鄧夢春，陸生林，殷 琨，黃晟輝

(1.中國地質科學院探礦工藝研究所，四川成都611734;2.中國地質調查局成都地質調查中心，四川成都610081;3.吉林大學，吉林 長春130061)

1 概述

空氣反循環(huán)取樣鉆探技術是集潛孔錘沖擊回轉高速碎巖鉆進、壓縮空氣全孔反循環(huán)、鉆進過程中連續(xù)獲取巖樣3項先進技術于一體的鉆進新技術。由于改變了傳統(tǒng)的取心和碎巖方式，它與普通取心鉆進相比，不但施工效率高(施工效率提高3～10倍)，成本低(成本僅為普通取心鉆進的1/5～1/3)，而且鉆孔質量好，利于穿越復雜地層，因而被鉆探界稱之為繼繩索取心鉆探技術之后的又一次技術革命。

中國地質科學院探礦工藝研究所利用這一技術在云南大理州北衙金礦進行了4個鉆孔的試驗工作。試驗地層屬于復雜地層，破碎、地下空洞多、地下水豐富，孔壁不穩(wěn)定、掉塊、探頭石多、粘土含量高遇水縮徑，造成頻繁卡鉆且非常嚴重，堵塞正、反循環(huán)通道。盡管如此，與普通巖心鉆探相比較，還是具有較大的優(yōu)越性。主要體現(xiàn)在鉆進效率高，巖礦心采取率高且代表性好，找礦效果好。

2 礦區(qū)概況

北衙金礦是我國十大金礦之一，屬于云南黃金公司所有。它位于麗江和大理之間，距麗江和大理各100 km左右，地處大理州鶴慶縣西邑鎮(zhèn)北衙村，交通十分方便。該礦為露天開采，鉆探施工在開采平臺上進行，開孔就是巖層。

2.1 地層

礦區(qū)出露的地層有二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組(P2β);三疊系下統(tǒng)青天堡組(T1q);中統(tǒng)北衙組(T2b);第四系更新統(tǒng)蛇山組(Q1s);第四系更新統(tǒng)(Qp)及第四系全新統(tǒng)(Q4)。其中，三疊系上統(tǒng)北衙組(T2b)是礦區(qū)的主要賦礦地層，其巖性主要為白云質灰?guī)r、鐵化砂屑灰?guī)r、條帶狀含泥質灰?guī)r、似角礫狀灰?guī)r夾長石砂巖。

從鉆探角度講，巖層以灰?guī)r、黃鐵礦、磁鐵礦、褐鐵礦、矽卡巖、石英正長斑巖等為主，風化非常嚴重，地層十分破碎，上述地層泥質成分比重較大，有水時，造漿能力強。

2.2 構造

礦區(qū)位于近南北向鶴慶—松桂復式向斜南段，礦區(qū)構造與區(qū)域構造線方向一致，均呈近南北向展布。區(qū)內構造活動強烈，次級褶皺、斷層發(fā)育。

2.3 巖漿巖

礦區(qū)內出露巖漿巖以喜馬拉雅山期形成的淺成侵入斑巖為主，主要侵入巖有石英正長斑巖、石英二長斑巖、正長斑巖及煌斑巖脈等。

2.4 圍巖蝕變及礦化特征

礦區(qū)內因多期次強烈構造運動，伴有巖漿巖的侵入，使區(qū)內各種巖石均發(fā)生不同程度的蝕變現(xiàn)象，區(qū)內與成礦有關的蝕變主要有褐鐵礦化、黃鐵礦化、磁鐵礦化、鐵錳礦化等。

3 設備的選擇

3.1 鉆機的選擇

鉆機的選擇遵循以下原則：(1)鉆機搬遷方便;(2)盡可能選擇全液壓鉆機，并且動力頭行程長;(3)低轉速;(4)具備足夠的提升能力;(5)具備足夠大的回轉扭矩;(6)由于在野外使用，宜采用柴油機作動力。

通過比較，決定采用中國地質裝備總公司生產(chǎn)的RC－400型反循環(huán)鉆機。

其主要性能參數(shù)如下：

鉆深能力：400 m(φ89 mm鉆桿);

結構型式：全液壓動力頭式;

柴油機：東風康明斯6BT5.9(132 kW/2200 r/min);

裝載方式：鋼制履帶;

動力頭給進行程：3700 mm;

動力頭最大提升：200 kN;

傳動方式：雙低速大扭矩馬達驅動一級減速;

最大轉速：0～90 r/min，0～180 r/min;

最大扭距：8500 N·m，4250 N·m;

外形尺寸：約6.5 m×2.1 m×2.8 m;

質量：約 9 t。

3.2 雙壁鉆具結構的設計和空壓機的選擇

鉆具的設計和空壓機的選擇應當遵循以下3個原則。

(1)壓力降原則。選用空壓機時，它的壓力應該大于下面幾部分之和：鉆桿環(huán)狀間隙壓力降、潛孔錘壓力降、鉆頭壓力降、鉆桿中心通道內壓力降和水的圍壓。

(2)內通道匹配原則。一是內通道直徑一致的原則，即雙壁鉆具的中心通道與潛孔錘的貫通孔道直徑相同;二是難以保證相同時，雙壁鉆具的中心通道直徑必須大于貫通式潛孔錘及鉆頭的內孔通道，不應有臺肩的突變，否則易產(chǎn)生卡堵。

(3)適應復雜條件原則。在極復雜地層條件鉆進時，應選擇外平式雙壁鉆具。

根據(jù)以上原則，選用英格索蘭XHP1070型空壓機(2.4 MPa，30.8 m3/min)可滿足要求。鉆桿選用φ108 mm×3 m外平雙壁鉆桿，潛孔錘選用φ127和108 mm貫通式潛孔錘及配套取樣和取心2種鉆頭(見圖1)。

圖1 取樣和取心鉆頭

4 鉆孔結構

根據(jù)礦區(qū)地質情況和試驗孔的地層情況，設計鉆孔結構如圖2所示。

圖2 鉆孔結構示意圖

(1)開孔就是基巖，因此只需用φ127 mm貫通式潛孔錘配φ153 mm鉆頭開孔鉆進4～6 m，然后下入φ146 mm孔口管并用夾板固定。

(2)φ127 mm貫通式潛孔錘配φ133 mm鉆頭鉆進至40～70 m，具體孔深由回轉阻力大小和提升是否順利而決定。

(3)φ108mm貫通式潛孔錘配φ114 mm鉆頭鉆進至終孔。由于鉆桿都是用的φ108 mm×3 m外平雙壁鉆桿，因此此孔段所用鉆具為全外平式。

5 鉆孔地質設計和要求

中國地質調查局成都地調中心根據(jù)項目任務目標和現(xiàn)場勘察情況，進行了鉆孔地質設計，對巖樣收集和分選提出了要求。

5.1 試驗內容

(1)巖樣與巖心采取率的對比研究。

(2)巖樣是否能夠真實反映所鉆地層的巖性，地層變化，地層的原生結構和巖石物理力學性質。

(3)巖心污染程度的對比研究。

(4)巖樣與巖心在礦品位上對比研究。

5.2 取樣具體要求

(1)全樣收集。

(2)每米為一取樣段，在取樣段結束時，需待孔底巖樣全部返至地面后，才可進行下一取樣段的鉆進?？杀苊鈳r樣“串段”。

(3)曬干后稱重，計算質量采取率。(4)用巖心箱和塑料袋裝巖樣。

6 鉆進工藝

6.1 鉆機儀表盤應配備的儀表

鉆機儀表盤應配備以下儀表：回轉扭矩壓力表、給進壓力表、提升壓力表、轉速表和風壓壓力表。

6.2 鉆進參數(shù)

空氣潛孔錘鉆探以沖擊破碎為主，所以其鉆進參數(shù)與常規(guī)回轉鉆進有較大不同。鉆壓主要是用來克服潛孔錘沖擊時的反彈力，可根據(jù)地層巖石硬度，巖石自軟至硬，軸壓由小到大。實際軸壓必須考慮到鉆桿的自重，淺孔時加壓鉆進，壓力隨孔深的增加而減少，到一定深度時，轉換為減壓鉆進。實際軸壓還必須考慮到鉆進速度。進尺太快，容易引起堵塞;進尺太慢，應該查找原因，如果是鉆壓太小不足以克服潛孔錘沖擊時的反彈力，則應加大壓力。勻速鉆進較為理想，不容易引起堵塞。

轉速是最重要的參數(shù)，其選取的合理與否，直接影響到機械鉆速和鉆頭壽命。如果地層堅硬而轉速過快，則可能在每轉之間，孔底存在未被沖擊破碎的巖石間隔，導致鉆具運轉不平穩(wěn)，并加速鉆具非正常磨損。如果在較軟地層中轉速過低的話，則又可能導致重復破碎，這些都會影響鉆進效率。從理論上來說，轉速存在著最優(yōu)值，但實際操作中轉速一般在25～35 r/min之間。鉆具的回轉速度還受到?jīng)_擊器的性能、鉆進時的孔徑、巖性、空壓機參數(shù)、鉆頭類型等的影響，可依靠大量的實踐來逐步探索。

空氣壓力也是非常重要的鉆進參數(shù)，鉆進過程中要隨時觀察其大小和變化值。空壓機壓力的大小應該隨孔深的變化而變化。一般地，開孔時的壓力可比潛孔錘的工作壓力大0.1～0.2 MPa，然后每50 m調整一次，增加0.1 MPa。鉆進過程中要記住反循環(huán)正常鉆進的空氣壓力、正循環(huán)暢通時的空氣壓力、強吹孔時的空氣壓力。可根據(jù)空氣壓力值的大小和出樣情況，及時預見和判斷正、反循環(huán)通道是否堵塞及堵塞的嚴重程度。

6.3 事故處理

6.3.1 堵塞處理

鉆進途中反循環(huán)通道發(fā)生堵塞，此時禁止有進尺的鉆進，否則將加重堵塞和引起巖樣的流失。

處理方法一：開風但不回轉鉆桿，可少量上下活動鉆具，讓潛孔錘工作，沖擊振動解堵。此時通過調高空壓機的壓力，對解堵沒有幫助。

處理方法二：向反循環(huán)通道中加入適量的柴油并等待數(shù)分鐘后，采用方法一處理。

處理方法三：向反循環(huán)通道中加入適量的柴油并等待數(shù)分鐘后，上下猛鐓鉆桿和鉆具。

上述方法無效后，提鉆處理。

6.3.2 卡鉆處理

如果鉆進途中，回轉阻力突然增大，必須及時將鉆具提離孔底10～30 cm，進行強吹孔，待回轉阻力和空氣壓力都正常后，方可繼續(xù)正常鉆進。

鉆進途中，回轉阻力突然增大，經(jīng)強吹孔處理無效時，可在孔口加上正反接頭，用正循環(huán)吹孔。待正循環(huán)通道(鉆桿與孔壁之間隙)疏通后，再換回反循環(huán)鉆進。

如果鉆具在提升途中被卡住，可在孔口接上備用潛孔錘，然后送風，向下沖擊鉆桿，大部分情況可解卡。

7 試驗數(shù)據(jù)和結論

7.1 總的試驗工作量

共進行了4個試驗鉆孔的施工，完成鉆探工作量493.84 m。4個孔的孔深分別為149.02、152.04、115.92、76.86 m。

7.2 具有較高的機械鉆速

4個孔的平均鉆速如圖3所示，鉆進1 m最快為1 min(60 m/h)。

7.3 臺月效率高

4個試驗孔的臺月效率如圖4所示。試驗中最高班進尺達60多米，還有2次達40多米(純鉆時間只有半天)，這是巖心鉆進在此礦區(qū)無法達到的效率。試驗孔的臺月效率為845 m(扣掉了停工待料時間;主要是考慮到這部分時間在生產(chǎn)中是很少的，而試驗則占的比重大)。而該礦區(qū)常規(guī)鉆的臺月效率平均在300 m以內。

圖3 試驗孔機械鉆速柱狀圖

圖4 試驗孔臺月效率柱狀圖

7.4 巖樣采取率高

在RC取樣鉆探中，鉆頭可破碎的全部巖石均隨高速氣流排至地表，通常高達100%。一般用滿足地質要求的樣品量來取代原取心鉆探中巖心采取率，這就要求在鉆進現(xiàn)場進行無分選縮分。本項目是初次試驗，根據(jù)地質要求，采取的是全樣，并計算每米的質量采取率。

盡管有個別取樣段存在采取率不足的情況，但全孔總的采取率情況良好，高于巖心鉆進，如圖5所示。

圖5 試驗孔的質量采取率(平均)柱狀圖

7.5 巖樣代表性好，找礦效果好(見表1)

質量采取率計算公式如下：

表1 常規(guī)鉆孔與對比試驗孔的見礦孔深、礦層厚和品位對比表

對表1中的4個試驗孔對比數(shù)據(jù)分析如下：由于第四個孔受試驗條件限制，無法靠近原孔，造成了礦體變化較大，其礦體厚度與品位無對比性;其他3個試驗孔經(jīng)過對比得出結果：

(1)礦的層數(shù)增加，4個孔總共從13層增加到18層;

(2)礦體明顯增厚，4個孔礦體總厚度從56.68 m增加到85 m(見圖6);

圖6 4個試驗孔與常規(guī)取心鉆孔的礦體厚度對比圖

(3)品位也有一定的增加，第二和第三個對比試驗孔的礦品位是增加的，第四個孔因相距太遠不具可比性，第一個孔則因礦的層數(shù)增加太多而使平均品位有所下降。但是該礦區(qū)由于礦體受構造及巖體控制，礦區(qū)地質條件復雜，不排除地質等因素造成以上對比效果出現(xiàn)誤差。

原地礦部于“九·五”期間專門在山東六隊、寧夏某金礦和河南某鋁土礦也進行過對比試驗，對比的結果也是：空氣反循環(huán)取樣鉆與常規(guī)取心鉆相比，礦的層數(shù)增加，礦體增厚，品位增加。更在甚者，寧夏某金礦通過空氣反循環(huán)取樣鉆的工作，推翻了該礦區(qū)的原成礦理論。

2012年4月12～13日，在成都召開了由地質專家和鉆探專家共同參加的空氣反循環(huán)取樣鉆探技術研討會。與會專家認為：空氣反循環(huán)取樣鉆探的采取率幾乎100%，而且充分混合后的巖樣對品位反映更真實，所以空氣反循環(huán)取樣鉆探與常規(guī)取心方法對比，礦的層厚和品位都增加。

因此，可以認為：與常規(guī)取心方法對比，RC所取巖樣對礦的層厚和品位反映更準確、更真實。

7.6 判別巖石的結構與構造有難度

RC所取巖樣可準確命名巖性和對巖性分層，但判別巖石的結構與構造有難度。

常規(guī)工藝巖心比較直觀地表達巖層及礦化體的接觸部位及巖石成分、物理特征等，而RC由于巖樣呈粉狀，少量碎塊，巖石特征識別有一定難度。

由于該礦區(qū)構造發(fā)育，巖石比較破碎，導致巖樣顆粒細小，因此全程采用取心鉆頭、穩(wěn)定轉速，增大顆粒度。每米巖樣過篩后，存在直徑1 cm以上的巖塊顆粒12顆，可以較準確地代表該鉆進長度的整體巖性;礦體賦存于褐鐵礦化灰?guī)r中，礦體與圍巖存在顏色上的明顯差異。

金礦試驗，巖樣收集采用每米次，保證了分層的精度可達到0.5 m。經(jīng)過對比分析，RC工藝的巖樣分層與常規(guī)鉆進的分層，在巖性命名上，沒有較大差別，只是巖石的結構、構造、物質成分的含量上無法準確的識別。

RC工藝在試驗過程中不斷積累經(jīng)驗、改進鉆頭參數(shù)、調整動力系統(tǒng)，會逐漸的提高巖石判別及巖性分層的準確性。根據(jù)不同的礦種，調節(jié)巖樣收集的長度，精細巖層的劃分。巖樣收集的越短，巖層分層越精確，可達到常規(guī)鉆進技術巖性的分層精度。

7.7 RC巖心污染很少，層位準確，但含水地層如操作不當容易污染

該工藝直接利用風力實時把巖樣輸送到地表，因此不存在泥漿等介質對巖樣的污染問題。

從微觀上看，由于巖樣顆粒大小不一，上返途中存在著速度差，導致層位混亂;但從1 m取樣段來看，層位混亂僅存在于1 cm之內，可忽略不計。例如：通常情況下，上返風速可達80 m/s，此時巖心上返速度為50～60 m/s、巖屑上返速度為80 m/s，200 m的孔深，上返時間分別為3.3～4 s、2 s，如果機械鉆速為15 m/h(0.42 cm/s)，巖心與巖屑上返時間差為1.5 s，200 m深度的時間差造成的進尺為0.63 cm，這0.63 cm的巖樣層位混亂，相對于該深度的影響是微乎其微的。

在鉆進中，嚴格按照每米停鉆、給風，待該進尺長度內所有巖樣全部噴出后，再進行鉆進，防止巖樣殘留到下一個取樣段內;含水地層的鉆進容易產(chǎn)生堵塞，管道壁容易積垢潮濕的巖粉，工作中及時進行清理，降低污染程度;每米進尺巖樣單獨收集，做到一米一個樣段，按米編號，防止了收集中混入上下進尺的巖樣。

RC工藝在鉆進過程中，地質人員嚴格要求，巖樣收集過程中規(guī)范收集方法，就能避免樣段內出現(xiàn)污染情況，及時噴出的巖樣能真實地反映地層的巖性順序。

7.8 純鉆進時間利用率較低

純鉆進時間利用率較低，僅為9.3%。其原因是地層復雜，堵塞和卡鉆使得停工待料時間和事故處理時間占到了61.8%。試驗鉆孔鉆時時間占比見圖7。

8 需要進一步研究的主要問題

通過4個孔的鉆探試驗工作，認為需加強以下幾個方面的研究工作。

圖7 各項時間占的百分比

8.1 復雜地層鉆進方法選擇及鉆進工藝的研究

采用包括多種鉆進方法、多種介質(壓縮空氣中加水或加泡沫，甚至采用泥漿懸浮鉆進)、多種循環(huán)方式和多種護壁方式的多工藝鉆進方法，增加對各種復雜地層的適應性，以提高復雜地層的鉆進效率，從而充分發(fā)揮空氣連續(xù)反循環(huán)鉆進的優(yōu)越性。

8.2 含水地層降低巖樣污染的研究

試驗中發(fā)現(xiàn)，含水層中鉆進時，因巖樣粘性較強，易被吸附在中心通道管壁中，從而產(chǎn)生巖樣的污染。

8.3 含水地層巖樣收集方法的研究

含水地層特別是含泥質成分重的含水地層，其巖樣收集是目前的一個難題。其收集方法不僅需考慮到工作效率、成本、不被污染、能實現(xiàn)水樣分離和樣品無分選縮分等因素，還需考慮到干樣和水樣的通用性或在兩者之間方便快速的轉換。

8.4 巖樣采取率的計算需要進一步的研究

計算質量采取率存在著小樣密度不能反映所鉆地層的真實密度等問題。應該增加體積采取率的計算，其計算公式如下：

體積采取率的計算關鍵是如何確定膨脹系數(shù)K的取值。首先可以認定在相同的礦區(qū)相同的地層，其膨脹系數(shù)K基本是個恒值;然后在某個取樣段，根據(jù)鉆進和巖樣收集情況，在沒有堵塞和正循環(huán)漏失的情況下，可以認為此取樣段的巖樣采取率是100%，據(jù)此可測算出該地層的膨脹系數(shù)K。

［1］ 耿瑞倫，陳星慶，耿燕婷，等.推廣應用多工藝空氣鉆進技術成效顯著［J］.探礦工程，1998，(3)：3 －6.

［2］ 張曉西.中心取樣鉆進技術成果與開發(fā)前景［J］.探礦工程，1999，(S1).

［3］ 張曉西.中心取樣鉆進技術(一)［J］.探礦工程，2000，(1)：63－65.

［4］ 張曉西.中心取樣鉆進技術(二)［J］.探礦工程，2000，(2)：58－60.

［5］ 張曉西.中心取樣鉆進技術(三)［J］.探礦工程，2000，(3)：57－59.

［6］ 冉恒謙，張金昌，謝文衛(wèi)，等.地質鉆探技術與應用研究［J］.地質學報，2011，85(11)：1806 －1821.

［7］ 王茂森，殷琨，蔣榮慶.全孔反循環(huán)中心取樣鉆進設備與試驗研究［J］.煤田地質與勘探，2000，28(5)：61－62.