青海省锡铁山矿区坑道钻探技术研究

摘要

近几年，锡铁山主矿带逐步进入深部找矿，在矿井下主要借助坑道钻探查明深部矿床分布与储量，在实施坑道钻探过程中面临机场硐室支护、破碎地层钻进、水敏地层护壁取心、涌水地层处理等挑战，如果处理不当会造成机场硐室掉块、坍塌，钻孔出现卡钻、埋钻、坍塌等事故，严重时造成钻孔报废，制约了找矿进程。针对上述复杂地层钻进技术难点，开展加强硐室支护、选择合理钻进参数、优化钻孔结构、制定复杂地层冲洗液配方以及使用速凝水泥封堵等技术措施研究，保障了坑道机场的施工安全，有效解决了该区多种复杂地层的钻进难题，降低了孔内事故发生率和钻孔报废率，提高了钻探效率和钻探质量，为后续相似地层钻探施工提供了参考。

关键词

坑道钻探; 破碎地层; 水敏地层; 涌水地层; 钻进参数; 冲洗液; 锡铁山矿区

0 引言

锡铁山矿区位于青藏高原腹地，柴达木盆地北缘中段^［1］，该区干旱、少雨、蒸发强烈、日照充足，昼夜温差大，植被稀疏，具有典型的高原沙漠性气候。区内锡铁山铅锌矿是西部矿业股份有限公司下属的重要大型矿床，是我国规模最大的铅锌矿之一^［2］。目前主矿区浅部矿产已经开采殆尽，为满足矿山后续生产的资源需求，逐步转入深层采矿，而深部矿产资源尚未完全调查清楚，故近几年西部矿业加大对锡铁山主矿区深部找矿力度，借助坑道钻探手段及早探明深部矿床分布以及储量，为后续矿床开采提供科学依据。

坑道钻探受作业空间、巷道通风等影响，存在的安全隐患多，施工条件差^［3-5］，所以从事坑道钻探的施工队伍较少，专业技术水平参差不齐。从锡铁山历年实施的坑道钻探情况来看，施工队伍主要使用无固相和低固相冲洗液，遇到水敏地层不及时调整钻进参数与冲洗液性能，遇到涌水地层不处理或处理不及时、不得当，导致发生各种孔内事故，找矿效果不理想。由于该区坑道内地质条件复杂^［6］，尤其在实施中深孔过程中往往多种复杂地层并存，施工难度大，钻孔报废率高，先后有多家施工单位在此施工，因无法突破技术“瓶颈”而遗憾离场，找矿进度一度停滞不前。本文结合矿区地层实际情况，着重解决水敏地层尤其是大厚度水敏地层、涌水地层以及涌水地层与水敏地层并存的复杂地层的钻进问题，减少孔内事故发生率，提高钻孔质量和成孔率，提高钻进效率。

1 概况

1.1 项目概况

当前锡铁山深部找矿已进入详查阶段，设计钻探工作量在20000 m以上，目前矿山底层已开采至2462（高程2462 m）中段，而硐口高程3100 m，矿井最底部为2222中段，垂直高差878 m，距离地表较深，因此在矿井下实施坑道钻探更为经济合理。坑道钻孔主要布置在2402~2222中段，设计孔深300~1000 m，最深钻孔达990 m，前期钻探资料显示该矿区地层较为复杂，尤其孔深在600 m以深时钻探施工难度较大，有时出现钻孔报废现象，施工进度缓慢，无法保障按时完成任务。

1.2 地质概况

锡铁山铅锌矿床位于柴达木盆地北缘。该地区出露地层由老至新为^［1，7］：

（1）下元古界达肯大板群（Pt_ldk）：主要分布于北部，岩性为斜长片麻岩、白云石英片岩、二云片岩及混合岩化斜长角闪岩等深变质岩系。

（2）上奥陶统滩涧山群（O₃tn）：是本区分布最广，发育较好的区域变质岩系。主要为一套浅海相中基性-酸性火山喷发熔岩，火山碎屑岩夹沉积岩及少量碳酸盐岩的绿片岩系。锡铁山铅锌矿床的赋矿层位主要为其下部的正常沉积岩系，其次为中基性火山碎屑岩组。

（3）上泥盆统阿木尼克组（D₃a）：沿锡铁山沟至断层沟一带断续分布，岩性为紫红色复成份砂岩、细砾岩夹砂岩透镜体。

（4）下石碳统城墙沟组（C₁c）：为红色、黄色粉砂岩、细砂岩夹泥质灰岩。

（5）本区南侧为柴达木盆地北缘，断续分布有第三系（N）砖红色、黄褐色砂岩、含砾砂岩及砾岩，其次为大片第四系覆盖层。

从已钻取的岩心看，勘查区地层大部分为片岩，岩石平均可钻性为7级，硬度大都在中硬以下，中等研磨性。

2 施工中存在的技术挑战

（1）机场支护难度大：坑道机场大小主要有5 m×5 m×6 m（宽×长×高）和6 m×8 m×10 m两种规格，孔深越深需要修筑的机场空间越大，机场规格越大越不利于周边岩石稳定，容易出现掉块、冒顶片帮等安全隐患，相应支护难度也越大。

（2）地层破碎难钻进：区内断裂构造发育，分布有大范围超高压变质带，矿区一带发育有北西向挤压走向断裂、近东西向、北北东向及近南北向横向斜滑断裂^［8］。在构造破碎带中钻进受地应力等影响，岩心易碎，回次进尺少，取心难度大，钻进过程中易发生掉块、卡钻事故。

（3）水敏地层占比高：从以往钻孔资料显示，该区大部分钻孔含有水敏性地层，厚度从几十厘米至十几米不等，甚至一个钻孔内出现多层。该地层遇水缩径、坍塌、扭矩高，容易抱钻；糊钻、堵塞钻头水口，送水困难，泵压高，易引发烧钻事故^［9-10］；岩心浸水后易被冲蚀，岩心采取率低下；操作不当易造成较大偏斜，影响钻孔质量；处理不当极易引发各种孔内事故，严重时造成钻孔报废。据统计，以往坑道钻探施工钻遇水敏地层（厚5 m以上）时孔内事故发生率在40%以上，钻孔报废率可达14%。因此水敏地层是钻进过程中面临的主要难题，水敏地层如图1所示。

图1  锡铁山水敏地层

Fig.1  Xitieshan water‑sensitive strata

（4）涌水现象频发生：在坑道内实施的钻孔离地表较深，地下水比较丰富，大多钻孔伴有涌水现象。涌水使钻井液变稀释，不利于孔壁稳定，当孔内同时存在水敏地层和涌水层时，水敏层孔壁在水流的冲刷稀释下，钻孔易发生坍塌埋钻事故，加大了钻探施工难度。涌水钻孔如图2所示。

图2  锡铁山涌水钻孔

Fig.2  Xitieshan water gushing bore

3 采取的钻进工艺

针对前期施工中存在的问题，从钻进工艺方面进行了研究改进。

3.1 钻进方法

主要采用Ø76 mm金刚石绳索取心钻进，根据矿区的地层特点，选择相应的钻头、扩孔器。由于地层普遍呈中等研磨性，为提高钻头使用寿命，尽量减少提下钻次数（坑道内由于场地等条件限制提下钻不方便，用时较长，劳动强度高），主要选择耐磨性能好、胎体硬度高（HRC40左右）、金刚石浓度高（≥80%）、粒度细（40~60目）、底唇面平底的孕镶金刚石绳索取心钻头^［11］。水敏性地层可选用大水口和底喷钻头，深孔可选用高胎体钻头。

3.2 钻进参数

通过总结前期的钻探施工经验，结合坑道钻探的特点，充分考虑提高钻头的使用寿命，减少提下钻次数，兼顾钻探效率，通过现场大量的试验对比（以Ø76 mm钻头为统计对象，见表1），最终确定了适合该矿区大部分地层的钻进参数（见表2）。钻进过程中，当遇到较硬地层时，转速与钻压可适当提高；遇到较软地层、水敏地层时钻压、转速适当降低，泵量适当加大；遇到破碎地层时，钻压适当降低^［12］。总之，钻进参数要根据地层的复杂程度适当选取，这样才能有效提高钻进效率。

表1  不同钻进参数下Ø76 mm钻头使用情况

Table 1  Use of drill bits under different drilling parameters

钻头数量/个	钻压 /kN	转速/ (r·min-1)	泵量/ (L·min-1)	平均时效/m	钻头平均寿命/m
4	10~12	600~800	30~40	2.42	82
5	10~12	600~800	40~50	2.58	103
6	10~12	600~800	50~60	2.85	135
8	10~12	600~800	60~70	3.01	154
5	10~12	600~800	70~80	3.05	152
4	10~12	300~400	60~70	2.25	173
5	10~12	400~500	60~70	2.43	165
8	10~12	500~600	60~70	2.81	160
6	10~12	600~700	60~70	2.97	153
5	10~12	700~800	60~70	3.10	135
4	7~9	600~800	60~70	2.65	158
6	9~10	600~800	60~70	2.86	155
10	10~11	600~800	60~70	2.94	142
9	11~12	600~800	60~70	3.03	126
6	12~13	600~800	60~70	3.12	117

表2  钻进参数

Table 2  drilling parameters

钻进参数	钻头规格
	Ø76 mm	Ø96 mm	Ø122 mm
钻压/kN	9~11	11~14	14~16
转速/（r·min-1）	550~700	300~600	250~500
泵量/（L·min-1）	60~80	80~100	100~120

3.3 钻孔结构

该矿区要求终孔口径≮75 mm，在满足终孔口径的前提下尽量简化钻孔结构，防止钻孔过大偏斜^［13］。在坑道内施工，开孔即为基岩，由于受到爆破、地应力等影响，表面基岩比较破碎，有时深达几十米，遂采用三级成孔（如图3所示）。

图3  钻孔结构示意

Fig.3  Schematic diagram of borehole structure

一开采用Ø122 mm钻头穿过表面破碎层，下入Ø114 mm套管6~9 m（具体视地层情况确定）。

二开采用Ø96 mm金刚石绳索取心钻进至稳定基岩，下入Ø89 mm套管60~120 m（套管深度视地层情况确定）。

三开采用Ø76 mm金刚石绳索取心钻进至终孔。

在设计孔深比较浅（300 m以浅）、岩石完整的情况下钻孔结构可简化为二级。

4 难点分析与采取的措施

4.1 机场硐室支护

钻探施工所需机场硐室空间大、开挖断面大，离地表较深，受地应力、爆破、钻机震动、地下水等影响，易发生掉块、冒顶片帮等安全隐患，因此需要加强机场支护。根据硐室围岩（围岩等级Ⅲ级）的稳定程度选择挂网锚喷支护^［14-15］，施工顺序为：平整硐室围岩，钻孔，锚杆制作、安装，锚固灌浆，第一次喷射混凝土，养护，钢筋网制作、挂网，第二次喷射混凝土，养护。锚杆选用Ø22 mm×2400 mm的左旋高强无纵筋锚杆，密度1.2根/m²，喷射混凝土配比为水泥体积∶沙子体积∶石子体积=1∶2∶2。初始喷射混凝土厚度30~50 mm，最终喷射混凝土厚度≮250 mm，现场硐室锚喷支护如图4所示。

图4  锚喷支护硐室

Fig.4  Bolting and shotcreting supporting chamber

4.2 破碎地层钻进方法

受断裂构造、地应力等影响，地层岩石有一部分较为破碎，该层容易堵塞内管，回次进尺少，有时只能取心20~30 cm，岩心采取率低，钻进效率低，容易发生掉块、卡钻事故。破碎地层取心钻进效率低下一直以来尚未得到有效解决^［16］，对现场破碎地层的反复试验研究发现，钻压过大，岩石易碎，产生的碎屑容易堵塞内管和水路，造成憋泵、回次进尺少、岩心对磨等现象。泵量过大会加大对岩心和孔壁的冲蚀，加大掉块几率，降低岩心采取率。通过不断的调整钻进参数，提高冲洗液的润滑性能和防塌性能，合理调整卡簧座与钻头内台阶距离收到了良好的效果。

（1）钻进参数（Ø76 mm绳索取心钻进）：钻压5~8 kN，转速400~600 r/min，泵量30~50 L/min。

（2）冲洗液配比：1 m³水+2%钠基膨润土+0.5%高粘羧甲基纤维素钠（HV-CMC）+1%磺化沥青+0.04%PAC-141+0.1%烧碱+0.05%皂化油润滑剂。

（3）破碎地层适当调小金刚石绳索取心钻头内台阶与卡簧座（选用底部不带水口卡簧座）底端的间隙，一般为2 mm左右，可提高回次进尺。钻进过程中在不憋泵也不进尺的情况下应立即打捞岩心，防止岩心对磨，降低岩心采取率。

破碎地层钻进工艺改变前后效果对比见表3。

表3  Ø76 mm绳索取心钻进破碎地层工艺改变前后对比

Table3  Comparison of Ø76mm rope core drilling technology before and after changes in fractured formations

钻进工艺	钻进参数			回次进尺/m	岩心采取率/%	小时效率/m	掉块、卡钻情况
	钻压/kN	泵量/（L·min-1）	转速/(r·min-1)
工艺改变前	10~12	40~70	500~800	0.2~0.8	75	0.6	时有
工艺改变后	5~8	30~50	300~600	1.2~1.8	90	1.5	基本没有

4.3 水敏地层处理方法

水敏地层钻进是本矿区施工过程中面临的主要技术难题^［17-18］。通过总结以往的施工经验，结合室内试验与现场应用，经过长时间的探索改进，主要从冲洗液、操作方法、钻进参数等方面着手解决。

（1）钻进参数：在正常钻进过程中，若遇到泵压突然升高，扭矩突然增大，进尺缓慢的情况，可大致判断钻遇了水敏地层，要及时调整钻进参数和冲洗液性能。钻遇水敏地层后，容易发生抱钻、烧钻事故，钻压、转速、泵压应适当降低，采取的钻进参数见表4。

表4  Ø76 mm绳索取心钻进水敏地层钻进参数

Table 4  Drilling parameters for Ø76mm rope core drilling in water sensitive formations

钻压/kN	转速/（r·min-1）	泵量/（L·min-1）
2~5	200~400	30~50

钻头使用胎体硬度大（HRC≥40）、水口大且深的金刚绳索取心钻头（可在已有钻头基础上扩大水口面积和高度），防止憋泵、糊钻现象。

（2）冲洗液配制：对于水敏地层应尽量减少钻井液对地层的渗水，增强孔壁岩土的抗水敏性^［19-20］，因此钻遇水敏地层要及时调整冲洗液性能，调整后的冲洗液应具有抑制性好、滤失量小、防塌效果好等性能，还要满足固相含量低、防止钻杆结垢的特点。针对该矿区水敏地层，经过试验应用，确定了粗分散低固相钾基冲洗液，能成功钻穿水敏层。

冲洗液配方：1 m³水+3%钠基膨润土+1.5%KCl+0.5%K21防塌剂+1%磺化沥青+0.5%高粘羧甲基纤维素钠（HV-CMC）+0.03%PAC-141+0.1%烧碱。冲洗液性能指标见表5。

表5  冲洗液性能

Table 5  Performance of flushing liquid

漏斗粘度/s	表观粘度/（mPa·s）	塑性粘度/（mPa·s）	胶体率/%	失水量/[mL·(30min）-1]	密度/（g·cm-3）	pH值
35	18.2	15.1	98	8.5	1.05	9.5

（3）钻进注意事项：在操作过程中需时刻注意泵压表变化，泵压过高要及时上顶钻具，穿过水敏地层后，若泵压依然较高，则需要将该孔段来回多扫几次，保持泵压正常后再继续钻进。

钻穿水敏地层至稳定基岩2~3 m，视孔深、埋深、孔内地层复杂程度决定是否下入套管。

当水敏等不稳定地层埋深在300 m以内，且小于设计孔深的2/3，孔内地层情况十分复杂时，则首先考虑通过扩孔下入技术套管。反之，若复杂地层较深或离设计孔深较近，下入套管不经济实用时，可加强泥浆维护继续钻进或通过水泥封堵的方法进行处理。

4.4 涌水地层和水敏地层并存的钻进方法

该矿区坑道内地下水丰富，钻孔涌水现象严重，涌水量可达9 L/min，涌水使冲洗液变稀释，性能下降，不利于孔壁稳定^［21］，给钻探施工造成很大麻烦^［22］。当钻孔岩石相对完整，涌水层对钻进影响不大，只需在已有冲洗液基础上加入重晶石粉提高密度，使地层涌水量变小甚至不涌水。当遇到孔内同时存在涌水层和水敏地层时，钻进十分困难。当涌水层和水敏地层埋深较浅，则首先考虑下入技术套管隔离，若埋深较深则用水泥封堵，具体处理方法如下：

（1）加大冲洗液密度。在水敏地层冲洗液的基础上加入重晶石粉，使冲洗液密度保持在1.2 kg/L左右，冲洗液配方：1 m³水+3%钠基膨润土+1.5%KCl+0.5%K21防塌剂+1%磺化沥青+0.5%高粘羧甲基纤维素钠（HV-CMC）+0.03%PAC-141+0.1%烧碱+2%~5%重晶石粉。

（2）钻穿水敏地层。按水敏地层的钻进参数及操作方法进行钻进，要及时测定冲洗液性能指标，被稀释后及时补充，钻穿水敏地层进入完整地层2~3 m进行水泥封堵。

（3）水泥封堵。由于水敏地层冲洗液在涌水层的不断稀释下，维护十分困难，长时间钻进容易引发孔内事故，为彻底消除孔内事故隐患，用水泥封堵该孔段最为有效。为提高钻进效率，缩短水泥凝固时间并防止涌水层将水泥冲出孔外，通过反复试验，选用标号425以上水泥，加入速凝剂（水玻璃）4%、重晶石粉5%，配成0.5∶1水泥浆进行灌注，灌注完成24 h后即可扫孔钻进。

5 施工效果

通过对锡铁山坑道钻探存在的难题进行深入分析研究，反复试验，制定了相应的技术措施，克服了许多难题，孔内事故发生率控制在10%以下，钻孔报废率大为降低，从14%降低到5%左右，钻进效率整体提高了30%以上，超额完成年度工作量，加快了找矿进程，年完成钻探工作量6000 m以上，为锡铁山深部找矿做出了巨大贡献。

（1）通过科学的硐室支护方法，坑道钻探生产更为安全，消除了机场内存在的落石、冒顶片帮等安全隐患，在后续钻探工作中未发生因支护不当而造成的安全生产事故。

（2）针对不同地层选用不同的钻进参数、相应的冲洗液配方及规范操作方法，减少了孔内事故的发生，提高了复杂地层岩心采取率15%左右，降低了钻孔偏斜率，提高了钻进效率。

（3）解决了水敏地层钻进困难的现状，制定了粗分散低固相钾基冲洗液方案，有效抑制了水敏地层的缩径、坍塌，提高了钻孔质量与成孔率。

（4）通过加大冲洗液密度处理涌水地层，解决了冲洗液被快速稀释的问题，可使冲洗液保持长时间的性能稳定。当孔内同时存在涌水地层和水敏等复杂地层时，用速凝水泥封堵的方法，消除了诸多事故隐患，使后续钻探生产变得更加顺利。