提高软弱破碎岩层岩芯采取率的探讨研究

提高软弱破碎岩层岩芯采取率的探讨研究

赵呈冉

兰州铁道设计院有限公司甘肃兰州730000

摘要：岩芯采取率是判断钻探施工质量的重要指标之一，在地质勘察中经常会遇到诸如断层破碎带、滑坡滑面带、软弱夹层等软弱破碎岩层，岩芯的采取率极低，甚至取不上岩芯，钻探效果也相应较低，给工程质量、进度造成一定影响。本文通过结合兰合铁路勘察项目，从影响钻探质量的技术和管理两方面，详细论述在断层破碎带地层钻探过程中所采取的一系列针对性对策措施和相关研究，总结了一套系统完善的钻探体系，有效提高了软弱破碎岩层岩芯采取率，以期为同类条件下地质勘察钻探提供借鉴。

关键词：钻探；软弱破碎；岩芯采取率

1工程概况

兰合铁路位于甘肃省西南部，北起甘肃省兰州市，向南经永靖县、临夏回族自治州到达甘南藏族自治州合作市，系目前临夏、甘南两自治州对外联系的唯一铁路通道，长度约179.238km。全线地处黄土高原与青藏高原的过渡地带，在青藏高原低中山区，河谷深切，基岩裸露，地质构造发育，沿线发育多条大型断裂构造，断层附近岩体破碎。尤其在沿线王格尔塘附近，发育一长大断裂（F8切龙沟～得木强南斜冲断层），该断层为逆断层，压扭性，走向总体上为北西西向，倾向南南西，倾角为70°～80°，延伸长度约44公里，该断层主要发育于二叠系炭质板岩地层内，炭质板岩强度低，且受附近断裂影响，岩体极其破碎，属于软弱破碎岩层，断层破碎带相对较宽。

2研究背景

兰合铁路在前期勘察工作过程中，发现在王格尔塘段钻探过程中岩心平均采取率较低，仅为54%（如图1所示），未能满足规程要求的65%[1]，尤其在断层附近炭质板岩软弱破碎岩层中，岩芯为岩粉状，无法辨识，严重影响断层破碎带范围的判定和炭质板岩的围岩等级划分，以致该段工程设置存在不确定性，影响全线方案的稳定。因此，在该铁路项目定测勘察前，地质勘察项目组针对上述问题，开展相关研究，提出有效措施，保证钻探质量，准确查明断层破碎带宽度及炭质板岩的地层围岩情况，为线路方案选线设计和合理设置工程类别提供合理依据。最终在实践中从技术、管理两方面结合，总结出一套完善的针对软弱破碎岩层的钻探操作规程，在今后类似项目中推广应用，以有效提高软弱破碎岩层岩芯采取率，保证钻探质量，提高勘察效率。

3影响因素研究分析

（1）根据现场调查收集的资料和实践活动中发现的问题，通过梳理、总结，采用因果分析图，分别从人员、材料、方法、环境、设备五个方面确定了影响软弱破碎岩层岩芯采取率的末端原因（如图2所示）。

（2）通过进一步深入分析论证，认为造成采取率过低的主要影响因素如下：

①岩体软弱破碎、地下水发育

炭质板岩，成份主要为黏土矿物，泥质结构，薄层板状构造，节理发育，岩质极软，遇水易软化，锤击多呈薄片状，且受附近大断裂影响，岩体极其软弱、破碎，力学强度极低。钻进时进入到内管的岩芯容易被震碎，提钻时内管及卡簧夹持不住岩芯造成岩芯采取率不足[2]。由于地下水较发育，造成循环液返液量大于泵入量的现象，循环液被稀释，不能在岩芯表面形成坚韧的泥皮以保护岩芯，致使岩芯受磨擦损耗[3]。

②钻进工艺影响

钻具的选择对采取率有很大的影响，由于单管单动岩心管在钻探过程中，钻取岩芯进入岩心管后，随着岩心管一起旋转、晃动，与岩心管内壁碰撞、摩擦，并接受循环液冲刷，最终导致岩芯破碎、磨圆，细小岩粉随循环液返回孔口，导致岩芯质量损失量严重，造成岩芯采取率极低。

③循环液影响

循环液为钻探过程中的一种冲洗液，又被称为钻探的“血液”。其主要有以下四种功用：冷却钻头、清洗孔底、保护孔壁以及润滑钻具。然而在单管钻进中冲洗液会冲刷整个岩芯，会造成对岩芯的严重漏失。双管钻进中岩芯进入内管后虽然冲洗液不会再直接冲刷岩芯但在钻头部位克取岩芯时对软弱破碎岩层的冲刷也会造成岩芯采取率降低[2]。

④钻进参数影响

冲洗液用量、泵压、钻机转速、钻压、回次进尺等钻进参数的选择也会对岩芯采取率造成一定的影响。

⑤管理不当，盲目地追求效率，人员操作技术不符合规程要求。

4对策措施研究分析

通过深入细致讨论分析，针对主要影响因素分别制定了对策措施，详细的对策措施实施如下：

（1）钻具的选择

经过小组成员讨论，一致认为应采用双管单动岩芯管（如图4所示）替换单管单动岩芯管，双管单动岩芯管在钻进过程中，外管转动而内管不转动，避免了因钻具转动而产生的摩擦振动对岩芯的机械破碎作用，从而可以保证岩芯采取率和完整性。

（2）循环液的选择

利用植物胶浆液替代泥浆作为循环液，有效降低了泥浆循环液对软弱破碎岩层的冲刷，另外植物胶浆液能在岩样表面形成坚韧的胶膜，可胶结包裹软弱的岩芯，使软弱破碎的岩芯保持原状结构，同时利用植物胶的润滑作用又能减少钻具震动，有效提高了岩芯采取率。

（3）钻进参数的控制措施

①冲洗液量：在达到排粉、冷却钻头、润滑钻具的前提下，尽可能采用小泵量，减少冲洗液对松散岩层的扰动，一般采用60～80L/min。

②钻压：在钻取软弱破碎岩层时，单位钻压宜控制在0.7～0.8kN。

③转速：采用较低的转速减少对岩芯的扰动，钻速宜控制在150～180r/min。

④回次进尺：回次进尺宜控制在0.5～0.7m，并提出了“少钻、勤提”原则（4）管理措施

①选取技术水平高、操作熟练的专业钻探队伍，严格查验钻探队培训档案记录。

②钻探过程中，加强钻探工程技术人员和地质工程技术人员的现场配合，对钻探情况及时进行总结，检查、指导钻机人员正确操作和使用取芯工具及其它钻进参数的选择，对出现的问题及时采取有效措施予以解决。

③制定严格的奖惩措施，对全孔或局部岩芯采取率不能够达到65%目标的钻孔，给以“废孔处理”的强制措施，对岩芯采取率高的机组，可适当增加钻孔单价，激发机组提高岩芯采取率的积极性，保证钻探质量。

5对策效果研究分析

通过采取上述对策措施，并在实践中实施落实，取得了如下成果：

（1）软弱破碎的炭质板岩岩芯采取率得到了大幅度提高，各孔岩芯采取率均大于65%，最高为92%，最低为72%，平均值为81%，实现了目标（如表1所示）。

（2）通过采取岩芯的对比分析，准确查明了断层破碎带宽度，根据采取的完整炭质板岩岩样，进行室内物理力学性质试验，获得了地层围岩情况有关参数，为线路方案选线设计和合理设置工程类别提供了有力依据，从而保证了勘察设计质量和整个建设工程的顺利进行。

（3）通过从钻探技术与管理两方面结合，采取相应对策措施，建立了一套完整的提高软弱破碎岩层采取率的钻探体系，并制定了《软弱破碎岩层钻探操作规定》，下发项目所有钻机组，要求机组对照执行，从而保证了整个项目软弱破碎岩层的岩芯采取率，同时也为其它同类条件下地质勘察钻探提高岩芯采取率提供了一些借鉴。

6结论

（1）影响软弱破碎岩层岩芯采取率的因素是多方面的，不仅涉及钻探工艺技术，还与钻探过程中的管理密切相关，只有通过两者相互结合，建立一套系统完善的钻探体系，并在实践中得到针对性应用，才能切实提高岩芯采取率。

（2）由于软弱破碎岩层本身地质条件的复杂性、多样性，如何有效提高软弱破碎岩层岩芯采取率，还需要继续在实践中不断总结经验，引进新技术、新方法，进一步完善钻探体系。

参考文献：

[1]TB10014-2012铁路工程地质钻探规程［S］

[2]王京浦.在复杂岩层提高岩芯采取率的经验探讨[J].西部探矿工程，2012（12）：48-51.

[3]白福春，钱超英.露天煤矿边坡勘探提高岩芯采取率的施工工艺探讨[J].露天采矿技术，2008（2）：15-18.

作者简介：

赵呈冉（1981-，男，工程师，2006年毕业于中国地质大学岩土工程专业，工学学士。）

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