多工藝空氣潛孔錘鉆進技術在礦區(qū)勘察中的應用

1、多工藝空氣潛孔錘鉆進技術在礦區(qū)勘察中的應用 2009.3.292009.3.29吉林大學建設工程學院吉林大學建設工程學院2009-3-29研究意義和背景研究意義和背景 多工藝空氣潛孔錘鉆進技術是當今世界范圍內最多工藝空氣潛孔錘鉆進技術是當今世界范圍內最有發(fā)展前景和廣泛應用的鉆探與施工技術之一。它采有發(fā)展前景和廣泛應用的鉆探與施工技術之一。它采用壓縮空氣作為動力介質和沖洗介質，采用沖擊回轉用壓縮空氣作為動力介質和沖洗介質，采用沖擊回轉鉆進工藝碎巖。鉆進工藝碎巖。 本項目對復雜地層勘探技術進行深入研究，采用本項目對復雜地層勘探技術進行深入研究，采用多工藝潛孔錘鉆進技術的集成化，綜合治理，針對地多工

2、藝潛孔錘鉆進技術的集成化，綜合治理，針對地層變化，采取相適應的鉆進方法和鉆進工藝，解決層變化，采取相適應的鉆進方法和鉆進工藝，解決河河南欒川鉬礦南欒川鉬礦極復雜地層中的面臨的生產(chǎn)勘探難題。同極復雜地層中的面臨的生產(chǎn)勘探難題。同時，也為解決復雜地層鉆探技術難題提供了新的思路時，也為解決復雜地層鉆探技術難題提供了新的思路。一一. 研究的意義和背景研究的意義和背景2009-3-29 復雜地層是指受地質構造運動，使巖層產(chǎn)生節(jié)復雜地層是指受地質構造運動，使巖層產(chǎn)生節(jié)理、裂隙、裂縫、斷層；以及受外力作用影響，產(chǎn)理、裂隙、裂縫、斷層；以及受外力作用影響，產(chǎn)生了不同程度的孔內坍塌、漏失和漏、涌、塌同時生了不同

3、程度的孔內坍塌、漏失和漏、涌、塌同時發(fā)生的現(xiàn)象，復雜地層勘探也是鉆探界的一項技術發(fā)生的現(xiàn)象，復雜地層勘探也是鉆探界的一項技術難題。難題。 復雜地層地質勘探復雜地層地質勘探一一. 研究的意義和背景研究的意義和背景2009-3-29 河南欒川鉬礦是河南欒川鉬礦是亞洲最大的露天鉬礦之一亞洲最大的露天鉬礦之一。礦區(qū)內的地。礦區(qū)內的地質結構復雜，巖層間夾有松散的破碎帶，更為嚴重的是爆破質結構復雜，巖層間夾有松散的破碎帶，更為嚴重的是爆破或空區(qū)塌陷造成孔內裂隙縱橫交錯、嚴重漏失，屬于典型的或空區(qū)塌陷造成孔內裂隙縱橫交錯、嚴重漏失，屬于典型的硬、碎、碎、坍、塌、漏硬、碎、碎、坍、塌、漏的復雜地層。的復雜地層

4、。 該礦區(qū)最早采用地下開采，無序的開采所形成的地下空該礦區(qū)最早采用地下開采，無序的開采所形成的地下空區(qū)星羅密布。目前已轉為露天開采，近年來隨著開采平面越區(qū)星羅密布。目前已轉為露天開采，近年來隨著開采平面越來越接近采空區(qū)，空區(qū)塌陷時有發(fā)生，使本已復雜的地層更來越接近采空區(qū)，空區(qū)塌陷時有發(fā)生，使本已復雜的地層更加嚴重，也使勘探工作變得更加困難。加嚴重，也使勘探工作變得更加困難。 采用常規(guī)鉆探技術或單一的鉆探方法無法進行勘探施工采用常規(guī)鉆探技術或單一的鉆探方法無法進行勘探施工，因此，解決該礦區(qū)的復雜地層鉆進技術難題，對提高鉆探，因此，解決該礦區(qū)的復雜地層鉆進技術難題，對提高鉆探技術水平具有重要意義，

5、也對類似復雜地層的勘探起到示范技術水平具有重要意義，也對類似復雜地層的勘探起到示范作用。作用。二二. 礦區(qū)概況礦區(qū)概況礦山概況礦山概況2009-3-29雄偉廣袤的三萬噸采礦場一角雄偉廣袤的三萬噸采礦場一角2009-3-29河南欒川鉬礦區(qū)露天采礦場河南欒川鉬礦區(qū)露天采礦場2009-3-29露天采礦大爆破露天采礦大爆破2009-3-29鉬礦區(qū)復雜的地層情況鉬礦區(qū)復雜的地層情況塌方區(qū)塌方區(qū)2009-3-29 1. 1. 解決礦區(qū)復雜地層存在的鉆探技術難題，提解決礦區(qū)復雜地層存在的鉆探技術難題，提高鉆孔成孔率，探明下部地層存在的采空區(qū)和盲高鉆孔成孔率，探明下部地層存在的采空區(qū)和盲空區(qū)，及時排除生產(chǎn)過程

6、中存在的安全隱患；空區(qū)，及時排除生產(chǎn)過程中存在的安全隱患； 2. 2. 探明露天開采設計區(qū)域內礦體產(chǎn)狀、空間位探明露天開采設計區(qū)域內礦體產(chǎn)狀、空間位置、礦石質量及夾石分布情況，為計劃生產(chǎn)提供置、礦石質量及夾石分布情況，為計劃生產(chǎn)提供詳實的地質資料。詳實的地質資料。礦區(qū)勘探主要目的礦區(qū)勘探主要目的二二. 礦區(qū)概況礦區(qū)概況2009-3-29地質勘探鉆孔任務設計地質勘探鉆孔任務設計 勘探網(wǎng)度勘探網(wǎng)度252525m25m， 鉆孔分布在多個水平面上鉆孔分布在多個水平面上，鉆孔每，鉆孔每2m2m取一個樣，用于鉬礦品位分析，并取一個樣，用于鉬礦品位分析，并提供地下采空區(qū)頂、底板準確深度。鉆孔設計深提供地下采

7、空區(qū)頂、底板準確深度。鉆孔設計深度度6060100m100m不等，鉆過空區(qū)為止。不等，鉆過空區(qū)為止。 二二. 礦區(qū)概況礦區(qū)概況2009-3-29巖石巖石名稱名稱容重容重（g/cmg/cm3 3）吸水率吸水率（% %）抗壓抗壓強度強度（MPaMPa）彈性常數(shù)彈性常數(shù)（GPaGPa）抗拉強度抗拉強度（MPaMPa）抗剪強度抗剪強度（MPaMPa）可鉆可鉆性性研磨研磨性性石英巖石英巖2.682.6824024080801010303020206060IXIXV V透輝巖透輝巖3.43.42802806060101030304 4VIIVIIV V矽卡巖矽卡巖3.213.210.190.1912412

8、480808.78.71.81.8IXIXV V斜長巖斜長巖2.962.960.30.314414460608.98.91.31.3VIIIVIIIV V礦區(qū)內巖石的物理性質礦區(qū)內巖石的物理性質二二. 礦區(qū)概況礦區(qū)概況 礦區(qū)內的巖石可鉆性達礦區(qū)內的巖石可鉆性達7 79 9級，研磨性達級，研磨性達5 5級級，是典型的硬、脆、磨地層。，是典型的硬、脆、磨地層。2009-3-29礦區(qū)內存在的鉆探技術難題礦區(qū)內存在的鉆探技術難題二二. 礦區(qū)概況礦區(qū)概況 1. 1. 地層構造結構復雜，巖石可鉆性在地層構造結構復雜，巖石可鉆性在8 81010級，且研磨性級，且研磨性強，鉆進效率低鉆具、磨損嚴重、強，鉆進效

9、率低鉆具、磨損嚴重、 ； 2. 2. 地層裂隙發(fā)育，空區(qū)塌方區(qū)分布面積較大，該區(qū)域內所地層裂隙發(fā)育，空區(qū)塌方區(qū)分布面積較大，該區(qū)域內所形成的塌陷狀地層結構極其復雜，鉆孔施工過程中，坍塌、形成的塌陷狀地層結構極其復雜，鉆孔施工過程中，坍塌、掉塊、漏失情況時有發(fā)生。為典型的掉塊、漏失情況時有發(fā)生。為典型的“難成孔、難鉆進、難難成孔、難鉆進、難取樣取樣”地層；地層； 3. 3. 礦區(qū)生產(chǎn)進度較快，需要相應的高效率的勘探手段進行礦區(qū)生產(chǎn)進度較快，需要相應的高效率的勘探手段進行超前勘探、分析化驗樣品，從而指導現(xiàn)場的生產(chǎn)。超前勘探、分析化驗樣品，從而指導現(xiàn)場的生產(chǎn)。2009-3-29貫通式潛孔錘反循環(huán)連續(xù)

10、取心（樣）鉆進技術貫通式潛孔錘反循環(huán)連續(xù)取心（樣）鉆進技術潛孔錘跟管鉆進技術潛孔錘跟管鉆進技術CSRCSR中心取樣鉆進技術中心取樣鉆進技術 三三. 鉆探工藝方法的選擇鉆探工藝方法的選擇鉆探工藝方法鉆探工藝方法 綜合對比分析，多工藝空氣潛孔錘鉆進技術能有效綜合對比分析，多工藝空氣潛孔錘鉆進技術能有效地解決該礦區(qū)鉆探的地解決該礦區(qū)鉆探的“三難三難”問題，是露天礦山地質勘問題，是露天礦山地質勘探的首選鉆探工藝方法。探的首選鉆探工藝方法。2009-3-29 該技術集該技術集潛孔錘沖擊回轉高速碎巖鉆進、流體潛孔錘沖擊回轉高速碎巖鉆進、流體介質（氣、液、固多相介質）全孔反循環(huán)、鉆進介質（氣、液、固多相介質

11、）全孔反循環(huán)、鉆進過程中連續(xù)獲取巖礦心（樣）過程中連續(xù)獲取巖礦心（樣）三項鉆孔工藝于一三項鉆孔工藝于一體，是一種先進的鉆探技術。體，是一種先進的鉆探技術。 貫通式潛孔錘反循環(huán)技術概況貫通式潛孔錘反循環(huán)技術概況三三. 鉆探工藝方法的選擇鉆探工藝方法的選擇2009-3-29雙通道鉆桿雙通道鉆桿排渣管排渣管雙通道氣水龍頭雙通道氣水龍頭反循環(huán)取芯鉆頭反循環(huán)取芯鉆頭進氣管進氣管反循環(huán)機理反循環(huán)機理2009-3-29底噴孔鉆頭（上）內噴射孔鉆頭（下）底噴孔鉆頭（上）內噴射孔鉆頭（下）流場模擬效果圖流場模擬效果圖三三. 鉆探工藝方法的選擇鉆探工藝方法的選擇2009-3-29底噴孔取樣鉆頭 內-底噴孔取樣鉆頭

12、 內噴孔取樣鉆頭模擬試驗證明：模擬試驗證明： 具有內噴射孔的反循環(huán)鉆頭更適用于復雜地層具有內噴射孔的反循環(huán)鉆頭更適用于復雜地層三三. 鉆探工藝方法的選擇鉆探工藝方法的選擇2009-3-291 1、空氣反循環(huán)鉆進、利于環(huán)保；、空氣反循環(huán)鉆進、利于環(huán)保；2 2、配合使用貫通式潛孔錘，鉆進效率高；、配合使用貫通式潛孔錘，鉆進效率高；3 3、不提鉆連續(xù)取芯、排渣流暢、巖心質量好；、不提鉆連續(xù)取芯、排渣流暢、巖心質量好；4 4、可壓縮流體熱膨脹性冷卻鉆頭效果好；、可壓縮流體熱膨脹性冷卻鉆頭效果好；5 5、空氣作為流體介質，更適合礦山作業(yè)。、空氣作為流體介質，更適合礦山作業(yè)。三三. 鉆探工藝方法的選擇鉆探

13、工藝方法的選擇貫通式潛孔錘反循環(huán)技術特點貫通式潛孔錘反循環(huán)技術特點2009-3-29三、理論研究與實驗研究三、理論研究與實驗研究 空區(qū)坍塌地層極其復雜，導致孔內事故空區(qū)坍塌地層極其復雜，導致孔內事故頻發(fā)（如：塌孔、掉塊、埋鉆），為預防頻發(fā)（如：塌孔、掉塊、埋鉆），為預防該類事故的發(fā)生，采取的主要技術手段之該類事故的發(fā)生，采取的主要技術手段之一就是：一就是：跟管鉆進跟管鉆進，即邊鉆孔邊下入套管，即邊鉆孔邊下入套管護壁，確保安全、快速的穿過上部破碎地護壁，確保安全、快速的穿過上部破碎地層并保護孔壁后，再采用其他鉆進方法繼層并保護孔壁后，再采用其他鉆進方法繼續(xù)施工。續(xù)施工。偏心跟管鉆進技術偏心跟管鉆

14、進技術2009-3-29三三. 鉆探工藝方法的選擇鉆探工藝方法的選擇2009-3-29CSR中心取樣鉆進技術中心取樣鉆進技術1. 1.可配備普通高風壓潛孔錘，鉆具結可配備普通高風壓潛孔錘，鉆具結構簡單，鉆進效率高；構簡單，鉆進效率高；2. 2.局部反循環(huán)，完整地層取心率高；局部反循環(huán)，完整地層取心率高；缺點：缺點：1. 1.孔底孔底1m1m多正循環(huán)，可能造成混樣。多正循環(huán)，可能造成混樣。2. 2. 地層漏失時無法取樣；地層漏失時無法取樣；2009-3-29四四.鉆探設備和機具鉆探設備和機具2.5MPa/25m32.5MPa/25m3空壓機空壓機GSDIIGSDII型鉆型鉆機機2009-3-29

15、反循環(huán)鉆具反循環(huán)鉆具 （1 1）貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆具系統(tǒng)）貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆具系統(tǒng)主要包括：雙通道水龍頭、雙壁鉆桿、貫通式潛孔錘、專用反循環(huán)鉆頭。主要包括：雙通道水龍頭、雙壁鉆桿、貫通式潛孔錘、專用反循環(huán)鉆頭。其鉆具組合：其鉆具組合：a a）SBZ-89/43SBZ-89/43雙壁鉆桿雙壁鉆桿+GQ89/28+GQ89/28潛孔錘潛孔錘+95+95（9393）反循環(huán)鉆頭；）反循環(huán)鉆頭；b b）SBZ-89/43SBZ-89/43雙壁鉆桿雙壁鉆桿+GQ108/43+GQ108/43潛孔錘潛孔錘+115+115反循環(huán)鉆頭；反循環(huán)鉆頭；c c）SBZ-89/43SBZ-89/43雙壁鉆桿雙壁鉆桿

16、+GQ127/43+GQ127/43潛孔錘潛孔錘+150+150反循環(huán)鉆頭。反循環(huán)鉆頭。 GQ89GQ89潛孔錘和潛孔錘和SBZ89SBZ89雙壁鉆桿雙壁鉆桿 四四.鉆探設備和機具鉆探設備和機具2009-3-29取樣鉆頭取樣鉆頭取心鉆頭取心鉆頭四四.鉆探設備和機具鉆探設備和機具2009-3-291-1-蓋板；蓋板；2-2-鵝頸彎管；鵝頸彎管；3-3-上球軸承；上球軸承；4- 4-軸向密封圈軸向密封圈；5-5-進氣口；進氣口；6-6-下球軸承下球軸承；7-7-外管；外管；8-8-內管；內管；9-9-下下法蘭；法蘭；10-10-下殼體；下殼體；11-11-進進風套；風套；12-12-上殼體。上殼體

17、。雙通道氣水龍頭雙通道氣水龍頭 四四.鉆探設備和機具鉆探設備和機具2009-3-29（2 2）CSRCSR鉆具系統(tǒng)鉆具系統(tǒng) 為了能與為了能與SBZ-89/43SBZ-89/43型雙壁鉆桿相匹配，選用型雙壁鉆桿相匹配，選用HCD34HCD34型潛孔錘，并設型潛孔錘，并設計加工了實現(xiàn)反循環(huán)的交叉接頭。其鉆具組合：計加工了實現(xiàn)反循環(huán)的交叉接頭。其鉆具組合：SBZ-89/43SBZ-89/43型雙壁鉆桿型雙壁鉆桿+95+95（9393、9090）交叉接頭）交叉接頭+HCD34+HCD34型普通高風壓潛孔錘型普通高風壓潛孔錘+95+95鉆頭。鉆頭。 CSR CSR 鉆具鉆具 四四.鉆探設備和機具鉆探設備

18、和機具巖樣入口巖樣入口2009-3-29跟管鉆具跟管鉆具 （2 2）跟管鉆具）跟管鉆具 跟管鉆具包括鉆具和套管。鉆具選用偏心跟管組合：跟管鉆具包括鉆具和套管。鉆具選用偏心跟管組合：115115導向鉆頭導向鉆頭+151+151偏心鉆頭偏心鉆頭+127+127管靴管靴+126+126導向器導向器+HCD44+HCD44潛孔錘潛孔錘+SBZ89/43+SBZ89/43雙壁雙壁鉆桿。鉆桿。跟管跟管鉆具鉆具 四四.鉆探設備和機具鉆探設備和機具2009-3-29套管套管 四四.鉆探設備和機具鉆探設備和機具2009-3-29拔管機拔管機 拔管機的最大起拔管機的最大起拔力為拔力為50KN50KN、起、起拔行程

19、拔行程500mm500mm；通孔直徑通孔直徑168/178mm168/178mm。 四四.鉆探設備和機具鉆探設備和機具2009-3-29四四. 應用效果應用效果地層概況地層概況 該礦區(qū)屬于典型的該礦區(qū)屬于典型的硬、脆、碎、磨、漏、易漏失硬、脆、碎、磨、漏、易漏失復雜地層。復雜地層。 2009-3-29完整地層取心鉆進完整地層取心鉆進良好的反循環(huán)效果良好的反循環(huán)效果 2009-3-29反循環(huán)上返的巖心反循環(huán)上返的巖心 2009-3-29鉆進現(xiàn)場鉆進現(xiàn)場 堅硬、破碎地層取樣鉆進堅硬、破碎地層取樣鉆進2009-3-29復雜的工作環(huán)境復雜的工作環(huán)境 堅硬、破碎地層取樣鉆進堅硬、破碎地層取樣鉆進2009

20、-3-29堅硬、破碎地層鉆進試驗堅硬、破碎地層鉆進試驗 2009-3-29反循環(huán)上返的巖樣反循環(huán)上返的巖樣 2009-3-29破碎、松散地層鉆進破碎、松散地層鉆進 礦山主干路礦山主干路2009-3-292009-3-29 前期試驗存在的問題前期試驗存在的問題1. 1. 地層破碎嚴重，孔內頻繁發(fā)生坍塌、掉塊。采用非地層破碎嚴重，孔內頻繁發(fā)生坍塌、掉塊。采用非外平貫通式潛孔錘鉆具組合時，發(fā)生埋鉆事故；外平貫通式潛孔錘鉆具組合時，發(fā)生埋鉆事故；采用采用 89mm 89mm外平式鉆具時，鉆進效果良好，但因塌外平式鉆具時，鉆進效果良好，但因塌孔容易引發(fā)的夾鉆事故，而鉆機扭矩和提升能力不孔容易引發(fā)的夾鉆事

21、故，而鉆機扭矩和提升能力不足；足；3. 3. 坍塌地層巖石堅硬，研磨性強，鉆頭磨損嚴重，單坍塌地層巖石堅硬，研磨性強，鉆頭磨損嚴重，單獨采用獨采用GQ89GQ89潛孔錘鉆進，效率低，鉆具壽命短。潛孔錘鉆進，效率低，鉆具壽命短。2009-3-292009-3-29GSDIIIGSDIII2009-3-29極復雜孔極復雜孔ZK2152ZK2152 2009-3-292009-3-29跟管鉆進試驗研究跟管鉆進試驗研究 跟管鉆進現(xiàn)場跟管鉆進現(xiàn)場 2009-3-292009-3-292009-3-29跟管鉆進試驗情況跟管鉆進試驗情況孔號孔號孔深（孔深（m m）套管深度（套管深度（m m）套管直徑（套管直

22、徑（mmmm）TK-01TK-0140.040.025.525.5146146TK-02TK-0239.039.028.528.5146146ZK2152ZK215264.564.59.09.0146146ZK9011ZK901196.096.015.015.0146146ZK9012ZK901296.096.019.519.5146146ZK9112ZK911299.099.018.018.0146146ZK9013ZK9013100.2100.221.021.0146146TK0201TK020121.021.012.012.0146146TK0202TK020211.011.07.57.

23、5146146TK109TK10917.517.57.57.5146146TK001TK00119.019.012.012.0146146TK-0901TK-0901303016.016.0146146TK-0902TK-0902323219.519.5146146TK-0903TK-0903141412.012.0146146TK-0904TK-090419.519.515.015.0146146TK-0905TK-090522229.09.0146146跟管鉆進試驗數(shù)據(jù)跟管鉆進試驗數(shù)據(jù)2009-3-29四、生產(chǎn)性試驗研究四、生產(chǎn)性試驗研究空區(qū)勘探及處理空區(qū)勘探及處理 空區(qū)勘探與探測空區(qū)勘探

24、與探測2009-3-29四、生產(chǎn)性試驗研究四、生產(chǎn)性試驗研究空區(qū)處理后塌陷現(xiàn)場空區(qū)處理后塌陷現(xiàn)場 2009-3-29空區(qū)探測數(shù)據(jù)空區(qū)探測數(shù)據(jù)孔號孔號實際實際孔深孔深(m)(m)空區(qū)空區(qū)頂板頂板(m)(m)空區(qū)空區(qū)底板底板(m)(m)空區(qū)空區(qū)高度高度(m)(m)孔號孔號實際實際孔深孔深(m)(m)空區(qū)空區(qū)頂板頂板(m)(m)空區(qū)空區(qū)底板底板(m)(m)空區(qū)空區(qū)高度高度(m)(m)TK01TK0140.040.040.040.059.559.519.519.5TK109TK10917.517.517.517.524.024.06.56.5TK02TK0239.039.039.039.075.075

25、.034.034.0TK001TK00119.019.019.019.019.519.50.50.5TK04TK0415.015.015.015.02.22.217.217.2TK002TK00251.551.551.551.554.554.53.03.0TK05TK0542.042.042.042.068.068.026.026.0TK003TK00334.534.534.534.555.555.521.021.0TK06TK0645.045.045.045.058.058.013.013.0TK004TK00448.048.048.048.061.061.013.013.0TK08TK08

26、14.014.014.014.016.616.62.62.6TK005TK00535.035.035.035.045.045.010.010.0TK09TK0971.071.071.071.086.586.515.515.5TK007TK00710.510.510.510.511.011.00.50.5TK10TK1042.042.042.042.054.654.612.612.6TK008TK0089.09.09.09.010.010.01.01.0TK0201TK020121.021.021.021.024243.03.0TK0902TK09023232323239397 7TK0202T

27、K020211.011.011.011.012.312.31.31.3TK0903TK09031414141415151.01.0TK2601TK260147.047.047.047.049.049.02.02.0TK0904TK090419.519.519.519.520.520.51.01.0TK2602TK260233.533.533.533.548.048.014.514.5TK0905TK09052222222226264.04.02009-3-29 結合河南欒川鉬礦具體地層情況，采用了以結合河南欒川鉬礦具體地層情況，采用了以空氣作為循環(huán)介質，以貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進空氣作為循環(huán)介質，以貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進技術為主、輔以跟管鉆進、技術為主、輔以跟管鉆進、CSRCSR鉆進的集成化鉆鉆進的集成化鉆進技術，在常規(guī)鉆進方法無法成孔的復雜地層進進技術，在常規(guī)鉆進方法無法成孔的復雜地層進行了生產(chǎn)性試驗，完成了行了生產(chǎn)性試驗，完成了4444個個鉆孔，其中有鉆孔，其中有2424個個鉆孔鉆遇空區(qū)，最大采空區(qū)高度鉆孔鉆遇空區(qū)，最大采空區(qū)高度34.034.0米米，累計完，累計完成成20802080