贵州贞丰水银洞金矿坑道钻探施工技术

畅利民,郝海洋,谭代卫,杨宇,班金彭,陈群

（¹贵州省地质矿产勘查开发局一一五地质大队 贵州 清镇 551400; ²贵州地矿德诚建设工程公司 贵州 清镇 551400; ³贵州省地质矿产勘查开发局一〇五地质大队 贵州 贵阳 550018）

摘要

介绍了贵州贞丰水银洞金矿的工程概况，基于所实施的坑道钻孔，重点总结了适合该区坑道钻探技术工艺。对比分析了相邻勘探线上两个钻孔的机械钻速与岩心采取率的情况，指出了KZK5104钻孔岩心采取率低的原因，并在KZK5309施工中改变了钻进工艺，取得了较好的效果。最后探讨了该矿区坑道钻探施工中常遇到的问题，并提出了相应的对策。本文结合所实施的钻孔实例，探讨了适合于贞丰水银洞坑道钻探技术工艺，以期为类似地层条件下的坑道钻孔和该矿区其他坑道钻孔提供技术支持。

关键词：水银洞金矿；坑道钻探；施工难点

Tunnel Drilling Technology and Its Application in Shuiyindong Gold Mine of Zhenfeng in Guizhou Province

Chang Limin^1,2, Hao Haiyang^1,2, Tan Daiwei³,Yang Yu², Ban Jinpeng^1,2, Chen Qun¹

¹115 Geological Team, Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development of Guizhou Province, Qingzhen 551400, China

²Decheng Construction and Engineering Company of Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development of Guizhou Province, Qingzhen 551400, China

³105 Geological Team, Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development of Guizhou Province, Guiyang 550018, China

Abstract

Based on the implemented tunnel holes, tunnel drilling techniques that appropriate for the exploration area are summarized. Comparative investigation of ROP (rate of penetration) and CAR (core adoption rate) of the adjacent prospecting lines was carried out and the reseasones why the CAR of KZK5104 hole was analyzed. Then we changed the drilling technology of KZK5309 hole; It was found that the CAR of KZK5309 hole meet the geological requirements. Finally, the problems encountered in tunnel drilling were discussed, and corresponding countermeasures were put forward. According to the implemented tunnel holes, this paper presents the suitable and useful tunnel drilling technologies, anticipating to provide technical support for tunnel drilling in similar formation conditions and other holes drilling in this gold mine.

Keywords: Shuiyindong Gold Mine; Tunnel Drilling Technology; Drilling Difficulties

0 引言

贵州黔西南素有“中国金州”的美誉^[1]，而该区内贞丰县水银洞金矿是“滇黔桂”金三角地区最具代表性的超大型卡林型金矿床之一^[2]。有效开展金矿资源的勘探工作，对延长矿山开发寿命意义重大。坑道钻探是矿山勘探常用的勘探方法^{[3, 4]}，既能取得好的钻探成果、减少地表环境破坏，又能提高钻探效益、节约钻探施工成本，有助于打造“绿色矿山”^{[5, 6]}。针对水银洞金矿Ia矿体勘探施工中遇到的难题，本文结合所实施的钻孔实例，探讨了适合于贞丰水银洞坑道钻探技术工艺，以期为类似地层条件下的坑道钻孔和该矿区其他坑道钻孔提供技术支持。

1 工程概况

1.1 矿区概况

矿床大地构造位置位于扬子准地台西南缘与华南褶皱带之接合部位，属于兴仁—安龙金矿成矿带之灰家堡金矿田东段，是水银洞超大型金矿床的重要组成部分。区域构造轮廓定型于燕山期，其构造变形组合形式复杂多样，表现为背斜紧密，向斜宽缓的特征。

1.2 矿区地层

贞丰水银洞金矿床的大地构造位置位于华南褶皱系与扬子准地台西南缘的交汇部位。矿区出露地层有三叠统的永宁镇组T₁yn和夜郎组T₁y、上二叠统大隆组P₃d、长兴组P₃c、龙潭组P₃l、峨眉山玄武岩组P₂β、大厂组P₂dc以及下二叠统茅口组P₂m等^[7]。

矿床受控于灰家堡背斜和SBT，矿体主要产于龙潭组P₃l¹地层和SBT中^[8]，为一套不纯的碳酸盐岩与砂岩、粉砂岩的组合，局部含有若干0.05m～0.2m厚的煤线。而本次勘探的Ia矿体发育在龙潭组和茅口组之间的不整合面附近，经沉积作用、构造作用和热液蚀变而成为蚀变体（SBT），SBT主要为硅化角砾状粘土岩（P₃l¹下部）和强硅化角砾状灰岩（P₂m上部）组合^[9]。矿石矿物主要有黄铁矿、毒砂、雌黄和雄黄等；脉石主要有石英、白云石、方解石、萤石等，其中黄铁矿是该区金矿床的主要载金矿物。

2 水银洞坑道钻探施工工艺

2.1 钻孔设计

水银洞坑道勘探钻孔设计孔深80m~190m，井斜角0~50°。终孔孔径≮75mm。钻杆尺寸为Φ89mm×1.5m，Φ71mm×1.5m；套管尺寸为Φ89mm×1.5m；开孔钻头尺寸Φ93mm；终孔钻头尺寸Φ75.5mm。坑内钻探要求硐室必须有足够的空间^[10]，尤其是施工垂直向下孔，要求硐室高度最低为3.8米，而长和宽则满足施工空间即可，一般为3.6m×3.6m。另外还需在硐室或巷道内建立沉淀池和泥浆循环水沟。

钻孔孔身结构一般为：

一开  采用Φ93mm金刚石钻头开孔，钻进深度3米（破碎地层钻至4.5米，以封隔复杂地层^[11]），下Φ89mm定向管，使用42.5^#水泥+5wt.%速凝剂固井；

二开  采用Φ75.5mm金刚石钻头钻至二叠统茅口组P₂m，全段取心，终孔后水泥全段封孔或在孔口安装闸阀（孔内水压大时），对于水文孔要在孔口安装压力测试装置进行压力测试。

2.2 钻孔质量要求

（1）岩心采取率：全孔段岩心采取率≮85%，矿层段岩心采取率≮90%；

（2）钻孔弯曲度：斜孔每50m测量一次顶角和方位角，直孔每100m测量一次顶角和方位角（若存在钻孔偏斜的情况，应测量方位角），直孔顶角和方位角偏差≯1°/100m，斜孔顶角和方位角偏差≯3°/100m；

（3）水文观测：水文孔则要求严格记录观测中出现缩径、掉块、裂隙、涌沙、漏水、涌水、逸气、溶洞等特殊水文现象，必须录孔深位置，出现涌水现象必须停钻取水样测水头高度（压力表测试）并立即通知水文人员。每回次必须测一次动水位，钻孔终孔后必须测至稳定水位；

（4）其他技术要求严格按照《地质调查岩心钻探技术规程》（DD2010-01）执行。

2.3 钻进工艺

2.3.1 取心技术

根据前期所施工的18个钻孔，所研究矿山区域矿体赋存于蚀变岩带，该矿层裂隙发育，伴有小型溶洞，而普通单管钻探工艺进尺效率较低，且孔底存在掉块重复研磨现象，因此首选绳索取心工艺，以实现较高的岩心采取率和降低施工人员劳动强度的目的。

2.3.2 钻机选择

水银洞矿区坑道钻探施工的孔位，主要基于前期地表钻探的勘探成果进行部署。为节约成本和高效快速的探明拥有探矿权区域的金矿矿体，对于采矿权附近的区域，借助采矿巷道的现有条件，主要采用坑道钻探为主的勘探方式。目前有地表钻机应用于坑内钻探的报道^[12]，基于ZDY600SG型钻机具有结构合理、技术性能先进、工艺适应性强、操作省力、安全可靠、解体性好、搬迁方便等优点，适合作业于矿山坑道内的钻探工作，可以满足水银洞金矿坑道钻探的施工要求。

2.3.3 下定向管技术

为提高导管段固井质量，保证水泥环与地层和套管胶结强度，采用以下下定向管施工工艺：在导管段裸眼孔内灌注混合均匀水泥浆（水灰比0.5，速凝剂5wt.%），将定向管下入充满水泥浆的孔内，侯凝48h，待水泥浆充分凝固后，换径则先采用导向钻头钻开水泥塞以下0.5m以保证钻孔轨迹不变，最后采用绳索取心钻进工艺结合普通取心钻进工艺钻至设计孔深。

2.3.4 钻头的选择

根据水银洞矿区的岩石特性，结合经济成本，多选择孕镶金刚石钻头钻进。开孔时利用Φ93mm×0.8m开孔管，钻头为HRC25°的Φ93mm金刚石钻头。绳索取心钻进时，在完整地层采用HRC15~20°的Φ75.5mm的齿轮型唇面金刚石钻头，以延长钻头使用寿命；在蚀变岩较硬矿层内采用HRC5~8°或10~15°的Φ75.5mm胎体较软的锯齿型唇面金刚石钻头，以提高机械钻速；钻头水槽数为8个。取心前的一个钻头要带打捞杯，要修平井底；大排量循环清除井底沉砂，必要时进行短起下钻，保证井底干净、平整、下钻顺利。

2.3.5 钻进技术参数

钻进技术参数主要包括钻压、转速和泥浆泵排量。取心钻进时的钻压必须大于地层岩石的抗压强度，否则将无进尺。若施加钻压过小，钻头牙齿吃入地层少，虽有进尺，机械钻速却很慢，钻头磨损也很快；若施加钻压过大，钻头吃入地层较深，增大了钻机的负荷，亦不利于机械钻速的提高；金刚石钻头主要靠研磨作用破岩，在一定转速下增加钻压，观察钻速的变化，如果钻速不再增加或者增加相当慢，那么可认为此时的钻压为最优钻压。

从理论上讲，在设备能力及钻杆等管材强度允许的情况下，若钻压不变而转速提高，有利于增快钻速，岩心进入内管的时间缩短，有利于提高岩心收获率。但较高的转速会使钻头摆动，增大其横向作用力和钻柱的离心力，不利于保护岩心和钻头；而钻进软底层或者破碎地层时，应适当降低转速。所选择的合理转速，应既能保护岩心，又能维持满意的钻速。

排量应根据钻速的快慢和地层情况来控制。当钻速较高、进尺快时，应适当加大排量，充分的排岩屑。而施工小倾角（大斜度）钻孔时，应增大排量，以清理干净沉降在孔眼底部的岩屑床。

基于水银洞矿区坑道钻探所施工的18个孔的施工情况，总结的钻进参数见下表。

水银洞矿区孕镶金刚石钻头钻进技术参数

2.3.6 封孔技术

前期施工的18个钻孔的封孔质量表明：孔内水源具有轻微腐蚀性，影响导管段固井二界面的封固质量。水泥环-地层界面的胶结好坏对固井质量和封孔效果至关重要^[13-15]。结合现场观察结果，封孔后孔口不漏水，但一段时间后，“定向管-水泥环-地层”这一封固系统内形成了窜流通道，从孔口附近冒出地下水。

由于水银洞矿区地下水丰富，基于前期施工的多个钻孔，孔内某些层位出现涌水现象，个别孔内水压可达0.4~0.6MPa，给钻探施工和后续的封孔作业造成极大的麻烦。因为早期的坑道钻探施工，钻遇含水地层时即停止钻进，因此并未有可靠实用的封孔经验借鉴。为此，对该矿区封孔技术进行了探索。

1) 膨胀胶棒止水。针对孔内的涌水的水文条件，定制了Φ76mm×1.5m的膨胀胶棒，以期胶棒遇水膨胀，从而实现封堵地下水的目的。然而，实际应用中，由于膨胀胶棒的外径不是规则的圆柱体，在下入孔眼过程中遇到了一动的阻力，且在凹陷段即便发生膨胀也不能与孔壁接触，无法形成有效而牢固的密封段。所以，用膨胀胶棒止水封孔效果不佳。

2) 木塞降压，水泥封孔。选用削皮后尺寸为Φ76mm×1.0m的匀称笔直杉树段，用钻杆将木塞推至孔内10m（视具体情况而定）以下，通过木塞的稳固及吸水微膨胀特性，实现降低水压的作用，随后用混有适量促凝剂的水泥浆封孔。现场实践表明，该方法可有效的封固孔内水压较小的钻孔。

3) 木塞降压，安装闸阀。该方法针对水压较大的钻孔，木塞用法与上述相同，只不过木塞下入深度可适当减小，然后在孔口安装闸阀，进行封孔处理。钻进施工时，应注意对定向管孔口丝扣的保护。采用该方法封孔，须经得矿山相关人员的同意方可采纳。

3 实钻施工效果及分析

本研究针对贞丰水银洞金矿矿区1120巷道51线南DS4硐室布设的KZK5104和53线南DS5硐室布设的KZK5309两个坑道钻孔的钻探施工情况，进行了钻探工艺的研究探讨。

3.1 KZK5104坑道钻孔

KZK5104钻孔设计孔深80.00m、倾角90°（直孔）、终孔孔径≮75mm。实际孔深80.34m，全孔岩心采取率94.18%，破碎带岩心采取率83.33%，矿层岩心采取率90.71%。全孔平均机械钻速3.07m/h。

钻至58m后，岩心破碎，裂隙发育，岩心裂缝处有水蚀现象，钻进过程中孔口处涌水。58m~65m段靠近矿层为龙潭组第一段（P3l¹）。从图1机械钻速-孔深曲线可以看出，钻通该层段时，进尺加快，岩心采取率降低。而进入蚀变体SBT后，岩石硬度增大，换用硬度8~10°的钻头钻进，通过降低钻压、转速，降低了钻进速度，使矿层内的岩心采取量增加，从而增大了岩心采取率。

图1 KZK5104钻孔机械钻速和岩心采取率与孔深的关系曲线

通过分析KZK5104钻孔的机械钻速、岩心采取率-孔深曲线可以发现，钻至破碎地层时，如果按照原有的钻进参数施工，由于含有裂隙的孔底岩石抗压强度变低，钻进过程中的机械钻速虽高，但岩心采取率低。从图1中可看出，如果钻进参数调整不及时，机械钻速与岩心采取率呈镜面反对称关系。在实际的施工过程中，由于钻压偏高、泵量稍大，钻进裂隙溶洞发育的破碎带时，钻进参数不易控制，钻头不能均匀地研磨岩石，产生的岩石碎屑易进入卡簧座与钻头内台阶间的间隙，造成憋泵和单回次进尺少，严重时甚至导致损坏钻头、孔内卡钻和跑钻等事故。因此，在KZK5309钻孔施工中，钻遇该套地层时，调整了相应的钻进参数，获得了较好的岩心采取率。

3.2 KZK5309坑道钻孔

KZK5309钻孔设计孔深110.00m、井斜角52°、方位角90°、终孔孔径≮75mm。实际孔深113.4m，全孔岩心采取率96.72%，破碎带岩心采取率96.35%，矿层岩心采取率98.00%。全孔平均机械钻速2.75m/h。

结合KZK5104的钻进裂隙溶洞发育带岩心采取率低的实际情况，KZK5309钻孔钻遇相同层位后^注，为获得较高的岩心采取率，采用了低钻压、低转速和高泵压的钻进参数，虽然降低了机械钻速（2.15m/h），但岩心采取率达到了96%以上（见图2）。进入矿层后，由于孔内水压大，内管下放困难。采用了普通钻进技术，保证了较高的岩心采取率，却使机械钻速降低了27.91%，同时增大了施工人员的劳动强度。因此，在保证岩心采取率的前提下，选择合适的钻进技术对机台时效提高十分重要。

图2 KZK5309钻孔机械钻速和岩心采取率与垂直孔深的关系曲线

3.3 分析讨论

基于相邻勘探线上的两个钻孔，通过钻探工艺的优化组合，提高了KZK5309钻孔的整体岩心的采取率，减少了钻探施工过程中的孔内事故，还保证了勘探钻孔成孔质量。

通过对比两个孔的机械钻速-孔深曲线，可以发现在正常情况下曲线上基本呈现出两个“钻速平台”——3m/h和4.5m/h。也就是说，在设备和地层变化较小时，该矿区的坑道钻探机械钻速有相对稳定的两个数值。探索者两个速率下的钻进参数和钻头类型选择，有益于指导该区后续钻孔的施工，从而实现相对高的机械钻速和获取较高岩心采取率的目的。

对于破碎地层岩心采取率低的难题，有研究者认为是大泵压带来的大排量泥浆对孔底岩石的冲击导致的，然而水银洞矿区地下水丰富，水压偏高，有时甚至出现孔内水压冲击内管导致内管无法上提的现象。基于该矿区的孔底水压条件，笔者认为岩心采取率低的主要原因是：钻进岩石破碎地带，无法像钻进完整地层时“加压割心”，因此最后进入卡簧段的岩心破碎、不完整，上提过程中内管岩心松散而脱落，导致岩心采取率较低。一旦脱落的岩心碎块较多，就会在孔内堆积，导致钻头的重复研磨，严重降低钻进速度。

4. 水银洞矿区坑道钻探施工常见问题及对策

4.1 常见问题

贞丰水银洞金矿矿区1120巷道47线~57线区域地下水丰富，钻孔钻至矿层后，多出现涌水现象，给坑道钻探施工带来了难题。总结该矿区坑道钻探施工中常遇到的问题如下：

①孔底水压大，矿层取心率低。孔底涌水量大，龙潭组第一段裂隙发育，岩石破碎，严重影响着岩心采取率；

②蚀变体岩石硬度大，钻头易消耗。研究表明水银洞金矿矿石中二氧化硅含量在25.25%~49.46%^[16]，矿层多方解石和石英脉，抗压强度可达l03.77～145.20 MPa^[6]，岩石坚硬，为获得较理想的钻速只能换用胎体硬度低的钻头，从而导致钻头使用寿命低；

③孔底水压高，绳索取心困难  采用普通钻进工艺时，频繁起大钻，钻杆丝扣磨损严重，施工人员易疲惫；

④下井时间固定，井下通讯不便，一旦设备出现故障，将影响整个班次的施工进度；

⑤巷道内施工队伍较多，有时候出现交叉施工现象，这样会影响设备搬迁工作而降低台月效率。

4.2 对策

坑道钻探事故不仅影响钻探效率，而且还会增加施工的难度，从而增加经济成本。针对上述总结的坑道钻探问题，应加强施工管理，采取必要的和有效的措施来及时应对：

①各方人员应加强沟通协调，以确保硐室尺寸适合、巷道内通风用电畅通；

②项目管理人员及技术人员应及时跟进施工进度，确保生产所需材料及时供应、遇到钻探技术难题及时解决；

③施工人员应严格执行钻探技术操作规程和交接班制度，具备较强的责任与安全意识；

④项目管理人员应及时与地质人员沟通，达到勘探目的后进行指定的水文地质观测及封孔作业。

5 结论与认识

1）针对贞丰水银洞金矿Ia层实施坑道钻探，可有效实现矿区的勘探目标。

2）通过优化钻进参数和钻头的配合使用，有效的提高了破碎地层的岩心采取率和成孔质量。

3）针对水银洞研究区域钻孔矿层水压高、含水量大的情况，研究和设计出更合理的新技术、新工艺才能有效的解决矿层段钻速低的施工难题。

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