刘 军,博 坤,李巧莲

(1.洛阳栾川钼业集团股份有限公司, 河南洛阳市 471500;2.吉林大学建设工程学院, 吉林长春 130026)

潜孔锤反循环钻进技术在采空区勘探中的应用

刘 军1,博 坤2,李巧莲1

(1.洛阳栾川钼业集团股份有限公司, 河南洛阳市 471500;2.吉林大学建设工程学院, 吉林长春 130026)

针对河南三道庄钼矿存在的极复杂地层及地下采空区地质勘探技术难题,采用贯通式潜孔锤反循环钻探技术,钻穿由塌陷或爆破崩落作用形成的极复杂地层,进而探测下部存在的采空区及检验地下采空区处理效果。通过在该矿区内的大规模施工实践,解决了生产中面临的技术难题和安全隐患,也为其他矿山采空区的地质勘探提供了借鉴。

采空区勘探;极复杂地层;贯通式潜孔锤;反循环钻进

目前,我国一些优质矿产资源的矿山 (如广西大厂矿务局、栾川钼矿、广东大宝山矿、秦岭金矿等)都经历过无序掠夺性开采,并留下大量灾害性采空区,严重影响着矿山的安全生产[1]。依据矿山的地质构造和生产需要,选择合理的钻探技术进行地下采空区地质勘探以获取详细的地质信息,对制定合理的空区处理方案、确保矿山安全生产和可持续发展,具有重大现实和战略意义。

1 矿山生产现状

三道庄钼矿为洛阳栾川钼矿田 3大矿区之一,其钼储量居亚洲首位,矿床赋存于中元古界蓟县上栾川群三川组上段的矽卡岩和南泥湖组长英角岩、黑云母长英角岩中,受岩性构造控制较为明显,矿岩均致密坚硬。矿体厚大集中,走向长 1500 m,倾向延伸大于 1120 m,厚度一般为 80～150 m,平均厚度125 m,面积 4.87 km2,矿石储量 5.8亿 t,其中钼金属储量 67万 t,平均品位 0.115%;钨金属储量 50万t,平均品位 0.117%,为埋藏浅、品位高、选别性能良好的特大型钼钨矿床[2]。

矿山开发始于 1960年代,矿区陆续出现集体及个人掠夺资源的现象,且由于地质资料不健全,导致矿区地下存留了大量不规则采空区和“盲空区”,该采空区和“盲空区”形状复杂,水平方向纵横交错、垂直方向上下重叠,分布高度最大达 176 m,采空区之间的顶底柱厚 2～8 m[3]。据 2005年对采空区的测量统计,在露采范围内的 1140水平至 1475水平,共有空区 120万 m2,空区体积约 1200万 m3。目前矿区已转为露天开采,随着开采台阶的逐渐下降,当采空区和“盲空区”的顶板厚度下降到一定厚度时,受地压活动、爆破开采和地下水等因素影响,会出现顶板失稳现象,严重威胁着工作人员和重型设备的安全,影响矿山的有序开采。

三道庄钼矿根据生产和安全需要,实施高台阶爆破崩落法,分区、分层挖掘矿石处理采空区[4]。经空区内 10余次不同规模的高台阶大孔径深孔爆破,成功地处理了多处采空区,实践证明该方法是露天采场内行之有效的空区处理方法。而该空区处理方法的前提条件是,必须对采空区进行准确探测。

2 采空区地质勘探

2.1 采空区地质勘探目的和意义

根据矿山生产要求,将原有的地质资料勘探网格加密,并将地质勘探与空区探查相结合,在露天采场布置 25 m×25 m地质勘探网。

(1)通过加密网格进行地质详勘,并取样、化验矿石品位,为评估储量和计划生产提供详实的资料;

(2)探明地下采空区和盲空区的位置、顶板厚度、空区高度,为空区处理提供准确的地质资料;

(3)在爆破崩落区实施钻探施工,探测采空区处理的效果和质量,以保证生产的秩序和安全。

解决该矿区的极复杂地层钻进技术难题,有助于提高钻探技术水平,也对类似复杂地层的地质勘探具有借鉴作用。

2.2 采空区勘探技术难题

矿区内上层岩层 (1450～1462水平)主要岩性为透辉石斜长石角岩;下层岩层 (1410～1450水平)主要岩性为石榴子石矽卡岩[5]。岩石坚硬,可钻性8～9级,岩层间断裂带为泥质碎屑物充填,断裂带两侧极为破碎。采用顶板爆破崩落处理空区,即将空区顶板以上地层爆破崩落回填到采空区内,这种空区处理方式在台阶面上形成了大面积的爆破崩落区。此外,采空区和“盲空区”在露天生产和地表降水的影响下,顶板冒落引起台阶面塌陷,形成大面积的塌陷区。目前,采场内地质勘探钻孔施工面临的主要问题是由台阶塌陷或爆破崩落引起的复杂地层难以钻进、难以成孔、难以取样,钻探难题主要有:

(1)地层构造复杂,坍塌和爆破崩落区岩石呈堆积状,岩石被分割成大小不同的碎块,钻进中孔壁易坍塌、掉块,甚至埋钻,难以成孔;

(2)采用钻井液正循环方式钻进,流体介质漏失严重,无法取样;

(3)常规回转钻进方法,钻进效率低,无法做到超前勘探、分析化验样品,无法与现场生产进度相配合,指导现场生产实时性较差。

(4)采用堵漏工序护壁时,占用的时间过多,从而导致成本大幅度提高,施工周期延长。

由于矿区采空区顶板较薄,受地层裂隙发育及岩块塌落后形成的空穴等因素影响,采用物理探测技术进行空区勘探具有一定的误差,探测数据无法有效地指导生产应用,只能借助钻孔探查法获取更多的地下信息,需采用适合的钻探技术对该矿区的矿藏储量和地下采空区进行详细、准确的地质勘探。

3 贯通式潜孔锤反循环钻进技术

针对采场存在的勘探技术难题,采用 SBC89/44外平式双壁钻杆 +GQ89型贯通式潜孔锤 +Φ96 mm反循环钻头组成的满眼钻具,实施反循环钻进工艺,钻穿由塌陷或崩落形成的复杂地层,进而探明下部的采空区。

3.1 设备与机具

采用 GSD-Ⅲ动力头型钻机,最大钻进行程 4 m,动力头扭矩 6.4 kN·m;阿特拉斯 XRVS466螺杆式移动空压机,风压 2.5 MPa,额定风量 25 m3/min;SBC89/44外平式双壁钻杆,外径 89 mm,心管内径44 mm,单根长度 3 m;GQ89贯通式潜孔锤,结构如图1所示,性能及规格参数见表1。

3.2 反循环钻头设计

图1 贯通式潜孔锤结构原理

表1 GQ89贯通式潜孔锤性能及规格参数

反循环钻头球齿外出刃 96 mm,钻头体外径 92 mm,钻头排气通道由底喷孔和内喷孔、双流体通道构成,见图2。气体由底喷孔喷射后形成受限贴附射流,由于中心通道过流断面积较大,压缩空气会向中心通道内侧流动。同时,渐扩结构的扩压槽有利于在气体膨胀过程中形成反循环;此外,在钻头花键位置开设了斜向上的内喷孔,使部分流体不仅过孔底直接进入中心通道,形成强力的向上抽吸力。在底、内喷孔共同作用下形成反循环,携带岩屑上返至地表。即使孔内破碎、漏失,仍能形成反循环取样。

将计算流体力学理论和商用计算流体力学软件FLUENT运用于反循环钻头的结构设计,并对孔底流场进行模拟仿真,如图3所示。气体通过底喷孔向下喷射出后,在孔底形成漫流区,少部分气体向钻具外侧流动而形成正循环,大部分气体向内流动形成反循环。提高钻头反循环效果的关键就是减少正循环气流。通过室内试验、模拟仿真及应用实践证明:内喷射孔钻头能有效地解决地层孔底漏失问题,即使孔底漏失严重,仍能形成反循环。优化设计后的钻头,内喷孔与中轴线的夹角α的最优角度为25°～30°;内喷射孔与底喷孔的过流断面积最优比之比大于 1。实际设计工程中采用 3个Φ8 mm的内喷射孔,2个Φ7 mm的底喷孔,内喷孔与底喷孔的当量直径之比约为 1.95∶1。该类型钻头反循环效果良好,工作寿命长。

图2 反循环钻头结构

图3 反循环孔底流场模拟

3.3 钻进规程参数

(1)钻压。潜孔锤钻进轴向钻压主要是为了克服钻头冲击孔底岩石时的反弹力,以保证冲击能量有效地通过钻头传递给孔底岩石,应用中选择的钻压为 4.5～8.0 kN。

(2)转速。通过理论计算和现场试验,确定最优转速为 20～35 r/min;

(3)风压。风压过高会导致钻具和钻头的疲劳损坏,风压过低则钻进效率过低且无法发挥空压机的潜力,最优风压为 1.4～1.8 MPa;

(4)风量。潜孔锤反循环钻进所需的风量主要取决于携带岩样上返所需的风量和空压机的额定风量,实践中风量为空压机的风量,25 m3/min。

4 施工应用

4.1 施工方案与现场应用

首先采用 GQ146贯通式潜孔锤 +Φ153 mm取样钻头开孔,下入Φ146技术套管护壁,以防止孔口坍塌掉块。然后更换 SBC89/44外平式双壁钻杆 +GQ89型贯通式潜孔锤 +Φ96 mm反循环钻头,直接穿过塌陷或崩落地层到达设计孔深;如遇空区时,探测空区的顶板、高度等参数,即可终孔。如果空区高度较低或生产需要时,也可选择穿越空区继续钻进,直至钻至下一层采空区后终孔。在钻进过程中通过反循环方式可连续获取岩样,岩样通过地表的旋流取样器收集后,进行化验分析。

以 ZK2152号钻孔为例,分别在 18～23.6 m和33～38 m孔段遇到采空区,最终穿越 2层空区后钻至设计孔深 65 m后终孔。利用上述钻具组合在露天采场的爆破崩落区成功施工了 24个空区勘探孔,均探明孔底采空区和“盲空区”的顶板高度、空区高度、底板深度等数据,最大空区高度为 34.0 m,为矿山空区处理和安全生产提供了详实的地质数据。

4.2 施工实践总结

现场施工实践证明,贯通式潜孔锤反循环钻进技术组成的外平式钻具能够有效地解决塌陷和崩落区内的钻探技术难题,能够在不注浆堵漏、不跟管护壁的情况下,穿越塌陷地层和崩落地层,实现探查下部采空区和地质勘探的目的,具有明显的技术优势。

(1)有效地防止在极复杂地层中发生的孔壁坍塌、掉块引起的埋 (夹)钻事故。原因为:流体介质实现闭式反循环,避免对孔壁的冲刷;外平式钻具为满眼钻具,钻具环空最大间隙理论值仅为 3～4 mm(Φ96～Φ89),较小的间隙能防止掉块和卡钻,近乎外平的钻具可避免发生埋钻、夹钻事故;潜孔锤钻进工艺参数的特点是低钻压、低钻速,能减轻钻杆旋转时对孔壁的扰动,有效地保护孔壁。

(2)专用的反循环钻头在严重漏失的地层仍能够形成反循环,采集的岩屑的质量和取心率能够满足地质勘探的需要,这个特点是其他常规钻探方法无法实现的。

(3)贯通式潜孔锤反循环钻进技术在坚硬、破碎地层实施地质勘探和采空区探查时,机械钻进效率高,机动灵活,能够满足现场生产的需要。

5 结 论

利用贯通式潜孔锤反循环钻进技术,在河南三道庄钼矿极其复杂条件下的矿区开展实践应用,有效地解决了矿区勘探存在的钻探工程难题,在塌陷和爆破崩落地层成功地实现了地质勘探和采空区探查,为矿山的安全生产和可持续发展提供了详实的地质资料,经济和社会效益十分显著。

通过应用,也使该项技术不断完善,为我国矿山地下采空区的钻孔探查和地质勘探提供了一种先进的钻探工艺和技术储备。

[1]刘敦文,古德生,徐国元.地下矿山采空区处理方法的评价与优选[J].中国矿业,2004,13(4):52-55.

[2]邓红玲,王春帅,星玉才,等.三道庄钼钨矿区采空区安全性评价[J].地质灾害与环境保护,2007,18(2):65-69.

[3]秦豫辉,程秀升,李春晓,等.三道庄矿区不规则空区处理[J].矿业研究与开发,2004,24(1):27-29.

[4]林卫星,程建勇,欧任泽.地下多层复杂空区处理的工程实践[J].爆破,2009,26(6):31-34.

2010-10-18)

刘 军 (1976-),男,山东泰安人,工程师,从事矿山生产技术管理工作,Email:l mliujun@163.com。