坑内钻施工研究与探讨

2021-07-22李伟刚

中国金属通报 2021年23期

李伟刚

（咸阳西北有色七一二总队有限公司，陕西咸阳 712000）

1 概述

随着矿山及地方环保红线压力越来越大，矿山地表钻探工程随之转为坑内钻探方向，运用坑内钻完成矿山探矿增储、以钻代坑是为矿山及时提供可靠的地质储量，以降低采矿风险、优化采矿设计，从而进一步指导生产，降低地面环境破坏，节省工程量，节约成本，提高矿山生产效益。

实践证明，充分利用矿山地质手段，采用坑内钻以钻代坑的方法，不但能降低成本、快速控制矿体，而且减少废石排放，有效控制了重金属等有害物质的环境污染。从而节约生产探矿成本，实现矿山可持续发展。

2 坑道钻机类型与选择

2.1 钻机类型

（1）坑道钻机是岩心钻机的一种，是相对地表岩心钻机而言的具有特殊用途的钻探设备。这种钻机多用在矿山坑道内进行地质勘探钻进，以及钻排水孔、瓦斯排放孔、通风口等。

（2）坑道钻机按其结构类型可分为立轴式和动力头钻机两大类型。①传统的立轴式钻机改进的坑内钻是许多矿山在实际工作中使用的，升降钻具必须开凿硐室，施工钻孔角度受限很大，安装、操作、施工等机械化程度低，现场工作环境安全隐患多，工作效率低。②全液压动力坑道钻机具有地层使用性强、钻进效率高、安全可靠性好等特点，采整体布局合理，坑内多角度使用，对钻探工艺适用性强，使用坑内绳索取芯、水力反循环推进取芯等取芯技术，是目前坑道钻探的主要机型，且已形成系列。

2.2 坑道钻机选择

（1）由于地下施工的特殊性，加之国民经济快速发展的形式下，随着地质勘探事业的进步，人们对钻机的要求也越来越高，安全、方便、多功能等成为很多人的选择。全液压坑道钻机钻效高已经在各矿山发挥重要作用，将成为未来施工的主力钻机。

（2）坑内全液压钻机最突出的特点是设备使用安全性高、钻进速度快，设备运行平稳、体积小占用硐室面积小，拆卸完成后更方便移动位置，坑内全液压钻机逐渐应用于矿山生产中。坑内钻使用全液压钻机，即滑轨式地质钻机，是滑动回转器式和动力头钻机的简称，是不同于立轴式钻机的新机型。

（3）全液压坑道钻机采用全液压传动，机械化程度高，其钻进方式、运行方式、设备驱动方式与其它钻机有较大差异，同时解决了不带接手卡槽钻杆的机械化问题，还排除了许多不安全因素。

3 提高岩心采取率的技术措施

3.1 岩矿心采取率在地质钻探中的意义

在矿山地质勘探实施过程中，钻探工作的最终目标是提升岩心采取率，这也是衡量地质钻探工作质量的其中一个硬性指标。经过分析、化验、调查、鉴定岩心实际情况，能够全方位掌握矿体埋藏大致位置、分布规律、地质矿物构成、岩石构造和水文地质特性等。所以，在同步实施钻进工作同时，还要关注采取岩心质量，要能够准确的反映地下层位的真实情况，保证地层原生结构，最大限度为地质技术人员提供岩性依据。

3.2 地质勘探对岩心的基本要求

3.2.1 采取率

依据地质调查的具体情况、勘查程序，及采取的地层的差异化，根据实际要求设定采取率，可确保取得所规定数量的岩心，可达到地质勘查深入研究的目的。

岩心采取要达到规定标准：即采取率需超过百分之六十五，采取率分层要高于百分之八十五。因不同矿床类型存在具体差异，采取率的具体要求可依照实际情况进行调整。

3.2.2 完整度

采取的岩心需维持一个自然构造，地质矿物展现出的形态、孔隙度、节理发育、块状大小等等，可以让工作人员清晰了解矿石的具体情况，更利于对矿石种类进行划定，认识不同矿石之间的的结构关联性。所以，也更方便地质勘探工作人员进行深入研究。

3.2.3 纯洁性

采取岩心避免受到污染物的侵蚀，可保证矿石等级。若岩心中掺入了粘土，大量灰份涌入；当掺入大量泥浆后，岩层掉块，易误导工作人员，所采取到的岩心是假心。

3.2.4 避免选择性磨损

钻取岩心需规避内在物质成分变化对钻取工作的影响。岩心钻取过程中一旦出现选择性磨损，直接导致岩心变质、贫化，将无法准确判断矿石的品位。例如云母，因此类矿石质量较轻，展现出薄片状、鳞片状，易出现人为贫化。铅矿、锌矿、金矿、铜矿这些矿种，质量重，展现出颗粒状、结晶状，岩心更容易残留，易出现人为富集。

3.2.5 取心部位准确

为保证所采取岩心位置的精准性，同时可以有效判断出矿层所处位置、产状特征及矿层厚度，更利于估算出矿产资源富存数量。

图1 全液压坑内钻机

3.3 影响岩心采取率的因素

岩心采取工作质量及采取的实际数量受一些客观因素制约，具体可归类为如下。

3.3.1 地质状况影响

地质钻进的稳定、完整、均匀、坚硬，不受井下液体冲刷、钻具振动影响时，岩心采取工作可以顺利进行，此时岩心多展现出柱状，更利于采取获得高质量的岩心。

采取岩心时，地层呈现出破碎、松散的发育特征，地质构造出现错动、地层风化、岩质脆弱，岩心采取时容易出现被污染、冲毁、搅碎、淋腐等情况，岩心表现出的形态有片状、粉末状、块状、粒状等等。以上类型的地质层进行岩心采取时较难得到优质岩心，也可能采取不到岩心。

在影响岩心采取工作时，受客观因素影响具有代表性的是地质条件，我们可以进行深入研究，逐步了解，总结地质条件变化的一些规律，合理安排岩心采取工作所用到的设备及工作方案，优化采取技术，尽量避免受到客观因素的影响，确保岩心采取工作效率。

3.3.2 工艺技术因素

（1）钻进方法：在同一矿区同一地层施工，采用的钻进方法不同，钻孔的采取率也不一样。

（2）钻头结构选型：钻头尺寸对岩心采取率有很大影响，内径越大，岩心越粗，完整度越大，采取率越高。但是，孔底所需压力增加，钻具的振动加大，钻机设备的要求增加，同一条件下钻速下降，因此，不能一味的增加钻头尺寸来提高采取率。

（3）取芯钻具结构：岩层的种类不同，其物理性质也不同，采用的取芯工具应该不同，才能提高岩心采取率。目前使用较广泛的金刚石钻进，卡簧的选择就特别重要，不仅要能卡住岩心还要提取出，才能提高效率。

（4）技术参数的选择：采用不同的钻压、转速、泵量等钻进技术参数，对岩心采取的数量和质量有很大的影响，既要考虑效率也要考虑采取率。

（5）操作技术方面：钻进操作不当，或操作方法不正确，也会造成岩心破坏。降低取心质量。例如：

①一味要求进尺数量，增加了回次时间，岩心磨损情况严重，钻具振动时间更长，对设备造成不良影响。②采取方法不合理，提钻过快、卡取不结实。直接导致岩心残留在孔内过多、岩心脱落，第二次再进行套取更容易对岩心造成损坏。钻取力度掌握不好，岩心遭受挤压，出现烧灼变质。③下钻过猛，直插孔底，将孔内岩粉、掉块挤入岩心管造成假岩心。

3.3 提高钻探岩心采取率的措施

（1）地质破碎地层钻进时，加大取芯次数，缩短回次进尺，可以有效提高取芯率。但是提动钻具不能过多、过高，会造成重复破碎或岩心堵塞相互磨损，降低采取率。

（2）合理设计钻压。压力不足，进尺慢，延长了岩心受到破坏作用的时间。转速过高，钻具受离心作用较大，对岩心破坏加剧，转速过低则钻速低，影响岩心采用率。

（3）转速同样是取芯钻速的主要因素，只要条件允许，应高转速钻进。泥浆用量及泵压的选择，也应该相互匹配，否则易造成烧钻等孔内事故。转速越高，钻具的摆动越大，对岩心破坏越大；转速过低，钻速则低，岩心受研磨时间越长，采心质量当然不高。

（4）控制回次时间和长度。一般情况下，回次时间越长，回次进尺越多，岩心被破坏、磨损和污染的机会也越多，特别是硬、脆、碎地层，影响更大，采心质量越低。

4 坑内钻常存在的问题

4.1 液压钻机常见系统问题

（1）油囊的作用是为了给动力头中的钻杆夹瓦提供夹持压力，但随着使用时间的延长，油囊会随之变形和磨损，导致动力头漏油，加剧液压油的损耗。

（2）铜套为易磨损部件，随着钻机运转动力头的转动，铜套随着转动而被磨损，导致铜套内侧壁被磨损脱落成铜粉，使得铜套内侧间隙变大，钻机转动时晃动加剧，对钻机的稳定性造成较大影响。

（3）动力头中铜套脱落的铜粉又会随着液压油的流动进入油箱和油泵，因为油泵结构比较精密，铜粉进入油泵后会损耗油泵的使用寿命，使油泵损坏。

4.2 钻进硬岩层时钻头进尺困难

（1）这是全液压钻机的共同难题，特别是坑内钻更加明显，在大顶角钻孔中更为突出。在特硬岩层中钻进时，钻头没有自锐刃出易打滑，还有钻机、钻杆的质量等限制了钻速，造成钻头进尺缓慢。

（2）选择合适地层的金刚石钻头，金刚石的浓度必须保证钻头的工作唇面上的金刚石数量具有足够的切削能力和较高的耐磨性。另外需要匹配合适的钻进参数，钻压、转速、泥浆泵量等相互制约，在正常情况下，往往都有一个各项优化的合理值，即在某一范围内，使用哪一种金刚石钻头进尺快、效率高。

5 解决方案

5.1 压力不足逐一排除

（1）采用逐一排除法就是从易到难，把产生问题的原因一个一个排除，该修的修，该换的换，坑道钻机最麻烦的是动力头铜套问题，坑道环境和铜套的精密装配，这是前期国内钻机的一个较大瓶颈，后期改进为地表给进油缸式后问题迎刃而解。

（2）根据现象和以往经验，压力不足可能的原因有：单向阀遇卡，混合阀阻塞，油囊磨损，油缸漏油，溢流阀损坏等。

（3）通过检修、试机逐一排除问题并解决问题后，还要根据实际情况判断产生问题的原因。定期检查保养，更换质量较好的液压油，保证工作环境的卫生，坑道内空气及通风等因素，正确装配易损原件，交接班记录好，加强班长技术培训交流，提高生产效率。

5.2 钻头腐蚀、锯齿等出刃法

（1）当钻头进尺缓慢或打滑时，可将加热的钻头磨平唇面放入强酸腐蚀或用重型钝物将其砸成锯齿出刃，此方法可反复使用。

（2）金刚石钻头下入孔底，其唇面形状与孔底不吻合，尤其是更换钻头后，须有一个磨合阶段，此时应该使用小钻压（一般为正常钻压的三分之一），而且使用较低钻速，以免过大钻压造成钻头局部损坏，等钻头与孔底经过磨合紧密结合后，便可正常钻压进行钻进，这一点对于新下孔的钻头十分重要，所以要特别注意。

（3）对于已知地层的钻头选择，要根据地层岩性选择合适胎体硬度的钻头；对于未知地层选择钻头一方面结合已知地层钻头的使用情况，另一方面应选择广谱性好的钻头，结合钻进情况及时调整。

6 现场科学管理

6.1 坑内钻生产管理

根据钻探项目生产的特点，对生产经营活动进行计划、组织、指挥、协调和控制的一系列活动过程的总称。目的是利用人、财、物等生产资源，根据工作计划及施工设计，对钻探生产中的进度、质量、成本、安全、协助配合等进行计划、组织、指挥、协调和控制，建立正常的施工秩序。以提高经济效益为中心，优质、高效、安全、低耗地完成生产工作任务，创造出最好的经济效果和社会效益。

6.2 钻探生产管理的主要工作

（1）根据企业的生产经营计划及工作任务安排，全面了解钻机运行状况，确保钻探生产安全有序进行，降低企业生产成本。

（2）坚持实行和不断完善以提高质量、降低消耗为重点的多种形式的经济责任制及各项管理制度，积极推行现代管理方法，不断提高机台管理水平。

（3）广泛开展技术革新和提合理化建议活动，采用新技术、练好基本功，努力培养“多面手”和技术能手。

（4）将劳动者组织在一起，共同筹划竞赛时间、竞赛内容，实行民主管理，建立民主管理制度，保障职工民主权益。

（5）搞好劳动保护和环境保护工作，保障职工健康和安全；关心职工生活，开展健康有益的文体活动。

6.3 钻探生产管理的原则

（1）系统原则：把项目负责、机长、班长、钻工看做是一个有机、完整的控制系统。

（2）责任性原则（即分工原则）：每个管理层级上的管理者都应该具有的职、权、责、利要统一、明确。

（3）反馈原则：任何系统的控制都是通过反馈实现的。一个控制指令发出去，系统运动到一个状态，调查了解这个运动状态和偏离指令的情况，就是反馈。

（4）层次原则：就是要充分发挥各级管理层管理的作用，而不能包办或代替。

（5）动态原则：就是要求项目主体和个人都有一定的机动能力和自主权，以使其对复杂多变的环境有较大的适应能力。

（6）重视智力开发原则：一方面要注意人才的培养，不断提高技术人员和操作者的技术素养，扩大技术人员和技术工人的视野；另一方面又要注意人才的合理使用，充分调动人的积极性；同时，还要注意生产技术手段的充实、更新和合理使用。

（7）有效原则：技术用尽可能少的投入，获得符合社会需要的满意的效果作为判据。

7 总结

7.1 几点体会

（1）钻机机班长机钻工的熟练程度，会直接影响钻孔的质量和钻进进尺效率，间接影响地质成果。

（2）经过不同矿区不同地层的施工，全液压坑内钻与立轴式钻机有较强的优势，其操作方便、数字化显示都能够帮助操作者直观的看到孔内各项参数的变化，为预防事故，处理事故，提供准确的参数。在使用绳索取芯工艺时，其稳定的机械性能更能保证钻孔的质量。工人劳动强度更低，大大减少了人工成本，能够满足矿山井下复杂地层钻探施工的需要。

（3）目前国内大多数坑内钻钻机设计存在一定缺陷。