羅文浩

（安徽省煤田地質局第一勘探隊，安徽 淮南 232000）

0 引言

機械中心鉆探是地質找礦工程中獲取地下礦場資源真實數(shù)據(jù)信息資料最為直觀的手段和途徑，也是目前在我國的找礦工程中極為普遍的一種找礦方式。2015 年，有工程隊伍承接了多金屬礦對接區(qū)補充勘察項目鉆探施工工程，該工程所在區(qū)域的地質條件極為特殊，屬于典型的巖溶發(fā)育地層，特別是在地下700～800m 的深層地層中，巖溶發(fā)育程度更高，最高的巖洞高達12m，鉆孔過程中極容易發(fā)生坍塌等多種風險事故，其支護施工難度也相對較大。此次施工過程中設計的鉆孔方式為斜孔，斜孔鉆孔的大角度達到60 多度，在施工過程中對于工藝設備、施工人員的專業(yè)素質要求極為嚴格。因此，為了確保本次施工工程的順利開展，必須要提前對該區(qū)域的復雜地層進行全面了解，才能在符合復雜地層要求的條件下找到更加科學合理的鉆探施工技術和方法。

1 施工礦區(qū)復雜地層的概況

1.1 地形地貌特征

以某金屬礦山為例，該金屬礦山所在區(qū)域屬于典型的丘陵湖濱地形，而地形的主要構造為巖溶地質，整個山林由東北方向向西南方向延伸，而地下礦藏資源的整體構造與山林的延伸方向保持一致。在施工所在區(qū)域內部，整體的地勢為西高東低、南高北低，西部、南部為低山河谷區(qū)域，北部和東部為典型的丘陵湖泊區(qū)域。而施工所在區(qū)域的山體走勢呈東南走向，最高區(qū)域海拔高達138.2m。

1.2 地質特征

（1）地層特征。本次施工所在區(qū)域的地層由南向北、由下而上，依次為滯留系中統(tǒng)羅惹坪組、上統(tǒng)紗帽組、泥盆系上統(tǒng)五通組、石灰系中統(tǒng)黃龍組、二疊系下統(tǒng)梁山組、棲霞組、茅口組、上統(tǒng)龍?zhí)督M、長興組、三疊系下統(tǒng)大冶組、中統(tǒng)嘉陵江組，其中，第四系區(qū)域下廣泛的分布著湖泊區(qū)域。在滯留系中統(tǒng)羅惹坪組高中，整體構造主要為海相砂頁巖類復理石建造，整體厚度超過了300m。而在二疊系地層中，主要的構造為碳酸鹽以及海陸交互相含的酶建造層，整體厚度大約為707m。三疊系為碳酸鹽以及濱海頁巖構造，厚度超過了700m。而礦區(qū)的滯留關系到三疊系之間整體的受力并不均勻，不僅會受到來自鍛煉方向外部作用力的影響，同時，還會由于褶皺影響出現(xiàn)結構不穩(wěn)定的問題。

（2）地質構造。首先，該礦場開采區(qū)域的褶皺，區(qū)域地質構造主要呈現(xiàn)出由東北和西南兩個方向向斜的特征。其中，該區(qū)域東北方向的向軸線呈現(xiàn)出東北45°傾斜，傾斜角度在30°左右。而西北方向的向軸線為西北330°傾斜，并且向斜區(qū)域還出現(xiàn)了翹起現(xiàn)象，有部分的軸面區(qū)域接近于垂直狀態(tài)。由于受到褶皺影響，同地層條件之間的破碎帶還會相互逆轉，而在相互逆轉的情況下也有利于該區(qū)域硫化物的聚集。因此，在開采過程中必須要注重破碎帶逆轉背景下所涵蓋的硫化物質。其次，該開采區(qū)域的斷層現(xiàn)象主要集中在斷裂層上，其斷裂的形勢總體呈現(xiàn)出切層走滑的斷裂帶形式，這也促使該區(qū)域形成了東西兩個方向的地塹。其中，該地區(qū)的主斷裂帶，斷裂長度超過了1500m，其斷裂方向主要向東北65°方向傾斜，傾斜角度在70°～83°，再加上上盤的逆沖方向為向上方向，下盤陡立的走向為下降方向，因此，在這種情況下，產生了牽引作用力就形成了特殊的褶皺[1]。與此同時，斷裂層周圍的圍巖結構還會隨著斷裂處不斷地延伸和拓展，其中，部階段的斷裂層在南北兩個方向的地層之間反復橫跳，北部區(qū)域大約提升了160m 的高度，而該區(qū)域的圍巖結構也受到了花崗閃長斑巖的侵入，其斷裂層呈現(xiàn)出70°的陡峭方向，西北方向產生了傾斜角，屬于一種較為典型的逆沖型斷層，受到了本區(qū)域導巖導礦構造所帶來的影響。在前期的勘察過程中，勘察人員基于力學物理性質等多個方面進行考量，這種斷裂帶的扭曲性極強，其東部區(qū)域的整體下盤已經出現(xiàn)了向北遷移的現(xiàn)象[2]。

（3）巖漿巖。該礦產開采區(qū)域內部巖漿巖地帶的整體巖層結構性質呈現(xiàn)為中酸性質，主要是由花崗閃長斑巖以及石英斑巖兩種性質的巖層結構相互構成的，其中，花崗山常攀巖，該區(qū)域礦產資源的形成和演變之間具有密不可分的內在關聯(lián)。該礦產開采區(qū)域的成礦巖體屬于同一時間段多次入侵的同源雜巖體，經過了上百年甚至上千年的復雜演變過程，才形成了豐富的礦產資源[3]。

（4）蝕變分帶。在礦場開采區(qū)域的蝕變帶，主要可以分為接觸蝕變帶、巖體蝕變帶以及層間破碎蝕變帶三大類型。而在本區(qū)開采區(qū)域內部主要面對的蝕變分帶為硅化—絹云母化帶[4]。

2 復雜地層下地質鉆探施工的方法和技術

2.1 鉆孔設置

根據(jù)本次施工所在區(qū)域的復雜地層條件特征來看，在本次施工過程中，共設計鉆孔44 個，考慮到本次開采區(qū)域的地層條件較為復雜多變，并且地下礦體結構的傾斜角度較大，為了能夠確保鉆孔穿越的礦體夾角超過30°，部分區(qū)域的鉆孔傾斜角度設計較大。在鉆孔設計過程中，本次施工小于60°的傾斜角鉆孔共一個，鉆孔深度為460m。60°～75°傾斜角的鉆孔共設計24個，鉆孔深度為14390m。75°～80°傾斜角的鉆孔設計共有8 個，鉆孔深度為5690m。80°～85°傾斜角的鉆孔設計共有6 個，鉆孔深度為5320m。85°～90°的鉆孔共設計5 個，鉆孔深度為3130m[5]。

2.2 鉆孔技術要求

考慮到鉆探技術工程在施工過程中必須要嚴格地執(zhí)行國家規(guī)范的鉆探規(guī)章流程，在施工過程中，必須要滿足巖礦心采取率與調整規(guī)范率、鉆孔彎曲度測量規(guī)格性、簡易水文觀測、鉆孔深度誤差的測量與校正等多個方面的規(guī)范性指標。

2.3 施工工藝流程及方法

2.3.1 施工流程

鉆探施工流程如圖1 所示。

圖1 鉆探施工流程

2.3.2 鉆探工藝

考慮到本次礦產所在區(qū)域的地層條件極為復雜，該區(qū)的地層特征為巖溶發(fā)育特征，尤其是在地下700～800m 的深度下，溶洞發(fā)育極為成熟，在大規(guī)模的溶洞下容易爆發(fā)鉆孔事故。再加上本次施工工程中所在地層的傾斜角度較大，因此，很多鉆孔設計為斜孔，甚至還有超過60°且長度超過1000m 的深孔，只有選擇定向鉆探技術，才能應對施工。在施工過程中，首先，根據(jù)現(xiàn)場的地質條件狀況以及設計要求，需要選擇地質巖心鉆機，采用回轉鉆進的方式進行操作。其次，考慮到在第四系地層下巖體結構的硬度較強，因此，就要采用硬質合金回轉鉆進的方式，而在基巖部分就可以采用金剛石回轉鉆進。再次，在鉆探過程中，還要持續(xù)對鉆探器具進行沖洗，沖洗液的選擇可以應用泥漿，而在完整基巖的鉆探工作中就可以采用清水，并且注意在清洗液中添加一定劑量的潤滑防阻劑，減輕后續(xù)鉆孔的阻力[6]。而此次鉆探過程中，每鉆進100m 左右就需要對孔洞的位置進行校正，校正誤差需要控制在合理的范圍之內。需要注意的是，在滿足鉆探工作規(guī)章流程的前提條件下，鉆孔在穿越礦體結構時，必須要滿足終孔偏線距和勘測線距離偏差不得超過10m 的要求。而在巖礦心采取的過程中，需要在中心區(qū)域和礦體的頂板各五米處設計采取率，采取率平均需要超過80%，對于一些厚度較大的巖層結構，采取率可以低于80%，但是連續(xù)采取的長度不能超過五米。除此之外，在施工過程中還要注意隨時做好簡易的水文觀測工作。在正常的鉆探工作中，每小班組鉆進工程完成之后就需要觀測一次，每次鉆進的尺度超過15m 時，也需要進行觀測。而在鉆孔設備提取之后，下鉆前每隔十分鐘就要對鉆探區(qū)域的水文地質條件進行觀測。如果在鉆孔過程中遇到涌水問題，就應當立即停止鉆進，并且隨時監(jiān)測水位變化的高度，還要記錄孔洞的深度，及時通知地質管理人員，避免發(fā)生水害事故。在必要的情況下，還可以對鉆進區(qū)域采取放水試驗的措施，在非孔洞區(qū)域事故內，如果停轉超過了4h，每一小時就應當觀測一次水位，了解沖洗液的消耗量并且觀察漏水記錄。最后，完成封孔。在鉆孔結束之后，對于所有的鉆孔都要采用425 號的硅酸鹽水泥嚴格地封堵，注重封堵的嚴密性，并且對每一個封孔區(qū)域都應當做好表面檢測工作，詳細地記錄封孔的水泥牌號、生產日期、封孔材料的數(shù)量、材料的水灰比等多方面的數(shù)據(jù)信息，然后針對不同的封孔區(qū)域設置標號，并且標明孔深、開孔日期等相關數(shù)據(jù)參數(shù)，為后續(xù)施工留下可參考的數(shù)據(jù)信息。

2.4 鉆孔結構

考慮到本次礦山開采區(qū)域的結構為巖溶發(fā)育結構，年齡發(fā)育深度高達700～800m，因此，在鉆探過程中極容易發(fā)生漏漿、涌水等事故現(xiàn)象，甚至還可能會出現(xiàn)孔內坍塌等多方面的事故。根據(jù)多年的施工經驗判斷，這種較為復雜的地質條件下進行鉆探工作，最關鍵的方法就是采用大孔徑開孔的模式，并且隨著鉆探深度的加深，還可以逐漸針對孔徑進行變化，可以在較大的孔徑空間下設置護壁套管。而在本次施工過程中，施工設計人員原本設計的開孔孔徑為直徑130mm，無法達到此次復雜地質條件下的施工安全要求。因此，需要進一步測試當?shù)氐牡貙訝顩r，然后選擇最小孔徑不得低于直徑150mm，最終孔徑不得低于直徑75mm 的孔洞設計方法。施工過程中，還必須要應用到雙管鉆孔材料器具，確保對于鉆孔的材料以及規(guī)格進行科學合理的設計。

2.5 鉆進操作

考慮到本次施工所在區(qū)域的地層條件較為復雜，而在不同的地層條件下，所選用的鉆進方式也具有較大的差異性，不同底層地鉆進方法如表1 所示。

表1 不同底層地鉆進方法

在鉆進操作過程中，也需要嚴格地按照國家頒布的《地質巖心鉆探規(guī)程》中的相關規(guī)定進行操作，在操作過程中也要注意以下內容：①復合片切削工具屬于典型的聚晶金剛石工具，這種工具本身的厚度極薄，屬于一種硬質的合金材料，因此，在逐步施工的過程中其抗磨能力有限，在長期施工的條件下會受到較大的局限性，這種器具只適用于一些地質層較硬的區(qū)域。②在選擇鉆壓時，應當根據(jù)實際的鉆進情況合理地控制鉆壓。尤其是在鉆頭已經進入孔內之后，鉆壓不得過大，需要循序漸進地采用正常的轉速加大鉆壓。③在鉆孔結束之后，必須要確保孔洞內部的清潔性，孔洞內部的沙塵厚度不得超過0.3m，這時，在制定清洗液的泵壓時，就要比通常情況的泵壓再大一些，這樣才能夠有效地提升鉆頭的冷卻性，并且做好對鉆孔內部粉塵的排除工作。④需要做好鉆頭的保養(yǎng)以及輪換工作，在剛開始鉆孔的過程中，可以選擇一些外直徑相對較大的鉆頭，隨著施工不斷深入，就可以交替使用一些外直徑相對較小的鉆頭，這樣就可以減輕一些不必要的磨損問題，避免鉆孔設備出現(xiàn)故障。⑤如果在鉆孔過程中發(fā)現(xiàn)漏失問題，就應當立刻停止鉆井工作。為了有效地堵漏，可以將鉆具上提到一定高度，此時立馬停止泵漿，在幾小時后如果鉆孔孔內內部的液位不再下降，可以繼續(xù)鉆井工作，然后配合一些惰性材料進行堵漏。

3 結語

綜上所述，隨著現(xiàn)代前沿科學技術的持續(xù)發(fā)展，地質找礦工作的方法也在持續(xù)革新。其中，地質鉆探技術就是最為直觀且最為普遍應用的找礦技術之一，目前，仍然在我國的地質找礦行業(yè)中被廣泛地應用。而考慮到近年來我國礦產開采工作所在區(qū)域的地層結構極為復雜，在復雜的地質條件下，對于地質鉆探施工技術的應用也提出了更加嚴格的要求。因此，施工單位必須要做好前期的鉆孔設計、孔洞規(guī)劃、施工材料選擇等方案，在施工過程中，注重針對漏失情況采取合理的措施進行封堵，根據(jù)復雜地層條件因地制宜的選擇施工方案，才能確保后續(xù)鉆探工作的順利開展。