复杂铅锌矿深部钻探装备与技术探讨——以云南沧源某铅锌矿钻探工程为例

段志多

(中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西 西安 710077)

1 背景介绍

对于国内各大金属矿山而言，坑道岩芯钻探是对深部资源勘探的最佳方法[1],在局部找矿、探明矿脉走向方面有着不可替代的作用，市场前景广阔[2];对于浅部资源基本枯竭、需深部探矿提高找矿效率，为坑道掘进指明方向的一些金属矿，尤其必要。云南省临沧市沧源县芒卡镇铅锌矿区(下称芒卡镇铅锌矿区)内，地层出露不全，岩石原生结构、构造基本无保留，原始层理被后期形成的构造面理置换，总体属于层状无序的变质岩系[3]。该矿区目前处于深部探矿阶段，矿石种类具有一定的复杂性和多样性，多以坚固性系数较大的氧化铅锌矿岩、硫化铅锌矿岩以及氧化锌矿岩等为主要类型[4]。矿区岩层构造复杂，给矿井建设和钻探施工带来了一定困难，急需采用新的钻探施工工艺和适合本类型复杂岩层的钻机，以提高探矿效率，为坑道掘进指明方向。

2 设备选型

芒卡镇铅锌矿地处中国老挝边陲，基础设施落后，矿区周边道路不便，根据探矿设计钻孔孔径 76 mm，个别钻孔深度超过 500 m，钻机的选择需考虑以下4个方面：1)钻机不能太重，解体性好，摆布要灵活，钻探能力要强;2)对岩石坚固性系数较大的矿岩能提高施工效率的钻机；3)个别设计孔深>500 m，随深度增加，对钻机的扭矩、给进力、起拔力要求越高；负荷越高，对泥浆泵流量和压力要求也越高；4)在钻机运输之前，先准备好场地，根据钻孔倾角，所用钻杆、绳索取芯钻具的长短进行挑顶、起底或扩帮等工作。安装地基处要考虑设备自重负荷及工作负荷的累加，钻场地基处理要平整，承载力满足要求。通过对比国内外几款成熟钻机(表1)，最终选择中煤科工集团西安研究院有限公司(以下称西安院)最新研发的轻量化坑道岩心钻机ZDY1200G型全液压钻机。

表1 代表机型对比Tab.1 Comparison of representive models

1)钻机。ZDY1200G型全液压钻机(图1)的优势在于：给进机身、底座和提升架均采用高强度航空铝材，可大幅降低质量且解体迅速。采用2个小功率的动力泵站单元代替单个大功率泵站，降低单个部件的质量，提高可通过性和搬迁的便捷性，在浅孔作业时可只搬迁其中1个泵站进行工作。钻孔能力 500 m(71钻杆)，可进行±90°范围内钻孔施工，适合-90°～+35°范围绳索取芯施工。该施工钻机采用分体式设计，全机分主机、泵站、操纵台三大部分，泵站又分为泵站1与泵站2，各部分之间用高压胶管总成连接，摆放布置灵活，解体性好，分解后，每一部分解体均≤200 kg，现场拆装和搬迁方便。该钻机各系统、动力装置、操纵台的模块化设计可被广泛应用于地表勘探，特别适用于金属矿山坑道环境[5]。基本参数见表2。

图1 ZDY1200G型全液压坑道钻机Fig.1 ZDY1200G full hydraulic drilling rig

表2 ZDY1200G型高转速全液压坑道钻机基本参数Tab.2 Basic parameters of ZDY1200G high speed full hydraulic tunnel drilling rig

2)泥浆泵。BW-320型泥浆泵，衡阳探矿机械厂制造。该泵具有压力高、泵量大的特点，可用于孔径ø 70～ 200 mm、孔深 800 m 的全面钻进或取芯钻进，能够完全满足注水、冲洗、排渣的需求，整个施工过程中压力正常、工作平稳、安全可靠。其主要技术参数见表3。

表3 BW-320型泥浆泵主要技术参数Tab.3 Main technical parameters of type BW-320 mud pump

3)钻头。此次施工共选用2种钻头：第一种是ø76 mm 金刚石单管取芯钻头[如图2(a)所示]，主要用于开孔时单管钻进及个别复杂地层孔段钻进；第二种是ø76 mm 金刚石双管取芯钻头[如图2(b)所示]，用于绳索取芯双管钻进；金刚石扩孔器[如图2(c)所示]，又称聚晶扩孔器，外径选用ø76.5 mm，连接在人造取芯金刚石钻头后端，主要作用是修整孔壁，保持孔径基本合乎ø76 mm，其次起扶正器和稳定钻头作用。

图2 钻头及扩孔器Fig.2 Drill and reamer

4) 绳索取芯钻具。ø75 mm 坑道用绳索取芯钻具(图3)。单动双管金刚石绳索取芯钻具是一种外管转动、内管不转动的双层岩芯管钻具, 除了防止冲洗液直接冲刷岩芯的作用外,由于其内管不转动,还可以避免因钻具转动造成对岩芯的机械破坏,使岩芯的采取率、完整度和代表性等有很大的提高和改善。大量施工实践证明：①单动双管金刚石绳索取芯钻具能防止冲洗液冲刷，减少钻具振动,保持岩芯原结构,从而避免岩芯污染、烧坏;②采用单动双管金刚石钻进方法, 提高了岩芯采取率,最高达91%,岩芯采取率全部达到地质规范设计要求。

图3 ø 75 mm坑道用绳索取芯钻具Fig.3 ø 75 mm tunnel with rope coring drilling tools

3 钻探施工工艺

3.1 冲洗介质

冲洗介质的主要功用是冷却钻头、排除和携带岩粉[6]。由于绳索取芯钻具与孔壁之间的环隙较小, 且内管需通过钻杆内部下投。因此，在地层条件许可的情况下, 应尽量采用泥浆泵供应的清水加润滑剂，如聚丙烯酞胺冲洗液、水玻璃冲洗液等无固相冲洗液作为冲洗介质就可满足钻进要求。本次施工中，冲洗液采用优质低固相泥浆, 性能既达到冲洗液的要求，又节约了成本。在施工中为了节约水源，保持施工钻场的清洁，须在钻场开挖一个冲洗液循环池，在钻进过程中循环供水。但应注意的是，从孔口排出的岩渣，必须用滤网过滤后再排入循环池，以免渣块颗粒过大而堵塞泥浆泵。另外，用水作为冲洗介质时，每次开钻前必须等孔口正常返水后，方可开钻，以免钻头水眼被岩渣封堵。每次停钻后，必须用水冲洗钻孔3～5 min。

3.2 钻进工艺参数

钻进工艺参数包括钻压、转速和泵量，3者在一定条件下相互影响[7]。钻进过程中，根据现场情况，调整相应的钻进工艺参数，使用合适的钻压、转速和泵量。

3.2.1 钻压

一般情况下，在一定范围内钻进速度随钻压的增大而增加，所以钻工一般为了追求进尺，往往把钻压开到最大，但过大的钻压，会使钻头唇面上金刚石颗粒消耗量迅速增大，很快就磨削殆尽，导致钻速迅速下降。所以应根据孔底碎岩机理的不同而采取不同的钻压，比如在开孔时，应轻压慢钻，防止开孔跑偏，应权衡利弊来决定钻压最佳区域。此外，决定钻压还要综合考虑以下因素：

1) 岩石性质。一般在偏软、弱研磨性岩层中钻进时，用较小的钻压；对完整、硬到坚硬或强研磨性的岩层，适当增加钻压；对破碎、裂隙和非均质岩层，应适当减小钻压。

2)钻头类型。钻头直径大、壁厚、胎体软时，采用较大的钻压；反之，采用较小钻压。

3)钻头唇面的金刚石质量、数量、粒度。钻头上的金刚石质量好、数量多、粒度大时，应选用较大的钻压；反之，采用较小的钻压[8]。

4) 孔深。钻进时，钻杆不断与孔壁摩擦，会消耗一些钻压，一般情况下，100 m 以内给进压力表显示基本在2～3 MPa，随孔深的增加，每 100 m 逐渐递增3～5 MPa，所以随着孔深的增加应适当增加钻压。

3.2.2 转速

钻机的转速一般受到以下两方面影响：

1)孔内岩屑的大小。钻进过程中，孔底岩石的研磨次数将增加。绝大部分被冲孔介质排出孔外，然而随着大量岩屑的出现，一些岩屑颗粒沉降在孔内，这在一定程度上影响了转速。

2)破碎带。钻进过程中，不可避免会遇到破碎带,导致钻头转速急剧下降，甚至发生卡钻、抱钻的情况，所以在遇到这种情况时，要反复扫孔，轻压慢钻，降低转速，增大油泵排量，增大扭矩，顺利通过破碎带。

3.2.3 泵的流量

泵的流量即冲洗液量，冲洗液主要作用就是冷却钻头，冲洗并携带岩屑到孔外。冲洗液量的大小受泥浆泵自身能力的限制，比如BW250泥浆泵，最大可以达到额定流量 250 L/min，BW320泥浆泵，最大可以达到额定流量 320 L/min，而且钻孔倾角、岩性、钻孔直径、钻杆内外径的大小、钻头类型等因素也会影响冲洗液量[9]。

4 现场施工情况

施工地点为芒卡镇铅锌矿 1730 中段13东一支巷2#钻场，KZ19-1301钻孔于2019年2月22日正式开钻，设计深度 500 m。钻进过程中泥浆泵的泵量选用 52 L/min，动力头转速调整为 400 r/min 左右，考虑到近水平取芯钻进的特点、钻孔直径、深度及施工目的，钻孔结构(即由开孔到终孔钻孔孔径的变化)设计为一级结构。施工中首先采用ø76 mm 单管钻头钻进至 4 m，提钻后尽量采用ø76 mm 双管绳索取芯钻头钻进至终孔；在复杂破碎地层钻进对双管钻具有损害，应采用相对简单的单管进行钻进。

钻孔自开孔至孔深 130 m，以花岗岩与粉质砂岩为主，岩层较硬，钻进过程中，在 40 m、100 m、120 m 多次出现钻杆振动现象。分析其原因如下：

1)地层原因。钻进时遇到破碎、裂隙发育、岩层软硬互层并变化频繁的岩层，造成孔底和孔壁不平，钻进摩擦阻力不等，导致钻杆产生扭转振动。

2)装备原因。使用弯曲的钻杆、岩芯管等，使管柱和连接处不均匀的单面磨损；钻杆和孔壁的间隙大，钻杆柱刚度不足，钻孔的某些孔段过大或钻孔截面不圆；钻机的安装不正确和工作状态不良，选用的金刚石钻头可能因胎体硬度而不适应所钻岩层。

3)工艺原因。钻压过大，钻头金刚石在没有遇到强研磨地层时就出刃，唇面偏磨、金刚石大量碎裂和脱落；钻进操作方法不合理，如冲洗量过大，泵量不均匀，在钻杆内液体压力高和产生脉动时钻进；钻孔严重弯曲时钻进，孔底有金属块或有残留岩芯时钻进[10]。

针对钻进过程中产生的振动现象，采取如下措施：遵守钻探设备的安装规定，避免安装不牢固使钻进时钻杆振动；避免为了恢复钻头功能而长时间地增大轴向压力钻进；由于近水平孔钻进不利于防振乳化冲洗液的使用，在钻进破碎地层、裂隙带时，应尽量采用低转速来减少振动。

采取措施后，自 130 m 开始，钻杆振动现象明显变少，同时岩层硬度降低，在 313 m 处遇到空穴，钻压突然变小，钻杆空下 1 m，采用在孔底混合水泥注浆的办法填补了该空穴，继续钻进，之后至终孔岩层为有裂隙的大理岩层。3月17日达到设计孔深，终孔 512 m。回转压力在易钻地层基本为2～3 MPa，在个别坚硬、复杂地层时达到5～7 MPa；钻进破碎地层最大系统压力为23 MPa；回转压力在孔深 240 m 以前最多在7 MPa左右，在孔深 240 m以后为10 MPa，钻进至终孔 512 m 时，回转压力为 17 MPa，钻机系统压力为 26 MPa，证明该钻机还有余力。经过取芯现场观测和岩芯鉴定，初步掌握了 1 730 中段地质特征，施工效率和取芯率均超过设计参数(表4)。

表4 钻孔完成参数对比Tab.4 Comparison of drilling completion parameters

5 讨论及结论

1)设备选择。本次选用新型研发的ZDY1200G型全液压钻机，适用于复杂金属矿山坑道环境，各项性能参数均满足设计需要，尤其满足-90°～+35°范围绳索取芯施工，为本次施工提供了设备保障。

2)取芯。当钻进到 313 m 后，遇有裂隙的大理岩层，取出的岩芯破碎且不连贯，应降低转速、压力和泵量，减少回次、进尺长度和时间。在矿层顶底板和重要标志层中，岩芯没有采取上来时，不应继续钻进，必须专程捞取。将岩芯装入岩芯箱时，要耐心，尽可能避免人为破碎岩芯，并严格防止岩芯顺序颠倒，确保岩芯采取率达90%以上。

3)混浆填补空穴。孔深 313 m 处的空穴，曾尝试连续灌注，无明显效果，泥浆在钻杆外壁形成泥皮，起润滑作用 ,虽然减少了孔内钻杆磨损, 但是同时也减小了钻进扭矩。需要注意的是：如果泥浆固相含量超标的话，在绳索取芯钻内高速旋转产生的泥皮, 有时会致使内管起下不畅，不易解决。解决的办法只有提起有泥皮的钻杆和降低转速2种，影响钻探机械效率。而直接在孔口灌混凝土浆，泥浆过稀不能堵住漏洞，而泥浆过稠又无法从孔口灌注。最终采用孔底混合水泥注浆的办法:先将砂子经钻杆灌入孔底，再将水泥团成球状自钻杆内投至孔底，用钻杆搅拌，使砂浆水泥在孔底混合均匀，从而填补了空穴。

4)2018年底引进ZDY1200G型轻量化全液压坑道钻机及坑道用绳索取芯钻具进行取芯钻孔施工，近一年来累计进尺超过 10 000 m，该钻机为矿方新增产值合计534万元。

5)本次施工克服了在空穴地层难以成孔且破碎带岩芯难提取的问题，研发新型钻机及其配套工艺,可为类似条件矿区的绳索取芯钻孔施工提供技术参考。