工程地质钻探中对复杂地层的合理施工方法分析

罗文浩

（安徽省煤田地质局第一勘探队，安徽 淮南 232000）

0 引言

机械中心钻探是地质找矿工程中获取地下矿场资源真实数据信息资料最为直观的手段和途径，也是目前在我国的找矿工程中极为普遍的一种找矿方式。2015 年，有工程队伍承接了多金属矿对接区补充勘察项目钻探施工工程，该工程所在区域的地质条件极为特殊，属于典型的岩溶发育地层，特别是在地下700～800m 的深层地层中，岩溶发育程度更高，最高的岩洞高达12m，钻孔过程中极容易发生坍塌等多种风险事故，其支护施工难度也相对较大。此次施工过程中设计的钻孔方式为斜孔，斜孔钻孔的大角度达到60 多度，在施工过程中对于工艺设备、施工人员的专业素质要求极为严格。因此，为了确保本次施工工程的顺利开展，必须要提前对该区域的复杂地层进行全面了解，才能在符合复杂地层要求的条件下找到更加科学合理的钻探施工技术和方法。

1 施工矿区复杂地层的概况

1.1 地形地貌特征

以某金属矿山为例，该金属矿山所在区域属于典型的丘陵湖滨地形，而地形的主要构造为岩溶地质，整个山林由东北方向向西南方向延伸，而地下矿藏资源的整体构造与山林的延伸方向保持一致。在施工所在区域内部，整体的地势为西高东低、南高北低，西部、南部为低山河谷区域，北部和东部为典型的丘陵湖泊区域。而施工所在区域的山体走势呈东南走向，最高区域海拔高达138.2m。

1.2 地质特征

（1）地层特征。本次施工所在区域的地层由南向北、由下而上，依次为滞留系中统罗惹坪组、上统纱帽组、泥盆系上统五通组、石灰系中统黄龙组、二叠系下统梁山组、栖霞组、茅口组、上统龙潭组、长兴组、三叠系下统大冶组、中统嘉陵江组，其中，第四系区域下广泛的分布着湖泊区域。在滞留系中统罗惹坪组高中，整体构造主要为海相砂页岩类复理石建造，整体厚度超过了300m。而在二叠系地层中，主要的构造为碳酸盐以及海陆交互相含的酶建造层，整体厚度大约为707m。三叠系为碳酸盐以及滨海页岩构造，厚度超过了700m。而矿区的滞留关系到三叠系之间整体的受力并不均匀，不仅会受到来自锻炼方向外部作用力的影响，同时，还会由于褶皱影响出现结构不稳定的问题。

（2）地质构造。首先，该矿场开采区域的褶皱，区域地质构造主要呈现出由东北和西南两个方向向斜的特征。其中，该区域东北方向的向轴线呈现出东北45°倾斜，倾斜角度在30°左右。而西北方向的向轴线为西北330°倾斜，并且向斜区域还出现了翘起现象，有部分的轴面区域接近于垂直状态。由于受到褶皱影响，同地层条件之间的破碎带还会相互逆转，而在相互逆转的情况下也有利于该区域硫化物的聚集。因此，在开采过程中必须要注重破碎带逆转背景下所涵盖的硫化物质。其次，该开采区域的断层现象主要集中在断裂层上，其断裂的形势总体呈现出切层走滑的断裂带形式，这也促使该区域形成了东西两个方向的地堑。其中，该地区的主断裂带，断裂长度超过了1500m，其断裂方向主要向东北65°方向倾斜，倾斜角度在70°～83°，再加上上盘的逆冲方向为向上方向，下盘陡立的走向为下降方向，因此，在这种情况下，产生了牵引作用力就形成了特殊的褶皱[1]。与此同时，断裂层周围的围岩结构还会随着断裂处不断地延伸和拓展，其中，部阶段的断裂层在南北两个方向的地层之间反复横跳，北部区域大约提升了160m 的高度，而该区域的围岩结构也受到了花岗闪长斑岩的侵入，其断裂层呈现出70°的陡峭方向，西北方向产生了倾斜角，属于一种较为典型的逆冲型断层，受到了本区域导岩导矿构造所带来的影响。在前期的勘察过程中，勘察人员基于力学物理性质等多个方面进行考量，这种断裂带的扭曲性极强，其东部区域的整体下盘已经出现了向北迁移的现象[2]。

（3）岩浆岩。该矿产开采区域内部岩浆岩地带的整体岩层结构性质呈现为中酸性质，主要是由花岗闪长斑岩以及石英斑岩两种性质的岩层结构相互构成的，其中，花岗山常攀岩，该区域矿产资源的形成和演变之间具有密不可分的内在关联。该矿产开采区域的成矿岩体属于同一时间段多次入侵的同源杂岩体，经过了上百年甚至上千年的复杂演变过程，才形成了丰富的矿产资源[3]。

（4）蚀变分带。在矿场开采区域的蚀变带，主要可以分为接触蚀变带、岩体蚀变带以及层间破碎蚀变带三大类型。而在本区开采区域内部主要面对的蚀变分带为硅化—绢云母化带[4]。

2 复杂地层下地质钻探施工的方法和技术

2.1 钻孔设置

根据本次施工所在区域的复杂地层条件特征来看，在本次施工过程中，共设计钻孔44 个，考虑到本次开采区域的地层条件较为复杂多变，并且地下矿体结构的倾斜角度较大，为了能够确保钻孔穿越的矿体夹角超过30°，部分区域的钻孔倾斜角度设计较大。在钻孔设计过程中，本次施工小于60°的倾斜角钻孔共一个，钻孔深度为460m。60°～75°倾斜角的钻孔共设计24个，钻孔深度为14390m。75°～80°倾斜角的钻孔设计共有8 个，钻孔深度为5690m。80°～85°倾斜角的钻孔设计共有6 个，钻孔深度为5320m。85°～90°的钻孔共设计5 个，钻孔深度为3130m[5]。

2.2 钻孔技术要求

考虑到钻探技术工程在施工过程中必须要严格地执行国家规范的钻探规章流程，在施工过程中，必须要满足岩矿心采取率与调整规范率、钻孔弯曲度测量规格性、简易水文观测、钻孔深度误差的测量与校正等多个方面的规范性指标。

2.3 施工工艺流程及方法

2.3.1 施工流程

钻探施工流程如图1 所示。

图1 钻探施工流程

2.3.2 钻探工艺

考虑到本次矿产所在区域的地层条件极为复杂，该区的地层特征为岩溶发育特征，尤其是在地下700～800m 的深度下，溶洞发育极为成熟，在大规模的溶洞下容易爆发钻孔事故。再加上本次施工工程中所在地层的倾斜角度较大，因此，很多钻孔设计为斜孔，甚至还有超过60°且长度超过1000m 的深孔，只有选择定向钻探技术，才能应对施工。在施工过程中，首先，根据现场的地质条件状况以及设计要求，需要选择地质岩心钻机，采用回转钻进的方式进行操作。其次，考虑到在第四系地层下岩体结构的硬度较强，因此，就要采用硬质合金回转钻进的方式，而在基岩部分就可以采用金刚石回转钻进。再次，在钻探过程中，还要持续对钻探器具进行冲洗，冲洗液的选择可以应用泥浆，而在完整基岩的钻探工作中就可以采用清水，并且注意在清洗液中添加一定剂量的润滑防阻剂，减轻后续钻孔的阻力[6]。而此次钻探过程中，每钻进100m 左右就需要对孔洞的位置进行校正，校正误差需要控制在合理的范围之内。需要注意的是，在满足钻探工作规章流程的前提条件下，钻孔在穿越矿体结构时，必须要满足终孔偏线距和勘测线距离偏差不得超过10m 的要求。而在岩矿心采取的过程中，需要在中心区域和矿体的顶板各五米处设计采取率，采取率平均需要超过80%，对于一些厚度较大的岩层结构，采取率可以低于80%，但是连续采取的长度不能超过五米。除此之外，在施工过程中还要注意随时做好简易的水文观测工作。在正常的钻探工作中，每小班组钻进工程完成之后就需要观测一次，每次钻进的尺度超过15m 时，也需要进行观测。而在钻孔设备提取之后，下钻前每隔十分钟就要对钻探区域的水文地质条件进行观测。如果在钻孔过程中遇到涌水问题，就应当立即停止钻进，并且随时监测水位变化的高度，还要记录孔洞的深度，及时通知地质管理人员，避免发生水害事故。在必要的情况下，还可以对钻进区域采取放水试验的措施，在非孔洞区域事故内，如果停转超过了4h，每一小时就应当观测一次水位，了解冲洗液的消耗量并且观察漏水记录。最后，完成封孔。在钻孔结束之后，对于所有的钻孔都要采用425 号的硅酸盐水泥严格地封堵，注重封堵的严密性，并且对每一个封孔区域都应当做好表面检测工作，详细地记录封孔的水泥牌号、生产日期、封孔材料的数量、材料的水灰比等多方面的数据信息，然后针对不同的封孔区域设置标号，并且标明孔深、开孔日期等相关数据参数，为后续施工留下可参考的数据信息。

2.4 钻孔结构

考虑到本次矿山开采区域的结构为岩溶发育结构，年龄发育深度高达700～800m，因此，在钻探过程中极容易发生漏浆、涌水等事故现象，甚至还可能会出现孔内坍塌等多方面的事故。根据多年的施工经验判断，这种较为复杂的地质条件下进行钻探工作，最关键的方法就是采用大孔径开孔的模式，并且随着钻探深度的加深，还可以逐渐针对孔径进行变化，可以在较大的孔径空间下设置护壁套管。而在本次施工过程中，施工设计人员原本设计的开孔孔径为直径130mm，无法达到此次复杂地质条件下的施工安全要求。因此，需要进一步测试当地的地层状况，然后选择最小孔径不得低于直径150mm，最终孔径不得低于直径75mm 的孔洞设计方法。施工过程中，还必须要应用到双管钻孔材料器具，确保对于钻孔的材料以及规格进行科学合理的设计。

2.5 钻进操作

考虑到本次施工所在区域的地层条件较为复杂，而在不同的地层条件下，所选用的钻进方式也具有较大的差异性，不同底层地钻进方法如表1 所示。

表1 不同底层地钻进方法

在钻进操作过程中，也需要严格地按照国家颁布的《地质岩心钻探规程》中的相关规定进行操作，在操作过程中也要注意以下内容：①复合片切削工具属于典型的聚晶金刚石工具，这种工具本身的厚度极薄，属于一种硬质的合金材料，因此，在逐步施工的过程中其抗磨能力有限，在长期施工的条件下会受到较大的局限性，这种器具只适用于一些地质层较硬的区域。②在选择钻压时，应当根据实际的钻进情况合理地控制钻压。尤其是在钻头已经进入孔内之后，钻压不得过大，需要循序渐进地采用正常的转速加大钻压。③在钻孔结束之后，必须要确保孔洞内部的清洁性，孔洞内部的沙尘厚度不得超过0.3m，这时，在制定清洗液的泵压时，就要比通常情况的泵压再大一些，这样才能够有效地提升钻头的冷却性，并且做好对钻孔内部粉尘的排除工作。④需要做好钻头的保养以及轮换工作，在刚开始钻孔的过程中，可以选择一些外直径相对较大的钻头，随着施工不断深入，就可以交替使用一些外直径相对较小的钻头，这样就可以减轻一些不必要的磨损问题，避免钻孔设备出现故障。⑤如果在钻孔过程中发现漏失问题，就应当立刻停止钻井工作。为了有效地堵漏，可以将钻具上提到一定高度，此时立马停止泵浆，在几小时后如果钻孔孔内内部的液位不再下降，可以继续钻井工作，然后配合一些惰性材料进行堵漏。

3 结语

综上所述，随着现代前沿科学技术的持续发展，地质找矿工作的方法也在持续革新。其中，地质钻探技术就是最为直观且最为普遍应用的找矿技术之一，目前，仍然在我国的地质找矿行业中被广泛地应用。而考虑到近年来我国矿产开采工作所在区域的地层结构极为复杂，在复杂的地质条件下，对于地质钻探施工技术的应用也提出了更加严格的要求。因此，施工单位必须要做好前期的钻孔设计、孔洞规划、施工材料选择等方案，在施工过程中，注重针对漏失情况采取合理的措施进行封堵，根据复杂地层条件因地制宜的选择施工方案，才能确保后续钻探工作的顺利开展。