陳 勇,韋昭杰
(1.新疆地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第十一地質(zhì)大隊(duì),新疆昌吉831100;2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春130026)
隨著科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)水平的迅速發(fā)展,鉬金屬及其合金在鑄鐵、電子、農(nóng)業(yè)及機(jī)械等產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用日益普遍[1],因此其礦產(chǎn)資源的需求量日益增長(zhǎng)。我國鉬礦礦產(chǎn)資源豐富,礦區(qū)廣泛分布于29個(gè)省份。河南省洛陽欒川鉬礦是目前國內(nèi)最大的鉬礦之一,三道莊鉬鎢礦區(qū)位于秦嶺東端,熊耳山與伏牛山之間。礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,礦區(qū)主要的含礦層為受接觸變質(zhì)作用形成的石榴石矽卡巖和透輝石矽卡巖;還有南泥湖組石英巖、二云母片巖等。礦區(qū)地層構(gòu)造、裂隙都很發(fā)育,且存在著大斷裂帶和比較廣的破碎帶,活動(dòng)的巖塊較多。礦區(qū)出露地層主要為欒川群三川組和南泥湖組,開采的鉬礦礦體基本分布在欒川群的三川組和南泥湖組中下段地層[2]。主要以斑巖型和角巖型為主,地表大量分布角巖型,還有少量矽卡巖[3];在這種復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造下開展勘探作業(yè),極易導(dǎo)致孔內(nèi)掉塊、埋鉆、塌孔等,對(duì)礦區(qū)的安全生產(chǎn)造成了影響[4-5]。
欒川鉬礦早期采取地下開采,形成了大量的采空區(qū),采空區(qū)形狀不一、高度不等且埋藏較淺,極易發(fā)生坍塌事故?,F(xiàn)已轉(zhuǎn)為露天開采并使用爆破手段松動(dòng)巖石,爆破導(dǎo)致孔內(nèi)裂隙縱橫交錯(cuò),震波使巖石裂隙進(jìn)一步發(fā)育,并且對(duì)下部巖石產(chǎn)生了強(qiáng)烈沖擊,使活動(dòng)的巖塊增多,巖石的裂隙更加擴(kuò)大[6-7]。礦區(qū)內(nèi)的采空區(qū)面積較大,且數(shù)量眾多,極易導(dǎo)致采空區(qū)冒落,冒落所形成的高速氣流和沖擊振動(dòng)造成設(shè)備毀壞及人員傷亡,故采用單一的鉆進(jìn)工藝或常規(guī)鉆探工藝難以進(jìn)行勘探施工。
在復(fù)雜地層開展地質(zhì)鉆探存在孔壁失穩(wěn)的難題,例如:在破碎坍塌層中的巖塊脫落會(huì)造成卡鉆等情況,嚴(yán)重者會(huì)造成鉆具無法從地層中提取出來,造成鉆孔的損壞和鉆具的廢棄,這對(duì)于鉆探工程而言是一大經(jīng)濟(jì)損失。鉆進(jìn)過程中孔壁失穩(wěn)的主要原因是:在鉆進(jìn)過程中,破壞了土體原來土層的自然平衡狀態(tài),處于受力平衡的地層被鉆開后,鉆孔附近的地層承受了剪應(yīng)力及各種應(yīng)力,即產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象,從而改變?cè)械膽?yīng)力狀態(tài),土體中的這種應(yīng)力的改變傳遞給孔壁,會(huì)對(duì)孔壁的形變產(chǎn)生一定的影響,一般表現(xiàn)為坍塌、掉塊等[8?9]。
(1)跟管鉆進(jìn)技術(shù)是針對(duì)復(fù)雜地層的特殊鉆進(jìn)方法。跟管鉆進(jìn)系統(tǒng)主要由套管、管靴、拔管機(jī)、跟管鉆具等組成。適用于鉆進(jìn)坍塌、掉塊比較嚴(yán)重的孔段以及松散地層和流砂層。隨著鉆進(jìn)的深入,套管隨之進(jìn)入已完成的鉆孔內(nèi),起到隔離含水層,保護(hù)孔壁的作用。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于鉆進(jìn)效率高,鉆具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成孔質(zhì)量好等[10]。
(2)針對(duì)地層裂隙發(fā)育等復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu),采用優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁堵漏。在鉆進(jìn)過程中,隨著鉆孔的深入,如孔壁穩(wěn)定則直接下套管保護(hù)已有穩(wěn)定的孔壁,如出現(xiàn)孔壁漏水,則需開展護(hù)壁堵漏[11]。
以上2種護(hù)壁技術(shù)均有其特點(diǎn),適用于處理不同的孔壁問題,但對(duì)于處理礦渣堆積地層以及孔壁掉塊嚴(yán)重的地層有一定的局限性。跟管鉆進(jìn)技術(shù)的局限性在于跟管鉆進(jìn)技術(shù)所需設(shè)備過多,不同的孔徑也需要不同直徑的套管,套管需要定制,耗時(shí)長(zhǎng),施工成本較高,而且在鉆進(jìn)過程中時(shí)常發(fā)生套管斷裂等問題,影響工程進(jìn)度;優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁缺點(diǎn)在于不同漏點(diǎn)處需不同成分的泥漿,并且針對(duì)不同的破碎漏失地層需要不同的泥漿成分,施工周期長(zhǎng),耗費(fèi)人力、物力。
礦區(qū)地層具體表現(xiàn)為堅(jiān)硬、破碎、漏失、坍塌?,F(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)中,覆蓋地層為大量礦渣堆積,結(jié)構(gòu)疏松,易坍塌、漏失及掉塊,鉆進(jìn)困難,最高平整處距離基巖高度為60 m(見圖1)。鉆進(jìn)礦渣堆積地層時(shí)出現(xiàn)了嚴(yán)重的塌孔問題,不得不立即停止施工。后利用大量砂土摻入黃土回填,回填穩(wěn)定后再次鉆孔。但回填后重復(fù)施工的鉆孔依舊存在塌孔問題,導(dǎo)致施工進(jìn)度緩慢,延誤工期,同時(shí)給施工單位造成了難以預(yù)估的經(jīng)濟(jì)損失。
圖1 現(xiàn)場(chǎng)礦渣堆積情況Fig.1 Accumulated tailings at site
結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)工程情況,對(duì)孔壁失穩(wěn)、坍塌現(xiàn)象的處理方法進(jìn)行說明。坍塌是由于礦渣堆積層孔壁受力不平衡導(dǎo)致的,只要保持孔壁受力穩(wěn)定,恢復(fù)孔壁的應(yīng)力平衡,坍塌才會(huì)消失。為此決定采用錐形鉆頭并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)加固擠密后的粘性黃土來保護(hù)孔壁。
施工現(xiàn)場(chǎng)黃土礦物成分復(fù)雜,天然含水率低,結(jié)構(gòu)均一且疏松多孔。礦物組成包括粘土礦物、石英、長(zhǎng)石等,其中石英含量最高?,F(xiàn)場(chǎng)黃土呈黃色、無層理,垂直節(jié)理發(fā)育。黃土主要成分為二氧化硅,含有大量的碳酸鹽類,具有多孔結(jié)構(gòu),容易吸收水分,這是黃土發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)和浸水的主要原因。黃土的相對(duì)密度變化范圍為2.5~2.8,通常小于2.7;粉粒含量>50%。黃土干密度在1.1~1.7 g/cm3之間,孔隙比是衡量黃土密實(shí)程度的重要指標(biāo)之一,孔隙比介于0.9~1.2之間。受降雨量及地下水位的影響,黃土的天然含水量一般為8%~11%。
黃土中粘土顆粒礦物的主要成分是高嶺石、蒙脫石,偶見少量伊利石等。顆粒極細(xì),一般小于0.01 mm,加水后具有不同程度的可塑性;黃土中碳酸鹽含量在10%以上,當(dāng)含水量較高時(shí),可溶鹽溶解,一方面失去了對(duì)土粒的膠結(jié)作用;另一方面,當(dāng)可溶鹽以離子形式存在時(shí),土粒表面吸附的陽離子與陰離子發(fā)生置換,這2方面都有利于擠壓密實(shí)黃土,經(jīng)擠密后黃土的密實(shí)度有顯著提高。黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨含水量的增大而降低,因?yàn)辄S土與水發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致了顆粒間的分子力降低,這是發(fā)生失陷的根本原因[12]。且黃土抗剪強(qiáng)度不足,工程地質(zhì)性質(zhì)惡劣,需壓實(shí)擠密后才可達(dá)到護(hù)壁的目的。壓實(shí)過程是指黃土層在外部荷載作用下,為了提高土的強(qiáng)度,擠出細(xì)小顆粒間的氣體和水分。在黃土含水量一定時(shí),把孔隙中空氣全部排出,土體便能達(dá)到最大密實(shí)程度[13]。黃土低含水量狀態(tài)下表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度,但在含水量較高時(shí)強(qiáng)度卻會(huì)迅速降低[14-15]。本文所指出的方法實(shí)質(zhì)即水平方向加固擠密黃土,通過壓實(shí)后可增強(qiáng)其強(qiáng)度,從而起到了減少坍塌、掉塊、穩(wěn)定孔壁的目的[16]。故試驗(yàn)所用黃土加少量水增加粘性并經(jīng)攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢琛?/p>
為證明推論,對(duì)閃速爐電收塵器出口煙塵進(jìn)行了4次采樣,每次采集5個(gè)樣品,采樣后濾筒先按煙塵分析方法計(jì)算出增重,再將濾筒進(jìn)行樣品處理后分析硫酸霧總量(見表1)。從結(jié)果可以看出,濾筒中均檢出一定重量的硫酸霧,且硫酸霧的質(zhì)量和三氧化硫濃度成正比。
此處以典型孔ZK 142為例子說明。
所用施工設(shè)備如下:GSD-11型鉆機(jī);900XH-980RH型空壓機(jī),壓力2.07~2.41 MPa,風(fēng)量25.5 m3/min;TH14型潛孔錘;鉆頭直徑450 mm;錐形鉆頭直徑400 mm;JZC450型攪拌機(jī);?50 mm注漿管;YZB-7型注漿機(jī)。
(1)圖2所示是黃土加固孔壁工藝流程。所用鉆具采用鉆桿、潛孔錘和潛孔錘鉆頭的組合,從松軟礦渣堆積層表面向下鉆進(jìn),至設(shè)計(jì)孔深60 m處,如圖2(a)所示。制配黃土泥漿,所用黃土泥漿漿液配比一般按質(zhì)量配比黃土∶水=1∶0.3。將水、黃土一起送入攪拌機(jī),攪拌均勻后使用。
圖2 黃土護(hù)壁工藝流程Fig.2 Construction flow chart of strengthening the hole wall with loess
(2)將鉆具從孔中提出,下入注漿鉆桿。注漿鉆桿一端連接注漿泵,另一端連接注漿管,邊注漿邊緩慢向上提起注漿鉆桿,確保黃土泥漿充滿孔內(nèi),如圖2(b)所示。
(3)提起注漿設(shè)備,換用錐形鉆頭,鉆具的前部采用錐形結(jié)構(gòu),鉆進(jìn)至孔底,如圖2(c)所示。緩慢向上移動(dòng)鉆頭,確保鉆頭充分?jǐn)D壓密實(shí)黃土泥漿。鉆進(jìn)過程中,由于鉆孔直徑固定,所以擠向兩側(cè)的黃土在鉆頭中部圓柱形的擠壓下壓緊擠密在孔壁上,形成黃土加固層,起到穩(wěn)定鉆孔結(jié)構(gòu)并防止鉆孔坍塌的作用,如圖2(d)所示。鉆頭的后部也采用錐形結(jié)構(gòu),此結(jié)構(gòu)的作用是在緩慢向上提鉆時(shí),黃土泥漿能沿著錐形面下滑至鉆頭中部圓柱體與孔壁間的空隙,并被擠密在孔壁上,充分利用孔內(nèi)黃土,即利用黃土擠密后的穩(wěn)定性達(dá)到護(hù)壁的目的。
(4)待黃土泥漿固結(jié)后,換用直徑較小的鉆具重復(fù)上述(1)~(4)步驟繼續(xù)向下鉆進(jìn)。
本次試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是對(duì)礦渣堆積地層的孔壁進(jìn)行保護(hù),并繼續(xù)向下鉆進(jìn),以探明地下礦藏儲(chǔ)量。采用該方法順利完成了11個(gè)鉆孔孔壁的保護(hù),鉆探工程總量約700 m,總注入黃土泥漿量215 t,試驗(yàn)所用最大注漿壓力≯1 MPa,一般為0.6 MPa。該鉬礦孔壁保護(hù)處理自2018年施工以來,至今未發(fā)生孔壁失穩(wěn)和坍塌現(xiàn)象,并且仍在進(jìn)行正常開采,說明這種黃土加固孔壁工藝起到了良好的保護(hù)孔壁的作用。
(1)當(dāng)?shù)V體被開采后,采空區(qū)周圍巖體應(yīng)力發(fā)生變化。采空區(qū)頂板巖體在上覆巖體及自重作用下產(chǎn)生彎曲變形,當(dāng)采空區(qū)頂板巖體彎曲變形所形成的拉應(yīng)力超過巖體的抗拉強(qiáng)度時(shí),頂板巖體發(fā)生破壞并坍塌至采空區(qū)。
3.2.1 設(shè)備參數(shù)
DLQ1150XH型空壓機(jī),工作壓力1.38~2.4 MPa,風(fēng)量32.6 m3/min;TH 14型潛孔錘,風(fēng)壓1.7~2.4 MPa。潛孔錘鉆頭直徑400 mm;錐形鉆頭直徑350 mm;GSD-11型鉆機(jī);C-ALS型三維掃描儀;重錘質(zhì)量50 kg。
3.2.2 錐形鉆頭設(shè)計(jì)及施工原理
綜合鉬礦采空區(qū)地質(zhì)情況,采用傳統(tǒng)護(hù)壁方法并不能解決問題,導(dǎo)致激光儀器、井下電視等探測(cè)設(shè)備無法下放至采空區(qū),處理孔壁失穩(wěn)采用重錘砸落錐形導(dǎo)向鉆頭工藝,利用中空鉆桿保護(hù)井下電視等探測(cè)設(shè)備。
設(shè)計(jì)采用錐形導(dǎo)向鉆頭,鉆頭角度以60°為宜,角度小,導(dǎo)正性好。錐形導(dǎo)向鉆頭中部圓柱部分打一銷孔,定位銷穿過銷孔與鉆桿通過固定螺栓連接,從而限制鉆進(jìn)過程中鉆頭與鉆桿之間的相對(duì)位移。重錘直徑小于鉆桿內(nèi)徑,使重錘在鉆桿內(nèi)部可自由下落,如圖3所示。
圖3 錐形導(dǎo)向鉆頭Fig.3 Tapered pilot bit
針對(duì)孔壁巖塊突起、掉塊等情況,施工工藝具體方法如下。
(1)通過在地表使用鉆桿、潛孔錘、潛孔錘鉆頭的鉆具組合開孔,鉆進(jìn)至采空區(qū)頂板即停止鉆進(jìn)。如圖4(a)所示。
(2)取出鉆具,換用錐形導(dǎo)向鉆頭鉆具,在地表使用鋼絲繩連接重錘下落至鉆桿中心通道,如圖4(b)所示。重錘下至一定高度斬?cái)噤摻z繩,強(qiáng)制重錘墜落,產(chǎn)生沖擊斬?cái)喽ㄎ讳N,砸落鉆頭至采空區(qū)底部,如圖4(c)所示。
(3)從鉆桿中心通道下入激光儀器、井下電視等探測(cè)設(shè)備觀察采空區(qū)底板形態(tài)特征、面積大小、高度、范圍。如圖4(d)所示。
圖4 利用重錘砸落鉆頭結(jié)合鉆桿間隙保護(hù)孔壁工藝流程Fig.4 Process flow chart of striking down the drill bit with the hammer and pr otecting the hole wall with the drill string
(4)若現(xiàn)場(chǎng)采空區(qū)為多層采空區(qū)則在探測(cè)設(shè)備完成頂部采空區(qū)探測(cè)任務(wù)后,重復(fù)上述步驟,直至最底部采空區(qū)。
本次試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是對(duì)采空區(qū)進(jìn)行探測(cè),采空區(qū)頂板距地面44 m,采空區(qū)深度為10 m。本方法同樣適用于多層采空區(qū),該鉬礦自采用此工藝勘探采空區(qū)后,已成功探明15層采空區(qū),總勘探深度為1400 m。這說明這種采空區(qū)通過鉆桿間隙下放勘探設(shè)備工藝可行。
(1)試驗(yàn)采用錐形鉆頭加固擠密黃土,利用了黃土經(jīng)壓實(shí)后強(qiáng)度增大的特性來保護(hù)孔壁;黃土加固層附著于孔壁表面,起到了保護(hù)孔壁的作用,為施工計(jì)劃的順利實(shí)施并獲取全面的地質(zhì)資料提供了技術(shù)支持。本工藝也為復(fù)雜地層的探測(cè)提供了借鑒。
(2)運(yùn)用重錘砸落錐形鉆頭工藝結(jié)合中空鉆桿保護(hù)孔壁工藝,在河南欒川鉬礦及其復(fù)雜地質(zhì)條件下的礦區(qū)開展實(shí)踐應(yīng)用,有效地解決了礦區(qū)內(nèi)復(fù)雜地層勘探過程中探測(cè)設(shè)備無法下放至采空區(qū)的難題,成功地完成了地質(zhì)勘探和采空區(qū)勘察方案,以保證采空區(qū)進(jìn)行有效的充填支護(hù)處理,為礦區(qū)的生產(chǎn)和安全提供了保障。