便携式钻机在八字岭锡铜多金属矿区地质钻探的应用

曹灶开,白超,罗龙,廖麟祥,杨科,孙昌伟

(中国地质调查局军民融合地质调查中心,成都 610036)

0 引言

全面启动新一轮找矿突破战略行动,是深入贯彻党的二十大精神、进一步落实习近平总书记关于保障国家能源资源安全重要指示批示精神的重要战略行动。钻探技术对地质调查结论起到决定性的作用,是地质调查和地下奥秘探索研究结论的最终裁决者,这一点已被全行业领域所共识。地下矿产及矿产储量等有关物化参数,需要通过钻探取样将所预测的地下矿层样品取至地面化验分析后才能作出最后结论。因此,实施战略性矿产靶区查证技术支撑工程是支撑国家新一轮找矿战略行动的技术保障。基于绿色发展理念推进地质勘查标准化工作,既获得社会和人类生产生活需要的矿产资源,又能保持绿水青山,这是绿色勘探的最终目标[1]。

中国地质调查局军民融合地质调查中心引进1台EP800系列全液压钻机,利用全液压钻机在湖南省常宁市八字岭锡铜多金属矿区开展战略性矿产靶区查证技术支撑 (钻探) 工作。矿区钻孔设计2个,ZK102设计孔深530 m,ZK801设计孔深470 m,任务量共计1000 m。

1 EP800系列钻机概况

1.1 钻机特点

EP800钻机采用模块化轻量设计,最重模块小于180 kg,拆装快速、可人工搬运,大大减少了施工人员工作强度;采用桅杆式钻架结构,无需钻塔,可45°～90°任意角度钻进。

钻机为全液压传动,操作性强,液压自动卸扣,劳动强度小;无级调速,钻进过程稳定,振动小,噪声低;可实时掌握孔内情况,有限压保护。

使用薄壁金刚石绳索取心钻探工艺,钻速及钻头寿命高,纯钻进时间利用率高,岩心采取率高;环状间隙小,岩心直径大,结构清晰,完整度高。

1.2 钻机性能参数

EP800 系列便携式全液压钻机主要组成包括:钻机主机、冲洗液循环系统、薄壁钻具、辅助工具材料等。

钻机主机由操作台、液压油箱、3台柴油发动机、柴油箱、钻机底座、钻架(含动力头)、泥浆泵、卷扬机和泥浆搅拌器组成(见图1)。

图1 EP800 型便携式全液压钻机Fig.1 EP800 portable full-hydraulic drill

EP800 系列便携式全液压钻机施工能力及主要性能参数见表1。

表1 EP800 型便携式全液压钻机性能参数

2 EP800便携式全液压钻机应用

2.1 矿区地理位置及地层情况

八字岭锡铜多金属矿区位于湖南省常宁市西岭镇,距离常宁市城关镇140°方向约45 km,交通便利。

矿区内出露地层有泥盆系长龙界组(D3c)志留系中统坟头组(S2f)、石炭系中统黄龙组(C2h)、二叠系下统栖霞组(P1q)、二叠系下统茅口组(P1m)、二叠系上统龙潭组(P2l)、三叠系下统大冶组(T1d)。地层主要以灰岩、大理岩、花岗岩为主,岩石可钻性均在5～8级,地层较完整,风化较弱。

2.2 钻孔结构、钻进方法及钻进技术参数

以ZK102孔为例,0～4.5 m采用BW(122 mm)金刚石单管开孔,钻进至4.5 m下入直径122 mm技术套管,换径采用HTW(96 mm)金刚石绳索钻进至134.9 m,下入直径96 mm套管,换径采用NTW (76.7 mm)金刚石绳索钻进至537.14 m终孔。地层结构见表2。

表2 ZK102钻孔地层结构

2.3 泥浆使用情况

0～4.50 m开孔采用低固相植物胶泥浆,4.50～92.03 m采用无固相泥浆施工,施工至92 m时,遇破碎带,地层漏失,有掉块坍塌现象,换用高黏防塌泥浆。泥浆配比如下:1 m3水+膨润土50 kg+烧碱1 kg+光谱护壁剂3.5 kg+高黏防塌剂1 kg+磺化褐煤树脂8 kg。泥浆黏度50～60 s,密度1.05 g/cm3。

施工至100 m,地层完整,换用无固相泥浆施工至终孔。采用高黏防塌泥浆时,水泵泵压增高,负荷增大,施工效率降低,对泥浆的固相要求较高[2-6]。

2.4 应用情况

1号钻机在工作区自7月1日开工,8月2日结束工作区任务,累计完成钻探实物工作量1009.28 m,竣工钻孔2个,平均台月实进尺917.53 m/月。

2.5 应用效果分析

2.5.1 便携式全液压钻机优点

便携式全液压钻机部件模块化、重量轻、搬迁方便,搬迁及安装时间只需1天,以往立轴式钻机搬迁和安装需要3～5天,节约了辅助时间。对搬迁道路要求低,钻机场地仅为4.5 m×4.5 m,搬迁道路只需要1 m宽的道路即可。搬迁、安装、施工过程安全风险小,无需上塔操作,大大降低了安全风险,减轻了劳动强度[7-8]。

便携式全液压钻机非常适合在钻孔较浅、搬迁频繁、道路条件差的矿区施工,相较于立轴式钻机生产成本降低,且生产效率较高。

2.5.2 便携式全液压钻机缺点

便携式全液压钻机所采用的泥浆泵只能泵送无固相或低固相泥浆,且泥浆无法循环使用,在遇到复杂地层及在缺水地区施工时,对泥浆的固相要求高,钻机适应性降低。

该项目各钻孔均未出现孔内事故,除了钻探机班技术水平以外,还主要是因为场区地质条件较为简单,但若场区地质条件较为复杂时,钻孔孔内事故的概率将会增大。在处理孔内事故方面,施工能力同为1000 m的XY-44立轴式钻机比EP1000便携式钻机扭矩要大,且立轴式钻机提、下大钻使用钻塔,所消耗的时间比便携式全液压钻机要短(且钻孔越深越有优势),立轴式钻机更适合处理孔内事故[9-13]。

3 结语

通过总结便携式全液压钻机在湖南省常宁市八字岭锡铜多金属矿区地质钻探的应用情况,结合以往在其他矿区立轴式钻机的各项施工结果指标,我们认识到在进行岩心地质钻探施工时,钻机的选型应从钻孔孔深孔斜等设计参数、地质条件和地形地貌条件,以及对绿色勘查的要求等多种因素进行综合考虑,选择最合适的钻探设备。为了强化能源资源安全保障,增强国内生产供应能力,加强重要能源、矿产资源国内勘探开发和增储上产,需要不断增强国家能源和战略性矿产资源保障能力,并以新一轮找矿突破战略行动为契机,在钻探设备的研究及应用方面提升科技创新能力,为地质找矿奠定良好的基础。