(質(zhì)量比)速凝劑的均勻水泥漿灌滿裸眼鉆孔，再下3 m的?89 mm定向管，侯凝36 h以上。

三開：采用?75.5 mm金剛石鉆頭鉆至中二疊統(tǒng)茅口組P2m，全段取心，終孔后水泥全段封孔或在孔口安裝閘閥(孔內(nèi)水壓大時(shí))，對(duì)于水文孔要在孔口安裝壓力測(cè)試裝置進(jìn)行壓力測(cè)試。

3.2 主要鉆探設(shè)備與管材(見表1)

表1 主要鉆探設(shè)備Table 1 Main drilling equipment

3.3 涌水對(duì)鉆速的影響分析

針對(duì)旨在揭穿水銀洞Ⅰa含礦層的特大涌水孔，探索出的施工工藝為：礦層以淺未涌水段或者涌水量較小層段，采用繩索取心鉆進(jìn)工藝，而進(jìn)入特大涌水段則采用普通取心鉆探工藝，停用泥漿泵，將上余鉆桿敞開以排水。統(tǒng)計(jì)了該礦區(qū)32個(gè)涌水坑道鉆孔鉆進(jìn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算分析了每個(gè)鉆孔不同孔段的機(jī)械鉆速，涌水段以淺的鉆速為4.20 m/h(1.62 m/h)，涌水段以深的鉆速為2.82 m/h(1.24 m/h)，見圖4所示。

進(jìn)入礦層前的繩索取心機(jī)械鉆速平均為4.20 m/h，最高可達(dá)8.41 m/h；進(jìn)入礦層蝕變體后，由于孔底水壓及水量大，繩索取心技術(shù)無法有效的實(shí)施，多采用普通取心鉆探工藝，須起大鉆，當(dāng)鉆進(jìn)參數(shù)和鉆進(jìn)方法沒有控制好時(shí)，每趟鉆只有不到1 m的進(jìn)尺，嚴(yán)重降低了鉆進(jìn)效率，平均機(jī)械鉆速降低至2.82 m/h，最低低至0.44 m/h。

由此可見，孔內(nèi)涌水量大、水壓高，嚴(yán)重降低了鉆進(jìn)效率；繩索取心工藝取心方便，減少了頻繁起下鉆的時(shí)間，節(jié)省了施工人員的體力。對(duì)于特大涌水孔，繩索取心工藝亟需解決內(nèi)管不易下放和上提的難題。

圖4涌水孔分段鉆速分析
Fig.4Drilling rate analysis for water kick sections of different holes

3.4 涌水量和孔底靜水壓對(duì)鉆速及巖心采取率的影響分析

統(tǒng)計(jì)了該礦區(qū)9個(gè)坑道水文鉆孔的涌水量和孔底靜水壓(孔口靜水壓+液柱壓力)數(shù)據(jù)，分析了孔內(nèi)涌水對(duì)鉆進(jìn)速度和巖心采取率的影響，詳見表2。

表2 坑道水文鉆孔的相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Data of hydrological holes

圖5分析了孔底靜水壓和涌水量對(duì)鉆速的影響。由圖5中可以看出：機(jī)械鉆速隨著孔內(nèi)涌水量的增加而降低，卻隨著孔底靜水壓的增大而變大。基于水文孔的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，孔內(nèi)涌水量的大小和孔底靜水壓的大小并無明顯關(guān)聯(lián)性。對(duì)于機(jī)械鉆速的影響大小，需探究鉆頭對(duì)地層破碎的效率高低。由于SBT形成于龍?zhí)督M和茅口組不整合面間，為破碎的強(qiáng)硅化角礫灰?guī)r，當(dāng)孔底涌水量較大時(shí)，孔底巖屑瞬間被清洗干凈，而取心鉆頭在破碎巖石槽內(nèi)研磨時(shí)，胎體內(nèi)嵌入的金剛石不能有效的研磨孔底巖石，從而導(dǎo)致鉆進(jìn)速度變低。

圖5 涌水對(duì)機(jī)械鉆速的影響Fig.5 Effect of water kicks on drilling rates

孔底靜水壓即地層孔隙壓力，地層內(nèi)某點(diǎn)的上覆巖層壓力是該點(diǎn)處巖石骨架壓力和地層孔隙壓力之和。同樣條件下，孔隙壓力越大，則巖石骨架壓力越小。因此，當(dāng)孔底靜水壓較大時(shí)，孔底地層的骨架壓力較小，鉆進(jìn)越容易，甚至?xí)霈F(xiàn)“掉鉆”現(xiàn)象。

圖6分析了孔底靜水壓和涌水量對(duì)涌水段巖心采取率的影響，由圖可以看出：巖心采取率隨著孔底靜水壓增大而降低，隨著涌水量的增大而降低。孔底靜水壓較大時(shí)，孔底地層的骨架壓力較小，又由于地層裂隙溶洞發(fā)育、巖石破碎，導(dǎo)致進(jìn)入內(nèi)管的巖心量變少，因此巖心采取率變小。

圖6 涌水對(duì)巖心采取率的影響Fig.6 Effect of water kicks on core recovery

3.5 鉆孔實(shí)例分析

以該礦區(qū)某鉆孔為例，分析鉆孔孔內(nèi)涌水對(duì)鉆速及巖心采取率的影響。圖7為該礦區(qū)某鉆孔的鉆進(jìn)曲線圖(據(jù)文獻(xiàn)[11]，有改動(dòng))。鉆孔傾角為90°(直孔)，實(shí)際孔深80.34 m，全孔巖心采取率94.18%，破碎帶巖心采取率83.33%，礦層巖心采取率90.71%。鉆進(jìn)龍?zhí)督M一段、二段時(shí)，平均機(jī)械鉆速為3.6 m/h；鉆進(jìn)至58 m后，進(jìn)入SBT內(nèi)開始涌水，地層破碎且裂隙發(fā)育，機(jī)械鉆速突增至9.0 m/h，涌水段平均機(jī)械鉆速為2.75 m/h。在實(shí)際的施工中，鉆進(jìn)裂隙溶洞發(fā)育的破碎帶時(shí)，鉆進(jìn)參數(shù)不易控制，鉆頭不能均勻地研磨巖石，產(chǎn)生的巖石碎屑易進(jìn)入卡簧座與鉆頭內(nèi)臺(tái)階間的間隙，造成憋泵和單回次進(jìn)尺少，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致?lián)p壞鉆頭、孔內(nèi)卡鉆和跑鉆等事故。

圖7某鉆孔機(jī)械鉆速、巖心采取率與孔深的關(guān)系曲線[11]
Fig.7Relationship curves between drilling rates, core recovery and hole depth

4 解決特大涌水孔的對(duì)策

在地表涌水孔中，采取加重泥漿來平衡孔內(nèi)壓力的方法，已取得顯著效果[12]。但是在水銀洞坑道鉆孔中，由于孔深一般在60～180 m，孔較淺、液柱短，無法形成有效液柱壓力來平衡地層水壓力[11]，更無法實(shí)施有效的堵漏措施[13]。因此，從提高鉆速和降低成本角度出發(fā)，探索出適合坑道特大涌水孔的工藝、工具對(duì)提高經(jīng)濟(jì)效益至關(guān)重要。

4.1 普通取心工藝鉆進(jìn)

當(dāng)采用普通取心工藝鉆進(jìn)時(shí)(不開泥漿泵、不加內(nèi)管)，假設(shè)忽略破碎巖心間的相互作用，巖心受到自重G、孔內(nèi)涌水的作用力F涌、浮力f浮、鉆桿內(nèi)壁的支撐力F支、鉆桿內(nèi)壁的摩擦力f摩，巖心不再受其他力，則可推導(dǎo)出巖心隨孔內(nèi)涌水自動(dòng)上升系數(shù)ξ的表達(dá)式[14]。

完整巖心的上升系數(shù)ξ表達(dá)式為：

(1)

式中：P涌——孔內(nèi)涌水壓力；μ——摩擦系數(shù)；α——鉆孔傾角；ρ心——巖心密度；ρ水——礦層水密度；g——重力加速度；h——柱狀巖心長(zhǎng)度。

破碎巖心的上升系數(shù)ξ′表達(dá)式為：

(2)

式中：r——破碎巖心的等效半徑。

由式(1)、(2)可以得出，孔內(nèi)涌水壓力越大、巖心尺寸越小，ξ值越大，意味著巖心越易隨孔底水排出。當(dāng)ξ≥1時(shí)，理論上孔底巖心可以隨孔口涌出水沖出孔內(nèi)，ξ值越大，巖心越易沖出；當(dāng)ξ<1時(shí)，孔底巖心則不能沖出，只能依靠起大鉆取出。實(shí)際鉆探施工中，合理利用ξ，控制單回次進(jìn)尺，及時(shí)割心，就能實(shí)現(xiàn)巖心的自動(dòng)排出。例如該礦區(qū)某鉆孔，P涌為0.36 MPa，α為85°，施工中最大涌出巖心長(zhǎng)度為0.67 m，ξ值為37，礦層平均機(jī)械鉆速達(dá)6.75 m/h。

4.2 繩索取心工藝鉆進(jìn)

基于前期施工鉆遇特大涌水孔的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，在孔內(nèi)水壓不足以將巖心沖出的情況下，采用繩索取心工藝鉆進(jìn)時(shí)，分析解決該問題的思路主要有3種：“泄”，“堵”，“疏”。

4.2.1 “泄”

所謂的“泄”，就是打開相鄰涌水孔孔口閘閥，為施工鉆孔緩解涌水量壓力?？觾?nèi)鉆孔布置采用“一位多孔”的設(shè)計(jì)方案，當(dāng)鉆遇特大涌水孔時(shí)，可以打開相鄰孔的孔口閘閥，從而緩解施工中的涌水量。

4.2.2 “堵”

所謂的“堵”，就是增加內(nèi)管的綜合重力，以堵孔底的高水壓。通過加長(zhǎng)內(nèi)管，使其自身重力增大[15]；結(jié)合使用加重打撈器，便于內(nèi)管下入孔底。該方法在在后續(xù)的鉆孔中獲得了較好的使用效果。此外，使用較大功率的泥漿泵，亦可起到平衡孔底水壓的效果，考慮到運(yùn)輸困難，該方法未在該項(xiàng)目中應(yīng)用。

4.2.3 “疏”

所謂的“疏”，就是疏導(dǎo)孔底的水從鉆桿與地層的環(huán)隙上涌。繩索取心鉆具的卡簧座與鉆頭的內(nèi)臺(tái)階間隙3～5 mm，內(nèi)外管間隙1.5～2 mm，鉆具與孔壁間隙2～3 mm，加之泥漿泵對(duì)鉆桿內(nèi)液體的作用壓力，有效的疏導(dǎo)孔底地層水從鉆桿與孔壁間環(huán)隙涌出，有利于鉆頭的取心效率。在實(shí)際施工中，將NQ卡簧座的底部人工開一些出水槽和鉆具上鉆花眼，都起到了提高鉆速的作用。

此外，針對(duì)破碎、軟弱等復(fù)雜地層，超前側(cè)噴繩索取心鉆具能夠起到較好的提高巖心采取率的作用[16]。設(shè)計(jì)并加工出有合適疏水孔的“超前鉆”鉆頭，對(duì)特大涌水孔更為適用。

5 結(jié)論

針對(duì)水銀洞金礦Ⅰa含礦體，實(shí)施了37個(gè)坑道鉆孔，其中涌水鉆孔32個(gè),總進(jìn)尺超過3800 m。通過采取針對(duì)性的對(duì)策，鉆孔驗(yàn)收優(yōu)質(zhì)率90%以上，合格率100%，獲得了業(yè)主方的高度認(rèn)可?？傻贸鲆韵陆Y(jié)論：

(1)特大涌水坑道鉆孔，采用繩索取心工藝時(shí)要解決內(nèi)管下放和上提遇阻的難題。

(2)孔內(nèi)涌水對(duì)機(jī)械鉆速和采取率的影響規(guī)律：機(jī)械鉆速隨著孔內(nèi)涌水量的增加而降低，卻隨著孔底靜水壓的增大而變大；巖心采取率隨著孔底靜水壓增大而降低，隨著涌水量的增大而降低。

(3)采用普通取心工藝鉆進(jìn)時(shí)，可利用巖心上升系數(shù)在不起大鉆的情況下，完成取心工作；采用繩索取心工藝鉆進(jìn)時(shí)，可利用“泄”、“堵”、“疏”3種解決對(duì)策。認(rèn)為采用多種方法協(xié)同作用才能較好的解決特大涌水坑道鉆孔的鉆探施工難題。