童 強，楊丕祥，吳 博，張海軍

（貴州省地礦局117地質(zhì)大隊，貴州 貴陽550018）

井下坑道鉆探是礦山勘探常用的勘探方法，既能獲取好的鉆探成果，又不造成地表環(huán)境破壞，同時能提高鉆探效率，達到節(jié)約鉆探施工成本的目的，有助于“綠色礦山”建設［1］。貴州錦豐礦業(yè)有限公司為確保礦山產(chǎn)量，通過招標方式選定我單位開展礦山井下鉆探施工。

1 礦區(qū)地質(zhì)情況

整個礦區(qū)顯示十分完整的褶皺和逆沖斷的構(gòu)造組合樣式，即十分強烈的北西向褶皺和逆沖斷層依次疊覆出現(xiàn)。褶皺以復式倒轉(zhuǎn)不對稱褶皺為主，斷層以傾向盆地的中等－緩傾斜逆沖斷層為主。礦體受區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造控制，主要發(fā)育于東部碎屑巖分布地區(qū)［2］。礦區(qū)地層情況見表1。施工中主要鉆遇的地層為中三疊統(tǒng)許滿組（T2xm）和邊陽組（T2by），巖石以濁積巖系中的含鈣質(zhì)細砂巖、粉砂巖及粘土巖為主。

表1 礦區(qū)地層情況Table 1 Stratigraphy at the mine

2 鉆探工程設計及主要技術(shù)要求

（1）鉆機須具備鉆取?95、75、60 mm孔徑的能力，且滿足方位角為0°～360°、傾角為90°～65°的施工技術(shù)能力。

（2）考慮鉆孔深度在100～150 m之間，初步計劃采用繩索取心一徑到底的施工方式。

（3）確保巖心采取率（任意5 m段內(nèi)平均值）＞85%，礦心及其頂?shù)装甯? m采取率（任意3 m段內(nèi)的平均值）＞90%。

（4）開孔15 m測量鉆孔頂角和方位角，以后每30 m測斜一次，每100 m深度的鉆孔方位角和頂角偏差≯3°。

（5）為防止因施工形成水力通道，導致部分區(qū)域水量富集，所有完成的鉆孔必須全孔灌注水泥。

3 鉆探施工

3.1 設備選型

項目開始實施時，考慮到井下鉆探具有鉆孔點位多、搬遷頻繁的特點，因而采用KD-550型（見圖1）和KD-500型便攜式液壓動力頭鉆機進行施工［3-5］。前2個月僅施工了99.32 m和219.70 m，完全沒有達到預定目標。分析發(fā)現(xiàn)該類型鉆機不太適合本礦區(qū)的施工，主要體現(xiàn)在以下2個方面：

圖1 KD-550型鉆機Fig.1 KD-550 drilling rig

（1）本礦區(qū)施工區(qū)域較一般井下硐室要寬大，便攜式液壓動力頭鉆機無法有效形成支撐（鉆機頂桿長度不夠），加上鉆機整體較輕，施工中易形成鉆機移位，鉆進平臺出現(xiàn)小幅擺動，造成鉆孔方位超差。

（2）本礦區(qū)地質(zhì)條件比較復雜，孔內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)掉塊情況，而便攜式液壓動力頭鉆機處理這方面問題的能力不足。

針對以上2個方面的問題，最終將鉆機類型變更為XY-44A型立軸式鉆機（見圖2），在本礦區(qū)其相對于便攜式液壓動力頭鉆機具有便于支撐、穩(wěn)固性好、處理事故能力強等特點。在后續(xù)幾個月的施工中滿足了施工要求，達到了600 m/臺月的效率。

圖2 XY-44A型鉆機Fig.2 XY-44A drilling rig

3.2 鉆進工藝

3.2.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

初步設計采用?75 mm繩索取心一徑到底的施工方式，其具有級配簡單易行的特點。在前期施工中發(fā)現(xiàn)，這種方式鉆進效率相對較高，但存在的主要問題一是易出現(xiàn)垮孔現(xiàn)象，無法有效保證成孔率；二是易造成孔口位置擴徑，導致鉆桿在孔口折斷。總結(jié)經(jīng)驗后，施工設計變更為采用兩徑施工，即?95 mm－?75 mm。尤其是在每個新的硐室施工時，先用?95 mm施工鉆孔，無法用?95 mm完成全孔時再換徑?75 mm施工，主要目的是摸清鉆孔巖層情況，便于該硐室其它鉆孔施工，同時也大大提升了成孔率。在特殊的鉆孔（例如表層松散的）甚至采用3徑施工，即?110 mm－?95 mm－?75 mm。

3.2.2 鉆進參數(shù)

井下鉆探相較于地表鉆探，其具有給進壓力損耗較大，鉆速不宜過高，泵量適中的特點［6-7］。結(jié)合現(xiàn)階段施工過程中獲得的經(jīng)驗，得出的鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量等鉆進參數(shù)見表2。

表2 鉆進參數(shù)Table 2 Drilling parameters

3.2.3 沖洗液

為了完成井下鉆探施工，初期采用的是無固相聚合物沖洗液，整體效果不好，經(jīng)常出現(xiàn)孔壁垮塌、掉塊等現(xiàn)象，后改為低固相護壁沖洗液，取得了一定的效果［8-12］。

低固相護壁沖洗液主要選用粘土、純堿、植物膠、聚丙烯腈銨鹽、羧甲基纖維素等。粘土主要是增加沖洗液密度，提升沖洗液的支撐力；純堿用于水化粘土；植物膠主要是與粘土結(jié)合達到護壁效果；聚丙烯腈銨鹽主要是調(diào)節(jié)沖洗液流變性和降失水；羧甲基纖維素主要是提粘和降失水。其性能主要為：密度為1.03～1.05 g/cm3、漏斗粘度為30～35 s、pH值為9～10、失水量為6～8 mL/30 min、膠體率95%。配方見表3。

表3 沖洗液配方Table 3 Makeup of drilling fluid

3.3 施工重難點

3.3.1 內(nèi)管投放由于該礦區(qū)鉆孔主要集中在傾角－15°～20°，如何投送內(nèi)管就十分關(guān)鍵。在現(xiàn)場施工中，主要采用水壓式內(nèi)管總成、水力打撈器、通纜式水接頭進行處理［13］（見圖3）。

圖3 水壓式內(nèi)管總成、水力打撈器、通纜式水接頭Fig.3 Hydraulic inner tube assembly，hydraulic overshot，cable thru-bore swivel

（1）內(nèi)管總成的下放：依次將水壓式內(nèi)管總成放置到鉆桿柱內(nèi)，然后把水龍頭連接到鉆桿上。將泥漿泵出水管連接在水龍頭上，開動泥漿泵，同時操縱絞車反轉(zhuǎn)使鋼絲繩順動下放。內(nèi)管總成到位后，內(nèi)管止水鋼珠憋壓移動至卸水處，泵壓陡降，孔內(nèi)返水增大至穩(wěn)定，即可開始正常鉆進。

（2）內(nèi)管總成的打撈：將水力打撈器放入鉆桿內(nèi)，通纜式水接頭與鉆桿連接好，泥漿泵連接到通纜式水接頭的膠管接頭上。開動泥漿泵將水力打撈器送入孔底，撈住內(nèi)管總成，關(guān)閉泥漿泵。卸掉通纜式水接頭，操縱絞車提出水力打撈器和內(nèi)管總成。

3.3.2 鉆孔控斜

3.3.2.1 孔斜情況

井下鉆孔施工中經(jīng)常出現(xiàn)傾角、方位角超差的現(xiàn)象，造成無法命中靶區(qū)，導致鉆孔報廢。對此類情況進行分析，主要體現(xiàn)在以下幾個方面［14-15］：

（1）設備因素：設備安裝不穩(wěn)固。相較于地表鉆探，井下鉆探所用的鉆機偏小，施工中易發(fā)生位移。

（2）地層因素：①地層傾角與施工角度不一致，易順層偏斜；②礦區(qū)鉆孔施工中坍塌、掉塊、縮徑現(xiàn)象較多，坍塌、掉塊等會導致孔內(nèi)鉆具受力不均，易產(chǎn)生鉆孔偏斜；③施工中軟硬互層的情況比較頻繁，鉆進軟硬互層時鉆頭受力不均極易產(chǎn)生鉆孔偏斜。

（3）管材因素：①鉆孔施工始終采用鉆桿連接方式，鉆桿同心率無法保證始終一致，從而導致鉆孔偏斜；②礦區(qū)鉆孔絕大多數(shù)為近水平孔和上行孔，鉆孔內(nèi)的管材始終受到向下的重力影響，導致鉆孔傾角出現(xiàn)變化。

（4）施工工藝因素：①鉆進參數(shù)選取不合適，例如作用在鉆頭上的鉆壓過大；②在不合適層位換徑施工時也極易產(chǎn)生鉆孔偏斜，例如破碎或者松軟地層；③泥漿使用效果不好，便易產(chǎn)生坍塌、縮徑等孔內(nèi)事故，處理此類孔內(nèi)事故也極易產(chǎn)生鉆孔偏斜。

3.3.2.2 孔斜控制措施

通過近3個月摸索，采用有效的控斜措施，達到了良好的效果，未再出現(xiàn)因鉆孔偏斜問題造成鉆孔報廢的情況。主要控斜措施如下：

（1）優(yōu)選設備，做好穩(wěn)固：結(jié)合礦區(qū)實際，由于礦區(qū)井下巷道硐室較一般的施工場地寬敞，因而選用體量較大、處理事故能力較強的XY-44A型立軸式鉆機，同時改變通常垂直使用頂桿的方式，采用水平加斜撐的方式多點穩(wěn)固，避免施工中鉆機出現(xiàn)位移。

（2）選用高質(zhì)量管材：盡量選用同一廠家、同一批次，整體效果相對較好。前期為減少鉆進給壓采用薄壁鉆桿，后期為減少連接點采用無接手鉆桿。

（3）嚴格把控施工工藝：①充分了解施工鉆孔的整體設計，在易坍塌掉塊孔段、軟硬互層孔段等易斜段施工時多加把控。②選取合適的鉆進參數(shù)和鉆頭。采用低鉆壓勻速鉆進，在易坍塌掉塊孔段采用相對較小的泵量，選擇尖齒形鉆頭等。③制定合理的鉆孔施工結(jié)構(gòu)。一般情況不復雜的鉆孔，采用? 95 mm施工5～10 m下管，?75 mm施工終孔；復雜鉆孔采用?95 mm施工至預定深度下管，?75 mm施工終孔；特殊情況采用?95 mm和?75 mm交替施工。④配置優(yōu)質(zhì)的護壁沖洗液。

3.3.3 封孔灌注

井下鉆探施工中，鉆孔完成后的封孔灌注十分關(guān)鍵，如果灌注質(zhì)量不好，很容易形成水力通道，導致部分區(qū)域水量富集，對礦道安全造成極大威脅。

鉆孔的封孔灌注漿液在項目實施中主要采用常規(guī)的325硅酸水泥配置的水泥漿，水灰比控制在0.50～0.55［16］。

針對鉆孔的封孔灌注，我單位根據(jù)施工角度的不同，采取不同的灌注方式和流程。

（1）下斜孔：一般傾角＜－10°的鉆孔，采用通過鉆桿分段灌注的方法，灌注完畢后用水泥封固孔口。

（2）近水平孔：一般傾角角度－10°～0°的鉆孔，采用注漿管下至孔底，排氣（漿）管連接6～9 m，同時將注漿管和排氣（漿）管封固在孔口，注漿至排氣（漿）管返出水泥漿為止，關(guān)緊閘閥（見圖4）。

圖4 近水平孔封孔灌注Fig.4 Near-horizontal hole cementation

（3）上仰孔：一般傾角角度＞0°的鉆孔，采用排氣（漿）管下至孔底，注漿管連接9～12 m，同時將注漿管和排氣（漿）管封固在孔口，少量注漿封閉孔口6～9 m段（保證注漿管通暢），待水泥凝固完全，再次注漿至排氣（漿）管返出水泥漿為止，關(guān)緊閘閥。

3.4 項目完成情況

項 目 自2020年3月12日 進 場，4月5日 下 井 安裝，4月10日 正 式 開 始 施工。截至12月8日，終孔83個，完成工作量10747.07 m。項目施工質(zhì)量達到了良好的水平，主要體現(xiàn)在孔斜控制和采取率方面。

3.4.1 孔斜情況

在前期施工的鉆孔頻繁出現(xiàn)方位超差的現(xiàn)象，造成多個鉆孔報廢。出現(xiàn)這種情況的原因主要有以下2個方面：

（1）鉆機固定不牢固，鉆機出現(xiàn)位移，造成施工軸線偏移，導致鉆孔偏離原先設計。

（2）鉆進參數(shù)不合理。例如壓力過大，順巖層產(chǎn)狀偏移；遇到軟層泵量過大，造成鉆孔擴徑等。

后段施工中盡量避免了上述的問題，達到了比較好的控斜效果。鉆孔孔斜情況見表4。

表4 鉆孔孔斜情況Table 4 Borehole deviation data

3.4.2 巖（礦）心情況

項目采用繩索取心工藝，巖（礦）心采取率普遍比較好，滿足業(yè)主方的相關(guān)要求。鉆孔巖（礦）心采取率情況見表5。

表5 鉆孔巖（礦）心采取率情況Table 5 Drilling core recovery

4 存在的問題和改進的方向

4.1 設備選擇

現(xiàn)階段采用的XY-44A型立軸式鉆機相較于最初選擇的KD-550型和KD500型便攜式液壓動力頭鉆機在效率和穩(wěn)定性上有所提升，但依舊存在以下幾個方面的問題：

（1）設備過于笨重，不利于搬遷。雖然為整機搬遷配備了叉車，但相對提高了安全風險。

（2）鉆進行程較短。每一缸進尺僅為0.6 m，完成1個整桿鉆進要多次倒桿，破壞了鉆進連續(xù)性。

（3）場地限制。在部分狹窄硐室或巷道施工時，不得不采用短回次鉆進，嚴重影響施工進度，并且同時操作也不太方便。

（4）無法直觀定量實施鉆進。例如鉆速、扭矩等只能憑經(jīng)驗判斷，大致估計。

下一步設備選擇可能還是要考慮液壓動力頭式鉆機，在設備搬遷、勞動強度、施工范圍、施工控制等方面液壓動力頭式鉆機相較立軸式鉆機優(yōu)勢還是比較明顯的?，F(xiàn)階段主要是需要解決液壓動力頭式鉆機穩(wěn)固和處理事故能力的問題。在鉆機穩(wěn)固方面可考慮采用加重鉆機底座或是使用地錨固定的方式進行處理；提升處理事故能力方面可考慮在滿足施工場地限制的條件下盡可能采用較強施工能力的液壓鉆機（一般在1.5倍以上的施工能力）。

4.2 鉆孔結(jié)構(gòu)設計

鉆孔結(jié)構(gòu)設計是根據(jù)具體地層情況而定，不是一成不變的。既可在完整地層鉆孔施工時采用一徑到底施工，同時也可在復雜地層鉆孔施工采用兩徑交替施工的方式［17］。選擇哪種主要在于如何選取成孔率和施工效率的平衡點。

4.3 孔斜控制

項目的孔斜控制整體比較好，但在巖性突變時經(jīng)常出現(xiàn)控斜變化較大的情況，雖未超差但不能不引起重視。井下鉆探是為礦山開采服務的，因而它對孔斜的精準度要求很高，對孔斜控制進一步研究十分必要。

4.4 沖洗液配置

項目的沖洗液使用情況比較一般，對易垮塌段有一定的效果，可依然在多個鉆孔出現(xiàn)卡鉆、抱鉆等現(xiàn)象。解決這類問題最好的辦法自然是快速通過，但如何延緩這種孔段的變化也值得好好研究，下一步必須在降低失水、加強支撐力、提高流變性上下工夫，兼顧經(jīng)濟和實用。

5 結(jié)語

（1）井下鉆探雖不是一個新的領域，但相較于地表鉆探有其自身的特點，同時各個區(qū)域條件不同，不能憑經(jīng)驗一概而論，必須具體情況具體分析，只有適合才是最好的。

（2）如何精準命中靶點是井下鉆探的核心要點之一，孔斜控制的關(guān)鍵點在于設備的穩(wěn)固性和匹配的鉆進參數(shù)。

（3）該礦區(qū)井下鉆探多為接近水平的鉆孔，孔壁垮塌現(xiàn)象比較頻繁，僅靠沖洗液完成護壁是不現(xiàn)實的，最有效的手段是施工中高效率快速通過易垮塌段，在其未形成大幅度垮塌前完成鉆孔。

（4）鉆孔封孔灌注是關(guān)乎礦山安全的重要工序，切不可輕忽。提升封孔灌注效果以及灌注工具等方面值得進一步研究。

（5）效率是一切工程施工的追求，達到高效就是人與物的良好配合，施工技術(shù)管理是提升效率的最好保障。