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【摘 要】 本文简述连云港新浦磷矿危机矿山接替资源勘查项目，ZK202钻孔-400坑道钻探涌水地层、泥浆使用、堵涌等工作实践，总结了涌水地层岩心钻进、泥浆使用及堵涌方法，不仅解决了施工过程中埋钻、卡钻、烧钻及泥浆稀释等难题，而且缩短了施工周期，降低了施工成本，保证了钻探质量，在同类条件及地层施工中具有一定的借鉴、指导作用。
【关键词】 坑道钻探；涌水地层；泥浆使用；堵涌方法；措施
1.概况
连云港新浦磷矿ZK202钻孔，位于新浦区310国道南，解放东路西1000米，地下-400米的坑道里。矿区有多个断裂构造和许多裂隙发育，其中有一个较明显的覆盖断裂构造，岩层产状变化明显，受其影响，这一区域的地层变化较大，本区域的含磷岩矿埋深变化较大，并且岩层裂隙孔隙较发育，承压水量大，地势低，在-400米就有很大的涌水。近年来，随着矿产资源战略地位的提升和地质勘探技术的进步，连云港新浦磷矿危机矿山接替资源项目中，以控制7P磷矿体深部延展，增加开采后备资源储量的深部地质找矿工作被提上了议事日程。2007年4月，受连云港新浦磷矿委托，我队承接了该矿区的地质找矿钻探工作，ZK202钻孔便是其中关键一钻。
2. ZK202钻孔完成的技术经济指标
连云港新浦磷矿ZK202钻孔设计孔深为115米，实际钻进深度151.15米。本钻孔是该矿区钻探涌水量最大的钻孔之一，涌水压力达到0.3～0.5MPa，涌水量超过900吨/日，也是我队钻孔施工历史上中涌水量最大的钻孔。
该钻孔于2007年9月17日开孔，2007年10月3日终孔，历时16天。岩心采取率为83.66%，矿心采取率86%。综合测评为优质钻孔。
本钻孔在-400米的地下坑道内，场地小、空间有限、施工条件差、各种安全隐患多，多家施工队伍都不敢担此风险施工。我们在施工过程中，尽管由于封堵大量的涌水而延误了几天，但还是战胜了各种困难，较为顺利地完成了施工任务。不仅为我队创造了一定的经济效益，更重要的是赢得了业主的认可和社会的信誉。
3.地层及岩性情况
矿区地层为中、上元古代海州群锦屏组，它是区内海州式磷矿的赋存层位，本次勘查主要控制7P磷矿体深部延伸情况，以增加开采后备资源储量。7P矿体呈层状～似层状产出，倾角在38～43度，倾向SE；钻孔揭露地层自上而下分为0-19.45米段为碳酸盐斜长云母片岩（4.86～7.11m石英质大理岩，18.7～19.45m云母大理岩），有破碎带，涌水严重，19.46～128.35米白云二长片麻岩，128.36～141.83米白云质大理岩、细粒磷灰岩，-141.84～-151.15米斜長绿泥云母片岩；磷矿层很不稳定，极易被水冲刷，矿心采取率难以保证，成了此项目施工中最大的难点。受地质作用的影响，断裂构造比较发育，岩石较为破碎，局部裂隙发育，孔隙率大，因此钻穿隔水层后涌水压力和涌水量不断增大，透水性很强，涌水严重，根本谈不上保持正常泥浆钻进。
4.钻探设备、钻具和钻头选择
4.1设备
钻机：XY—4型，黄海机械厂生产；
泥浆泵：BW200，无锡探矿机械厂制造；
钻塔：自制7.5米钻塔（坑道内施工，受高度限制）。
4.2钻具
Φ50mm外丝钻杆，正循环Φ91mm双管单动、无泵局部反循环取芯钻具。
4.3钻头
白云二长片麻岩硬度大、研磨性弱，可钻性7～9级，钻头选择出刃面采用多条凹凸弧槽型，钻头参数为：8个水口，金刚石浓度75%，颗粒目数40-60目，钻头胎体材质为金属粉末热压烧结而成，硬度HRC15-20。
云母片岩、白云质大理岩，岩石硬度较高、研磨性适中，可钻性4～6级，钻头出刃面采用多条凹凸弧槽型，钻头参数为：8个水口，金刚石浓度75%，颗粒目数60-80目，钻头胎体材质为金属粉末热压烧结而成，硬度HRC25～30，见矿后采用台阶式钻头，里面伸出10mm左右，防止冲洗液冲刷岩心，同时改变钻进参数为小泵量、低钻速、增大适量钻压，解决了矿心采取率问题。
5.钻进工艺
5.1孔身结构
开孔地层碳酸盐斜长云母片岩，Φ130mm钻头开孔钻进至孔深2m，下Φ127mm孔口管2.2m；孔深2～20m孔段，孔径由Φ130mm改至Φ110mm，钻进至20m，在2～20m段下Φ108mm套管，改至Φ，91mm正常钻进。
5.2冲洗液
使用了陶土粉、重晶石粉、CMC冲洗液。冲洗液的配方：陶土粉+水+0.1～0.2%碱+0.2%CMC+重晶石粉；冲洗液制作：陶土粉经搅拌机充分搅拌，分散后加入CMC、再加重晶石粉或水泥，放入泥浆池中，现场目测泥浆混合均匀、手感有一定的润滑性，密度为1.10～1.4kg/L，粘度26-32S。
5.3钻进参数
第一阶段：孔深为0～17m孔段，采用顶涌钻进。转速350～500r/min，在确保钻孔和设备安全的前提下，提高钻速；孔底钻头压力控制在6～8kN为安全经济钻压；泵量选择60～80L/min，在钻进过程中还应视泵压表的反应来控制泵量，泵压要大于涌水压力。在8～17米孔段，由于涌水量大于30m3/h，无法施工，而采用“双液注浆泵”进行水泥封堵后，用Φ110mm钻具扫孔至17m后钻进到20m，下Φ108mm套管隔水，改至Φ91mm钻具正常钻进。
第二阶段：孔深为20～80m孔段，此孔段为白云二长片麻岩，由于20米以上已采用套管隔离，孔内涌水量﹤2m3/h，地层比较完整，采用顶涌钻进，转速控制在400～600r/min；孔底钻头压力控制在8～12kn；泵量选择60L/min。
第三阶段：孔深为80～151.15m孔段，此时的钻压控制在8～10kN，转速350～500r/min，泵量选择60L/min。要时刻注意钻进参数的变化。 在孔深80m以后的钻进过程中，操作者要精力集中，不得有任何疏忽。主要是见矿后要立即采用专用台阶式孕镶钻头，钻头内环超前10mm左右，防止冲洗液冲刷岩心，同时改变钻进参数，小泵量、低钻速、增大适量钻压，解决了磷矿心采取率问题。
5.4钻遇问题及处理措施
5.4.1涌水地层处理措施
涌水地层主要是层间水有一定的压力，即所谓的地下承压水。钻孔钻穿隔水层至下部的含水层后，必然会打破层间水的压力平衡，钻孔与破碎地层相通，由于压差的作用，下部的水就存在向上的顶力。解决的方法是：
1、小涌水量（泥浆密度为1.10～1.4kg/L能控制住涌水），在较完整性地层，采用顶涌处理措施，注意泥浆泵送水性能正常，经常检查、保养好，专人看管，发现问题及时处理。注意水泵压力和钻具的工作状况。根据孔底沉渣情况，如果孔底沉渣超过50cm，钻进回次后提钻前用优秀质泥浆冲孔，把孔内岩粉带上来，保证下钻到底。
在-450米以上的松散、破碎岩层段下套管护壁，以下则采用加重晶石粉的泥浆钻进。加重晶石粉来提高泥浆密度，平衡地下水压力，其调整主要是根据泥浆消耗的量来定，钻进时：孔内泥浆减少，需调小泥浆密度；孔内泥浆增多，需调大泥浆密度；孔内泥浆或减或，需及时调小或调大密度。同时在泥浆中加入适量的增粘降失剂（CMC）。
2、中涌水量（泥浆密度达到1.4kg/L时控制不住涌水）采用水泥加水玻璃封堵。在封孔堵涌之前，要进行水泥浆与水玻璃量的配比实验，根据实验结果确定水泥浆与水玻璃量的配比和凝固时间；检查水泵、管道，保证水泵性能完好和管道畅通。
下钻杆到底，用清水冲孔到底后提离孔底1-2m；用搅拌机桶按试验好的配比配置水泥浆，并加入水玻璃。加量：按水泥重量的4%～8%（速凝剂为50%溶液），以配比实验数据为准；把配置好的水泥浆用泵通过钻杆送入孔内涌水地层孔段，边送边提钻具，送浆的过程中要抓紧时间，防止钻具被凝固到孔内；钻具提出来后要抓紧时间用清水清理钻具和水泵管道；封孔停待时间则以地面配比实验的时间+孔内特殊情况时间（一般增加4小时），到时间后即可进行通孔施工。
3、大涌水量时（水泥封堵被稀释掉，钻具下不下去）采用“双液注浆泵”进行封堵：原理是采用可同时实现两种液体的吸排泵，泵出的两种液体在钻孔内混合后能迅速凝固，在涌水处瞬时形成封闭堵水。水泥漿与水玻璃的配比是水泥浆：水玻璃=1：0.7～1，这个配比的混合液在喷出来后很短时间内就形成初凝。
注浆方法：加工一根2.5米长的短管，一头焊三个阀门（准备二接头注浆，一阀门泄水，泄水阀可选择大一些）且全部打开，将管子另一头下到孔里，留高出孔口地面0.5米不最佳，将三个阀门同时打开通水，在孔口管子四周用“双液注浆泵”注浆封堵，等待一段时间后，确保能将短管牢固固定在孔口。
此时，将注浆泵的二根高压管接到管子头阀门上，关掉其他泄水阀门，用注浆泵往孔内压混合浆液，此孔我们压了50多包水泥浆下去，堵住了涌水，且堵涌的效果非常好，保证了我们该钻孔顺利完成。
5.4.2钻杆易断处理措施
此孔钻杆折断事故时有发生，主要原因是在软层，涌水、透水性很强地层钻探，钻孔扩径严重，又无法保持使用到性能稳定的泥浆，故钻杆不能得到有效润滑，对钻具的磨损极大，钻孔形成大肚子，造成钻杆折断。在大肚子孔段，是钻杆频繁断裂的位置，在过去的钻探施工中，我们也经常碰到此类事故，遇地层条件较好的钻孔断钻具，下公锥很容易打捞起来，但一旦遇到这样的复杂地层，很容易造成孔内复杂化，很难处理好，即便处理成功，也必定是劳民伤财。因此，孔内断钻具造成的钻孔报废事故往往居于高位。
我们采取的措施是：下套管到隔水层、水泥封孔堵涌、钻杆摸黄油，减少回次钻进时间，增加钻杆黄油保养的频率，以减少摩擦来防止钻杆折断，从而保证了钻孔顺利完成。
5.4.3孔壁掉块卡钻处理措施
钻孔经常出现掉块：经分析，本钻孔软层松散、破碎带裂隙发育，出现掉块也很正常，钻进中孔内也不稳定，经常掉块卡钻，下钻时也要扫孔才能下钻，辅助时间特别多。还由于不能保持性能正常的泥浆钻进，使用清水钻进则不能很好地携带出孔内悬浮岩粉，另一方面，由于钻具的敲打和碰击孔壁岩石，造成钻具自身磨损的加快、孔内掉块等隐患。
对该处的处理方法是：一是控制提下钻速度，防止由于提下钻的负压抽吸作用，井底压力产生变化，孔底压力失衡造成的孔壁掉块或坍塌，提完钻具后立即将性能优良的泥浆往孔内回灌，保持孔内地层压力平衡；二是时刻注意孔内沉渣情况，一旦发现沉渣增多，就必须调配好泥浆冲孔，确保孔底干净，同时平稳提下钻，减少钻具的抽吸和泥浆的激荡作用对钻孔的破坏；三是采用全孔泥浆施工，调配好泥浆性能。四是严重情况采用水泥封孔。
6.结语
通过ZK202钻孔的施工，我们克服了工期较紧、坑道受高度施工场地小、环境差的限制、涌水量大等各种各样的施工困难。经过精心组织，结合钻探施工实际，制定出了合理的钻进参数，并通过对钻头改进、顶涌钻进、加重泥浆使用、水泥封孔、“双液注浆泵” 固壁等技术，解决了大涌水对施工造成的困难，圆满地完成了任务，取得了良好的钻探和地质效果，不仅给坑道钻探施工积累了宝贵的经验，同时对以后的坑道施工具有借鉴、指导作用。
【关键词】 坑道钻探；涌水地层；泥浆使用；堵涌方法；措施
1.概况
连云港新浦磷矿ZK202钻孔，位于新浦区310国道南，解放东路西1000米，地下-400米的坑道里。矿区有多个断裂构造和许多裂隙发育，其中有一个较明显的覆盖断裂构造，岩层产状变化明显，受其影响，这一区域的地层变化较大，本区域的含磷岩矿埋深变化较大，并且岩层裂隙孔隙较发育，承压水量大，地势低，在-400米就有很大的涌水。近年来，随着矿产资源战略地位的提升和地质勘探技术的进步，连云港新浦磷矿危机矿山接替资源项目中，以控制7P磷矿体深部延展，增加开采后备资源储量的深部地质找矿工作被提上了议事日程。2007年4月，受连云港新浦磷矿委托，我队承接了该矿区的地质找矿钻探工作，ZK202钻孔便是其中关键一钻。
2. ZK202钻孔完成的技术经济指标
连云港新浦磷矿ZK202钻孔设计孔深为115米，实际钻进深度151.15米。本钻孔是该矿区钻探涌水量最大的钻孔之一，涌水压力达到0.3～0.5MPa，涌水量超过900吨/日，也是我队钻孔施工历史上中涌水量最大的钻孔。
该钻孔于2007年9月17日开孔，2007年10月3日终孔，历时16天。岩心采取率为83.66%，矿心采取率86%。综合测评为优质钻孔。
本钻孔在-400米的地下坑道内，场地小、空间有限、施工条件差、各种安全隐患多，多家施工队伍都不敢担此风险施工。我们在施工过程中，尽管由于封堵大量的涌水而延误了几天，但还是战胜了各种困难，较为顺利地完成了施工任务。不仅为我队创造了一定的经济效益，更重要的是赢得了业主的认可和社会的信誉。
3.地层及岩性情况
矿区地层为中、上元古代海州群锦屏组，它是区内海州式磷矿的赋存层位，本次勘查主要控制7P磷矿体深部延伸情况，以增加开采后备资源储量。7P矿体呈层状～似层状产出，倾角在38～43度，倾向SE；钻孔揭露地层自上而下分为0-19.45米段为碳酸盐斜长云母片岩（4.86～7.11m石英质大理岩，18.7～19.45m云母大理岩），有破碎带，涌水严重，19.46～128.35米白云二长片麻岩，128.36～141.83米白云质大理岩、细粒磷灰岩，-141.84～-151.15米斜長绿泥云母片岩；磷矿层很不稳定，极易被水冲刷，矿心采取率难以保证，成了此项目施工中最大的难点。受地质作用的影响，断裂构造比较发育，岩石较为破碎，局部裂隙发育，孔隙率大，因此钻穿隔水层后涌水压力和涌水量不断增大，透水性很强，涌水严重，根本谈不上保持正常泥浆钻进。
4.钻探设备、钻具和钻头选择
4.1设备
钻机：XY—4型，黄海机械厂生产；
泥浆泵：BW200，无锡探矿机械厂制造；
钻塔：自制7.5米钻塔（坑道内施工，受高度限制）。
4.2钻具
Φ50mm外丝钻杆，正循环Φ91mm双管单动、无泵局部反循环取芯钻具。
4.3钻头
白云二长片麻岩硬度大、研磨性弱，可钻性7～9级，钻头选择出刃面采用多条凹凸弧槽型，钻头参数为：8个水口，金刚石浓度75%，颗粒目数40-60目，钻头胎体材质为金属粉末热压烧结而成，硬度HRC15-20。
云母片岩、白云质大理岩，岩石硬度较高、研磨性适中，可钻性4～6级，钻头出刃面采用多条凹凸弧槽型，钻头参数为：8个水口，金刚石浓度75%，颗粒目数60-80目，钻头胎体材质为金属粉末热压烧结而成，硬度HRC25～30，见矿后采用台阶式钻头，里面伸出10mm左右，防止冲洗液冲刷岩心，同时改变钻进参数为小泵量、低钻速、增大适量钻压，解决了矿心采取率问题。
5.钻进工艺
5.1孔身结构
开孔地层碳酸盐斜长云母片岩，Φ130mm钻头开孔钻进至孔深2m，下Φ127mm孔口管2.2m；孔深2～20m孔段，孔径由Φ130mm改至Φ110mm，钻进至20m，在2～20m段下Φ108mm套管，改至Φ，91mm正常钻进。
5.2冲洗液
使用了陶土粉、重晶石粉、CMC冲洗液。冲洗液的配方：陶土粉+水+0.1～0.2%碱+0.2%CMC+重晶石粉；冲洗液制作：陶土粉经搅拌机充分搅拌，分散后加入CMC、再加重晶石粉或水泥，放入泥浆池中，现场目测泥浆混合均匀、手感有一定的润滑性，密度为1.10～1.4kg/L，粘度26-32S。
5.3钻进参数
第一阶段：孔深为0～17m孔段，采用顶涌钻进。转速350～500r/min，在确保钻孔和设备安全的前提下，提高钻速；孔底钻头压力控制在6～8kN为安全经济钻压；泵量选择60～80L/min，在钻进过程中还应视泵压表的反应来控制泵量，泵压要大于涌水压力。在8～17米孔段，由于涌水量大于30m3/h，无法施工，而采用“双液注浆泵”进行水泥封堵后，用Φ110mm钻具扫孔至17m后钻进到20m，下Φ108mm套管隔水，改至Φ91mm钻具正常钻进。
第二阶段：孔深为20～80m孔段，此孔段为白云二长片麻岩，由于20米以上已采用套管隔离，孔内涌水量﹤2m3/h，地层比较完整，采用顶涌钻进，转速控制在400～600r/min；孔底钻头压力控制在8～12kn；泵量选择60L/min。
第三阶段：孔深为80～151.15m孔段，此时的钻压控制在8～10kN，转速350～500r/min，泵量选择60L/min。要时刻注意钻进参数的变化。 在孔深80m以后的钻进过程中，操作者要精力集中，不得有任何疏忽。主要是见矿后要立即采用专用台阶式孕镶钻头，钻头内环超前10mm左右，防止冲洗液冲刷岩心，同时改变钻进参数，小泵量、低钻速、增大适量钻压，解决了磷矿心采取率问题。
5.4钻遇问题及处理措施
5.4.1涌水地层处理措施
涌水地层主要是层间水有一定的压力，即所谓的地下承压水。钻孔钻穿隔水层至下部的含水层后，必然会打破层间水的压力平衡，钻孔与破碎地层相通，由于压差的作用，下部的水就存在向上的顶力。解决的方法是：
1、小涌水量（泥浆密度为1.10～1.4kg/L能控制住涌水），在较完整性地层，采用顶涌处理措施，注意泥浆泵送水性能正常，经常检查、保养好，专人看管，发现问题及时处理。注意水泵压力和钻具的工作状况。根据孔底沉渣情况，如果孔底沉渣超过50cm，钻进回次后提钻前用优秀质泥浆冲孔，把孔内岩粉带上来，保证下钻到底。
在-450米以上的松散、破碎岩层段下套管护壁，以下则采用加重晶石粉的泥浆钻进。加重晶石粉来提高泥浆密度，平衡地下水压力，其调整主要是根据泥浆消耗的量来定，钻进时：孔内泥浆减少，需调小泥浆密度；孔内泥浆增多，需调大泥浆密度；孔内泥浆或减或，需及时调小或调大密度。同时在泥浆中加入适量的增粘降失剂（CMC）。
2、中涌水量（泥浆密度达到1.4kg/L时控制不住涌水）采用水泥加水玻璃封堵。在封孔堵涌之前，要进行水泥浆与水玻璃量的配比实验，根据实验结果确定水泥浆与水玻璃量的配比和凝固时间；检查水泵、管道，保证水泵性能完好和管道畅通。
下钻杆到底，用清水冲孔到底后提离孔底1-2m；用搅拌机桶按试验好的配比配置水泥浆，并加入水玻璃。加量：按水泥重量的4%～8%（速凝剂为50%溶液），以配比实验数据为准；把配置好的水泥浆用泵通过钻杆送入孔内涌水地层孔段，边送边提钻具，送浆的过程中要抓紧时间，防止钻具被凝固到孔内；钻具提出来后要抓紧时间用清水清理钻具和水泵管道；封孔停待时间则以地面配比实验的时间+孔内特殊情况时间（一般增加4小时），到时间后即可进行通孔施工。
3、大涌水量时（水泥封堵被稀释掉，钻具下不下去）采用“双液注浆泵”进行封堵：原理是采用可同时实现两种液体的吸排泵，泵出的两种液体在钻孔内混合后能迅速凝固，在涌水处瞬时形成封闭堵水。水泥漿与水玻璃的配比是水泥浆：水玻璃=1：0.7～1，这个配比的混合液在喷出来后很短时间内就形成初凝。
注浆方法：加工一根2.5米长的短管，一头焊三个阀门（准备二接头注浆，一阀门泄水，泄水阀可选择大一些）且全部打开，将管子另一头下到孔里，留高出孔口地面0.5米不最佳，将三个阀门同时打开通水，在孔口管子四周用“双液注浆泵”注浆封堵，等待一段时间后，确保能将短管牢固固定在孔口。
此时，将注浆泵的二根高压管接到管子头阀门上，关掉其他泄水阀门，用注浆泵往孔内压混合浆液，此孔我们压了50多包水泥浆下去，堵住了涌水，且堵涌的效果非常好，保证了我们该钻孔顺利完成。
5.4.2钻杆易断处理措施
此孔钻杆折断事故时有发生，主要原因是在软层，涌水、透水性很强地层钻探，钻孔扩径严重，又无法保持使用到性能稳定的泥浆，故钻杆不能得到有效润滑，对钻具的磨损极大，钻孔形成大肚子，造成钻杆折断。在大肚子孔段，是钻杆频繁断裂的位置，在过去的钻探施工中，我们也经常碰到此类事故，遇地层条件较好的钻孔断钻具，下公锥很容易打捞起来，但一旦遇到这样的复杂地层，很容易造成孔内复杂化，很难处理好，即便处理成功，也必定是劳民伤财。因此，孔内断钻具造成的钻孔报废事故往往居于高位。
我们采取的措施是：下套管到隔水层、水泥封孔堵涌、钻杆摸黄油，减少回次钻进时间，增加钻杆黄油保养的频率，以减少摩擦来防止钻杆折断，从而保证了钻孔顺利完成。
5.4.3孔壁掉块卡钻处理措施
钻孔经常出现掉块：经分析，本钻孔软层松散、破碎带裂隙发育，出现掉块也很正常，钻进中孔内也不稳定，经常掉块卡钻，下钻时也要扫孔才能下钻，辅助时间特别多。还由于不能保持性能正常的泥浆钻进，使用清水钻进则不能很好地携带出孔内悬浮岩粉，另一方面，由于钻具的敲打和碰击孔壁岩石，造成钻具自身磨损的加快、孔内掉块等隐患。
对该处的处理方法是：一是控制提下钻速度，防止由于提下钻的负压抽吸作用，井底压力产生变化，孔底压力失衡造成的孔壁掉块或坍塌，提完钻具后立即将性能优良的泥浆往孔内回灌，保持孔内地层压力平衡；二是时刻注意孔内沉渣情况，一旦发现沉渣增多，就必须调配好泥浆冲孔，确保孔底干净，同时平稳提下钻，减少钻具的抽吸和泥浆的激荡作用对钻孔的破坏；三是采用全孔泥浆施工，调配好泥浆性能。四是严重情况采用水泥封孔。
6.结语
通过ZK202钻孔的施工，我们克服了工期较紧、坑道受高度施工场地小、环境差的限制、涌水量大等各种各样的施工困难。经过精心组织，结合钻探施工实际，制定出了合理的钻进参数，并通过对钻头改进、顶涌钻进、加重泥浆使用、水泥封孔、“双液注浆泵” 固壁等技术，解决了大涌水对施工造成的困难，圆满地完成了任务，取得了良好的钻探和地质效果，不仅给坑道钻探施工积累了宝贵的经验，同时对以后的坑道施工具有借鉴、指导作用。