永平铜矿燕仓尾矿库钻探安全效率浅析

2018-12-27高智辉牛志红

世界有色金属 2018年20期

高智辉，牛志红

（江西省核工业地质局二六八大队，江西上饶 334700）

1 项目概况

尾矿库的稳定性、安全性向来为人们所重视，尤其是大型的尾矿库，一旦发生垮塌事故，势必造成重大的人员伤亡和巨大的财产损失。因此，库区位置的选择、库容及坝址的设计、施工、验收等都必须严格按行业最高标准来进行。此外，随着尾砂的不断堆积过程，要定期对库坝的稳定性和安全性进行勘探研究，科学评估，提出合理建议。

江铜集团永平铜矿的尾矿库是一座特大型的尾矿库，始建于1985年，设计库容为6600万m3，由一个主坝和 5个子坝圈成，主坝高150m，现尾砂已堆置142m，目前已接近尾矿库使用后期，按照相关规范要求，需要做尾矿库中后期稳定性、安全性研究。设计方案及评估过程由中钢集团马鞍上矿院工程勘查设计有限公司承担，宁波华东核工业工程勘查院则承担库区及库坝的工程地质勘查，本次勘查设计钻孔51个，钻探工作量2792m(20m～160m不等)，勘查完成后向江西铜业股份有限公司永平铜矿提交程地质勘查报告及相关数据资料。

2 发现问题

通过查阅资料和实地勘查发现尾砂坝为粘土斜墙堆石坝，采用上游法分散管放矿堆筑，表面用块石护坡。库区内的堆积物（尾砂）成分复杂，既有素填土、尾细砂、尾粉砂、尾亚砂、尾重压黏、尾轻亚黏，坝基土为粉质粘土，场地的下卧基岩中又出现有强风化含泥质粉砂岩、中风化含泥质粉砂岩。在钻探的初期还是比较顺利，但钻进至30m后就容易出现卡钻、埋钻、垮孔现象，而且沉渣多，难以取得尾矿砂原装土试样。

卡钻、埋钻：经常性的卡钻势必会影响工程的进度，如果因为卡钻而无法达到设计要求的钻探深度，这个钻孔就得报废。

取样困难：尾矿库的稳定性和安全性评价的主要依据就是来原于钻探中的精准取样及样品中涵盖的各种数据。如果取样达不到要求，钻探就意味着失去了意义。

3 研究分析

为解决上述难题，我院决定抽调具有丰富实地工作经验的地质、钻探、水文、机械加工专业人员成立课题攻关小组，攻克难题。

课题组针对上述问题进行剖析研究：造成卡钻、埋钻的因素很多，既有尾砂本身地质、水文及工程力学等非可控因素，也存在钻探过程中人为可控的外在因素，如钻机型号、直度、钻探口径、钻头、钻具选择是否适中；钻进速度、取钻、下钻操作是否正确；高压水泵的配置、钻进过程中水泥浆流速、泥浆泵的选择、压力、凝胶剂的品种及配比等。人为可控的因素可以通过改进工作措施加以克服。

课题组针对尾砂本身地质、水文及工程力学等非可控因素容易造成卡钻问题分析研究认为：当钻进达到一定深度时就会发生卡钻、埋钻，其原因在于尾矿坝中的横向应力随着深度的增加而增加，达到一定深度后，作用在钻头及岩芯管上的压力所产生的摩擦力就会大于钻机能够提供的最大拉力，此时就会发生卡钻、埋钻现象。

目前，常见的钻头都是针对可钻中硬-硬和有硬岩夹层的地层，如PDC钻头及其改进的新型钻头。近年来，也有针对卵砾岩层硬度大、可钻性级别高、卵砾石砾径大小不等及形状不规则等特点研发了一些抗冲击性能较强新型取芯钻头，如QTQ型钻头、STS型钻头、金刚石-硬质合金复合齿钻头、四翼式取砂硬质合金钻头等。实践证明，目前已有的钻头均不适用于尾矿坝的深部勘探及取样。

4 研究方案、解决对策

为此课题组对现有的钻头进行了改进，将改进后的新型钻头取名为“高尾砂坝超深钻探钻头”，简称“新钻头”。

第一，选用高硬度、高强度合金材料作为掘进钻头（见图1，2之图例1，4硬质合金钻头）。以降低其在钻进过程中与周围岩层的磨损，从而节约了钻探成本，加快了钻进速度。

图1 改进后钻头的三维拆分示意图

第二，在原钻头的胎体四周各增设一排“横牙”（见图2之图例8，11），“横牙”表面镶嵌硬质合金，以降低其在钻进过程中与周围岩层的磨损，从而节约了钻探成本；同时，“横牙”在钻进的过程中不断的对孔壁的刮擦，无形的增大了钻孔的直径，减少了孔壁对钻杆挤压和摩擦，从而较好解决了卡钻的问题，也方便取样。

第三，加大了水口的尺寸（见图1，2之图例9），这就保证了钻井液顺畅循环、加快了钻进速度。该钻头的构造及图2示如下。

5 验证效果

利用“新钻头”重新钻探，共验证了51个钻孔，历时57天，就完成了本次勘查任务，钻进速度快；钻孔最深至170m，没有发生卡钻现象；岩芯取样方便，取样合格率在95%以上，此外，本次勘查损耗的钻头只有10个，有效降低了勘查成本。采用新工艺钻探明显大大优越于传统工艺。因此，课题研究取得了巨大成功，取得了明显的经济效益。