『壹』 崩塌調查評價的技術方法
崩塌地質災害的調查評價涉及很多技術方法，主要有:遙感圖像解譯、工程地質測繪、地球物理勘探、鑽探、山地工程、室內試驗及現場試驗、模型試驗和模擬試驗、動態監測等。
(一)遙感圖像解譯
1.基本要求
1)遙感圖像解譯應在搜集資料階段完成，並編制工程地質解譯圖，為野外踏勘和設計編寫服務。
2)區域性解譯採用1∶50000～1∶67000的航片，崩塌體部分選用大比例尺(1∶10000～1∶1000)航片。有條件時，宜採用多時相的彩紅外、紅外、彩色、黑白、側視雷達等多種航片進行綜合解譯。
3)一般採用目視解譯，盡可能對航片進行光學處理和數字處理，突出有效信息，提高解譯水平和效果。
4)建立不同航片的直接解譯標志(形態、大小、陰影、灰階、色調、花紋圖形等)和間接解譯標志(水系、植被、土壤、自然景觀和人文景觀等);進行室內解譯，編制解譯地質圖和像片鑲嵌圖，規劃調查工作和要解決的重點問題。
5)進行解譯驗證，建立准確的解譯標志，同時建立健全解譯卡片和驗證卡片，以積累詳細准確的地質資料。
6)提交的成果為:①解譯災害地質圖;②解譯卡片;③驗證卡片;④典型相片集;⑤解譯報告;⑥調查所需的其他解譯圖件。
2.解譯內容
1)劃分地貌單元，確立地貌形態、成因類型、微地貌形態及發育特徵;確定地貌與地質構造、地層岩性與工程地質條件之間的關系;確定崩塌體產出的地貌單元，分析判斷崩塌與地貌的關系。
2)解譯崩塌體產出的地層岩性特徵。
3)解譯崩塌與構造的關系。確定主要構造形跡(褶皺、斷層)的分布和規模，與崩塌形成的關系。
4)解譯地表水、地下水對崩塌形成及其堆積物穩定性的作用及影響。判定大泉、泉群、地下水溢出帶，確定窪地、漏斗、落水洞、天坑等岩溶現象的分布，圈定地表水體分布范圍，了解水系發育特徵。
5)解譯崩塌體邊界，推測其厚度和體積，判譯其形成機制和類型。根據崩塌區地貌形態、植被情況及彩紅外影像特徵等，初步分析崩塌的形成時間和穩定狀況。
6)推斷危岩體將來發生崩塌的體積、范圍、方位、位移距離，圈定成災范圍，分析派生災害，初步進行災情評估。
(二)工程地質測繪
1.基本要求
1)比例尺的確定:綜合區域工程地質測繪為1∶25000～1∶50000;崩塌災害環境地質測繪初步調查為1∶10000～1∶1000，可行性研究階段測繪為1∶2000～1∶500。
2)測繪范圍:外圍環境地質調查，以查明與崩塌體成生有關的地質環境和小區域內崩塌發育規律為准;崩塌體的測繪范圍應為其初步判斷長寬的1.5～3倍，並應包含其可能造成危害及派生災害成災的范圍。
3)使用的地形圖必須是符合精度要求的同等或大於測繪比例尺的地形圖。
4)實測地質體的最小尺寸一般為相應圖上的2mm。特別重要的，不足2mm可擴大表示，但須註明實際數據。地質點位與地質界線的誤差不應超過圖上的2mm。
5)開展測繪之前，應實測地層剖面，建立地層岩性柱狀圖，確定填圖單元。
6)測繪方法採用穿越和追索相結合。重要邊界要追索。覆蓋地段應採取人工揭露。
7)觀測點布置應目的明確、密度合理，崩塌邊界、地質構造、裂縫等要有足夠的點控制。觀測點的類型分為:岩性點、地貌點、地質構造點、裂隙統計點、水文地質點、外動力地質現象點、裂縫調查點、崩塌壁調查點、崩塌體調查點、崩塌變形點、災情調查統計點、人類工程活動調查點、采樣點、試驗點、長觀點、監測點等。
8)觀測點的測量要求:測繪比例尺小於1∶5000時，採用目測和羅盤交會法定位，高程可根據地形圖和氣壓計估算。測繪比例尺大小1∶5000時，必須用儀器測量。重要的觀測點、勘探點、監測點，不管比例尺多大，均須用儀器測量。
9)野外記錄要求:①採用專門的卡片記錄觀測點，分類系統編號，卡片編號與地點號一致;②記錄須與野外草圖相符;③描述應全面又突出重點;④進行點與點之間的路線描述和記錄。
10)採集具代表性的岩土樣、水樣進行鑒定和室內試驗。
11)測繪過程應經常校對原始資料，及時進行分析，及時編制各種分析圖表，及時進行資料整理和總結，及時發現問題和解決問題，指導下一步工作。
12)測繪工作結束，原始資料整理完畢，應組織野外驗收。在全面系統的資料整理和初步分析研究的基礎上，應提出以下原始成果:①實際材料圖;②野外地質草圖;③實測地層柱狀圖;④實測地層剖面圖;⑤觀測點記錄卡片;⑥山地工程記錄表及素描圖;⑦長觀記錄和監測記錄;⑧岩土、水樣試驗成果一覽表;⑨照片冊;⑩文字總結;瑏瑡數據化的資料。
2.測繪內容
1)岩體工程地質測繪:查明岩體的地質時代、成因類型、岩性、接觸關系等。
2)土體工程地質測繪:查明土的粒度成分、礦物成分、密實度或稠度、空隙性、土體結構、成因類型及地質年代等。
3)地貌和斜坡結構調查:①以微地貌調查為主，包括分水嶺、山脊、斜坡、谷肩、坡腳、懸崖、溝谷、河谷、河漫灘、階地、剝蝕面、岩溶微地貌、塌陷地貌和人工地貌等。調查描述各地貌單元的形態特徵(面積、長度、寬度、高程、高差、深度、坡度、形體特徵及其變化情況)、微地貌的組合特徵、過渡關系及相對時代;②重點調查崩塌體產生的地貌單元，側重於溝谷地貌和斜坡地貌的調查，查明斜坡的結構類型與坡面特徵;③分析岩溶地貌、流水地貌與崩塌的關系;④調查人工地貌(采場、水庫大壩、道路、人工邊坡等)與崩塌的關系。
4)地質構造調查:理清調查區構造輪廓、構造形跡特點，調查褶曲、斷層、節理裂隙的位置、產狀、規模、力學性質及其與崩塌的關系。
5)新構造運動和地震調研:以收集資料為主。
6)水文地質調查:調查地表水體的位置、范圍、動態與地下水的關系，地下水的補、徑、排條件，地下水露頭的位置、出流特徵、動態變化等。在此基礎上，綜合分析地表水、地下水對崩塌的作用。
7)人類活動調查:調查人類工程活動的現狀與規劃、人類活動誘發的不良地質現象或地質災害。
8)崩塌區的調查:①查明崩塌區的地質結構:包括地層岩性、地貌、地質構造、岩土體結構類型、斜坡組構類型及其對崩塌形成的控制和影響。岩土體結構要重點記錄軟弱夾層、斷層、褶曲、裂隙、裂縫、岩溶、采空區、臨空區、側邊界、底邊界;②查明崩塌區的水文地質特徵，包括地表水入滲及產流情況，崩塌體內地下水水量、水質及侵蝕性;③早期崩塌的運移和堆積;④未來崩塌成災條件下可能的運移和堆積;⑤本次崩塌災害可能派生的災害類型(如泥石流、滑坡、涌浪等)和規模、成災范圍、災情預評估。
9)環境地質體調查:調查崩塌區外的地質體的穩定性，為防治工程持力層選擇提供依據。
10)孕災因素調查:調查與崩塌形成有關的孕災因素(如降雨、地表水沖蝕、地下水活動、人工爆破、地下開采、水渠滲漏等)的強度與周期。
(三)地球物理勘探
物探技術要求按現行的專業標准執行，主要物探剖面應與工程地質剖面一致。
(四)鑽探
1.基本要求
1)要編制鑽孔設計書(包括鑽孔的目的、類型、深度、結構、鑽探工藝等)。
2)鑽孔深度應穿過崩塌體底界。進入穩定岩(土)體3m(土體)至5m(岩體)。
3)孔徑應滿足取心及測試要求。
4)要進行鑽空簡易水文地質觀測。
5)鑽孔結束後應作封孔處理，按要求保留岩心。
2.鑽孔地質編錄
這是最基本的第一手成果資料，應在現場及時地分回次進行記錄;要注意殘留岩心的分配和岩心採取率的計算;鑽孔地質編錄應使用統一的表格。
1)岩心的描述:堅硬岩層，應描述岩石名稱、顏色、成分、結構、構造、節理裂隙、風化及破碎程度、岩心長度和完整性等;卵、礫層，應描述其名稱、顏色、岩性、成分、大小、形狀、充填物含量及膠結情況;砂類土層，應描述其名稱、顏色、成分、粒度、干濕狀態、夾雜物等;粘性土，應描述其名稱、顏色、成分、結構特徵、可塑性、稠度等。
2)節理裂隙描述:確定節理裂隙類型、成因、連續性、張開程度、充填物、裂隙率;斷層描述:斷層性質、破碎帶寬度(深度)、擦痕、構造岩、岩心完整性、漏水和涌水情況等。
要重視岩溶、裂縫、滑帶及軟弱夾層的描述和地質編錄，水文地質觀測記錄和鑽進異常記錄，取樣記錄。
3.鑽探成果
鑽孔終孔後，要及時整理並提交鑽探成果，包括鑽孔設計書、鑽孔柱狀圖、岩心素描圖、岩心照片、簡易水文地質觀測記錄、取送樣單、鑽孔報告書等。
鑽孔柱狀圖的比例尺一般為1∶100至1∶200，以能清楚表示主要地質現象為准。圖的內容、樣式、標注等應符合相應的規范。
4.鑽探方法解決的主要問題
1)查明崩塌體的岩性、地質構造、岩土體結構、風化帶、岩溶、邊界條件和崩塌體的形態特徵、規模。
2)查明崩塌區的水文地質條件，採取地下水樣。
3)探測隱伏裂隙、地表裂隙的深度、發育特徵、充填情況、充水情況和連通情況。
4)採取岩土體物理力學室內試驗樣品，進行水文地質野外試驗(壓水、抽水、注水、擴散試驗等)和長期觀測，確定水文地質參數，查證崩滑帶位置和特徵。
5)進行物探綜合測井和跨孔測井，擴展探測范圍。
6)進行崩塌變形長期監測和施工期變形監測。
(五)山地工程
1.山地工程解決的問題
1)試坑:深度小於3m。用於剝除浮土，揭露基岩，了解岩石及風化情況，或用作載荷試驗及滲水試驗。
2)探槽:深度一般不超過3m。用於剝除浮土，揭示基岩，多垂直於岩層走向布設。用於追索構造線、斷層、崩滑體邊界，了解殘坡積層的厚度、岩性等。
3)淺井、豎井:淺井深度小於15m，豎井深度大於15m。用於探查風化岩體的劃分、岩土體的結構構造、軟弱夾層、裂縫和溶洞等，進行原位試驗及變形監測。
4)平斜硐:一般斷面為1.8m×2m，適用於岩層傾角較陡以及斜坡地段。用於勘查地層岩性、岩體結構構造、斷層、裂縫和溶洞等，並用於取樣、現場原位試驗及現場監測。
5)平巷、石門:沒有直接地表出口而與豎井相連接的近水平坑道，不常用。
2.山地工程的地質工作
(1)地質編錄內容
1)揭露的岩土體名稱、顏色、岩性、結構、構造、層面特徵、厚度、接觸關系、地質時代、成因類型、產狀。軟弱夾層應放大比例尺進行素描，並注意其延伸性和穩定性。
2)岩石風化特徵及風化卸荷帶的劃分，風化與裂隙、裂縫的關系。
3)斷層:產狀、規模、斷距、斷層形態與展布特徵、破碎帶的寬度、構造岩、兩盤岩性、斷層性質等。
4)裂縫、裂隙:逐條描繪裂縫及貫穿性較好的節理，記錄其性質、壁面特徵、成因、裂縫張開、閉合情況、充填情況、連通情況、相互切割關系、錯動變形情況、滲漏水情況。
5)崩滑帶及重力變形帶作為描述的重點，放大表示。要描述其厚度、岩性、物質組成、構造岩、產狀、含水情況等。
6)水文地質現象:注意滴水點、涌水點、滲水點、連通試驗出水點、臨時出水點。關注其產出位置、水量，與裂縫、裂隙、岩溶及老窿的關系，水量與降雨的關系。
7)記錄各種試驗點、物探點、長觀點、取樣點、拍照點、監測點的位置、作用、層位、岩性及有關的地質情況。
(2)地質素描圖的有關規定
1)比例尺一般為1∶20～1∶100。
2)探槽的素描繪制一壁一底的展示圖。若兩壁地質現象不同，則繪制兩壁素描圖。槽底長度可用水平投影，槽壁按實際長度和坡度繪制，也可採用壁與底平行展開法。
3)淺井、豎井的素描，展示圖一般作相鄰的兩壁，平行展開，註明壁的方位。圓井展示圖以90°等分分開，取相鄰兩壁平行展開繪制，斜井展示圖需註明其斜度。
4)平硐素描展示圖繪制洞頂和兩壁。展開格式為以洞頂為准，兩壁上掀的俯視展開法。當洞向改變時，需註明轉折前進方向，洞頂連續繪制，兩壁轉折時凸出側呈三角形撕裂叉口。洞深計算以洞頂中心線為主。洞頂坡度一般用高差曲線表示。
5)開挖過程中的編錄:及時記錄掘進中遇到的裂縫、滑帶、出水點、水量、頂底板變形等現象。一般隔5m作一個掌子面素描圖。對於圍岩失穩而必須支護的地段，應及時進行素描、拍照、錄像、采樣及埋設監測儀器。
(3)取樣及原位試驗
按有關規定和設計要求，原位試驗硐段視需要進行地質素描及試件素描。
(4)錄像
有條件應對重型山地工程進行錄像。錄像時要記錄方位及主要地質內容。
3.山地工程提交的成果
地質素描圖、重要地段施工記錄、照片集、錄像、取樣送樣單、各種點位記錄、重型山地工程勘查小結等。
(六)試驗
目的是查明崩塌地質體及其賦存環境，為穩定性評價、模型試驗、模擬試驗和防治工程設計提供必須的岩土物理力學參數和水文地質參數。
1.試驗工作布置原則
1)岩土成分鑒定和基本物理性質、水理性質測試，宜以岩性層或工程地質組、段為基本單元，每單元各取3～5組。
2)測試工作的重點應放在崩滑帶。崩滑帶的力學屬性具有不均一性，應重點測試主要軟弱面(最弱面)。要對崩滑帶進行面上的控制。參與統計的力學指標數不宜小於6個。
3)實驗工作應與其他工作緊密結合，充分利用其他手段進行取樣和試驗。如標准貫入試驗、旁壓試驗、深部采樣和水文地質試驗可充分利用鑽探;表層采樣和原位試驗可充分利用山地工程。
4)試驗工作的布置應室內、現場相結合，現場試驗耗資大且限制條件多，不宜過多投入，要根據工作階段及實際需要合理安排。
5)對於初步選定的防治工程持力層的岩、土體，可根據防治工程的類型、荷載、受力方式和可能產生的變形形式選擇測試項目。如評價持力層的抗滑穩定性、岩體抗拉穩定性、地基承載力和抗滑定性等。
2.試驗內容和方法
試驗的對象、內容和方法，取決於工作階段及其精度要求。
1)初勘階段:對崩塌—危岩體，試驗要能滿足評價其變形破壞特徵和穩定性計算。對於相關的環境岩體(周邊岩體、崩塌位移作用的地質體、防治工程持力岩土體、可能危及崩塌體的其他災害岩土體等)，試驗以能滿足其穩定性和環境地質問題的定性評價為主。這個階段以收集資料和室內試驗為主。
2)預可行階段:對崩塌—危岩體要進行分析和穩定性計算所需的測試。對相關環境岩體要進行穩定性評價等所需的簡要測試。對持力岩體要進行定性或半定量分析評價所需的有關簡要試驗。方法以現場測試為主，同時進行相應的室內試驗。
3)可行性研究階段:對崩塌體要進行較為詳細的試驗，為變形分析、穩定性計算、模型試驗和模擬試驗提供所需的參數。對相關環境岩體，進行簡要試驗，以滿足穩定性定性評價和環境地質問題定性研究的需要。對於持力岩體，進行一定的試驗，為穩定性計算和防治工程方案設計提供所需的參數。試驗方法以現場測試為主，同時進行相應的室內試驗。
3.試驗項目的選擇
應根據崩塌的失穩機制和變形破壞的力學機制分析，選擇必須的試驗項目。
1)滑移式崩塌的測試項目為:①岩土成分、物理性質、水理性質;②彈性波速;③弱面抗剪強度;④水文地質試驗。
2)傾倒式崩塌的測試項目為:①岩土成分、物理性質、水理性質;②彈性波速;③底部弱面抗拉強度;④岩塊間岩面摩擦強度;⑤岩體抗拉強度。
3)拉裂式崩塌的測試項目為:①岩土體成分和物理性質;②抗拉強度。
4)鼓脹式崩塌的測試項目為:①岩石成分、物理性質、水理性質;②彈性波速;③底部軟弱層無側限抗壓強度。
5)錯斷式崩塌的測試項目為:①岩石成分、物理性質、水理性質;②彈性波速;③底部岩土體抗剪強度。
4.測試方法和測試條件的選擇
要根據崩塌岩土體的特徵和賦存環境選擇適宜的測試方法和測試條件。
1)室內滲透試驗適用於砂性土、粘性土。混合土和碎石土應考慮現場試驗。
2)室內壓縮試驗適用於粉土和粘性土，其他土類應選擇現場試驗。
3)室內直剪試驗適用於粘性土和砂土類(樣品中大於2mm的礫、塊石均要撿出)。角礫狀滑帶土或級配混雜的碎屑狀滑帶土宜考慮現場試驗。
4)土樣中粒徑大於10mm的顆粒較多時，不宜做室內三軸剪切試驗。宜選擇現場實試驗。
5)砂類土、粘性土和黃土類宜採用靜力觸探。
6)淺埋防治工程選用的地基土，可採用承壓板壓縮試驗;埋深較大(5～15m)的地基土，宜採用螺旋板荷載試驗或旁壓試驗。
7)土體崩塌不能採用鑽孔壓水試驗;崩塌體內有一定水位和水量時，可進行提水試驗或適當的抽水試驗;崩塌體內無水或微含水條件下，穩定條件允許時可採用控制性鑽孔注水試驗或地表滲水試驗。
8)在岩體中進行現場試驗難度極大，應根據彈性波觀測和室內試驗作選擇。
9)風化岩體和軟岩土可作預鑽式旁壓試驗。
10)尚未形成貫通性弱面的危岩體應進行現場直剪試驗;沿一定弱面滑移的危岩體應進行現場直剪試驗。
11)水庫型岩崩-危岩體，岩體裂隙發育時，考慮水庫高水位淹沒部分危岩體，可作抽水試驗或鑽孔壓水試驗。作壓水試驗前，須論證其是否影響危岩體穩定性。
12)人工快速對開裂岩土崩塌體裂縫內注水進行充水試驗和連通試驗，是十分危險且有害的，任何情況下都不能進行。
5.試驗成果的分析應用
承擔試驗工作的單位應提交對崩塌地質體的綜合測試報告，內容包括:①測試對象、試驗方案、試驗項目的確定及依據;②試驗要求及有關規范;③試驗技術及試驗過程(試驗概述、試件制備、試件數量及特徵、試驗儀器、試驗程序、成果整理);④試驗成果及綜合分析;⑤試驗成果建議值。
試驗成果只能作為穩定性計算和防治工程設計的參考。計算參數及設計參數取值應在反演分析及其他分析的基礎上，結合試驗成果、模型試驗、模擬試驗和專家經驗等予以綜合確定。
(七)動態監測
1.動態監測的目的和任務
1)動態監測的目的:①評價地質災害的活動性及穩定性;②通過監測崩滑變形塊體變形的分布、規模、位移方式、方向和速率等，為分析崩塌體的變形特徵、變形機制，進行穩定性評價服務，同時為防治工程設計提供重要依據;③為勘查施工安全提供預警預報，對重型山地工程施工對崩塌體的擾動及時反饋，控制勘查施工部位和施工強度，為防治工程設計提供參考;④為今後建站進行長期監測奠定良好的基礎。
2)動態監測的任務:①查明崩塌體正在變形破壞的主要塊體、主要部位、主要破壞方式、主要變形方向和變形速率;②進一步認識崩滑體的形體特徵，分析其變形規律、發展趨勢、形成機制，分析評價崩塌體的穩定性和論證防治工程設計;③監測崩塌相關成災因素(如降雨、地表水、地下水和人類活動等)及其強度，分析評價它們對崩塌體穩定性的影響。
2.動態監測的內容與方法
(1)絕對位移監測
1)監測內容:崩塌體測點的三維坐標監測，得出測點的三維變形位移量、位移方法與位移速率。
2)監測方法:大地測量法、GPS測量法、近景攝影測量法、激光全息攝影法和激光散斑法。
(2)相對位移監測
1)監測內容:相對位移監測是設點量測崩滑體重點變形部位點與點之間相對位移變化(張開、閉合、下沉、抬升和錯動等)的一種常用變形監測方法。主要用於裂縫、崩滑帶和采空區頂底板等部位的監測，是崩塌監測的主要內容。
2)監測方法:簡易監測法(作標記或埋樁，用鋼尺等定期直接測量)、機測法(採用機械式儀表對裂縫、滑帶和頂底板進行位移或沉降監測)、電測法(常用電感調頻式位移計監測)。
(3)傾斜監測
地面傾斜監測:監測內容為崩滑體地面傾斜方向和傾角變化。監測儀器有盤式傾斜儀、桿式傾斜儀和T字形傾斜儀。
深部傾斜監測:利用鑽孔傾斜儀測量崩滑體內鑽孔傾斜變形反求各孔段水平位移。
(4)聲發射監測
1)監測內容:檢測岩體破裂時產生的聲發射信號，用以判斷岩體變形及穩定狀況，並進行預測預報。
2)監測方法:採用進口或國產的聲發射儀、地音儀等進行監測。
(5)地應力觀測
1)觀測內容:測量崩滑體內地應力的變化情況，分辨拉力區、壓力區及壓力變化，用以推斷岩體變形。
2)監測方法:常用WL-60型應力計，YJ-73型三向壓磁應力計等儀器監測。
(6)地下水監測
1)監測內容:對測區內的地下水露頭進行系統的水位、水量、水溫和水質等項目的長期監測。掌握區內地下水變化規律，分析地下水與地表水及大氣降水的關系，進行地下水的動態特徵與崩塌體變形的相關分析，為穩定性評價和防治工程設計提供水文地質資料。
2)監測方法:利用監測盅、水位自動記錄儀、孔隙水壓計、鑽孔滲壓計、測流儀、水溫計、測流堰和取樣等，監測泉、井、坑、鑽孔、平斜硐與豎井等地下水露頭。
3)適用范圍:當崩塌變形破壞與地下水具有相關性，在雨季或地表水位抬升時崩塌體內具有地下水，應予以監測。
(7)地表水監測
1)監測內容:監測與崩塌相關的溝、溪、河的水位、流速、流量，分析其與地下水的聯系、與降雨量的聯系。
2)監測方法:利用水位標尺、水位自動記錄儀、測流堰等進行監測。
(8)常規氣象監測
1)監測內容及儀器:利用常規氣象監測儀器(溫度計、雨量計、蒸發儀等)進行以降雨量為主的氣象監測。
2)適用范圍:一般情況下均要進行氣象監測，進行地下水監測的崩塌體則必須進行。
(9)地震監測
1)監測內容:地震力是作用於崩塌體上的特殊荷載之一，對崩塌體的穩定性起著重要作用，應採用地震儀等儀器監測區內及外圍發生的地震的強度、發震時間、震中位置和震源深度，分析區內的地震烈度，評價地震作用對崩塌體穩定性的影響。
2)適用范圍:適用於所有的崩塌調查評價。根據我國地震監測的現狀，不宜自行設站監測，應以收集地震資料為主。
(10)人類活動監測
應針對調查區內對崩塌有影響的項目，監測其范圍、強度、速度等與崩塌變形的關系。
『貳』 定向鑽探技術在深部礦體勘探中的應用研究
受控定向鑽探技術是一種可以使鑽孔軌跡按照預定方向延伸的特殊鑽探技術，是利用人工造斜工具使鑽孔按設計軌跡鑽到預定目標的一種鑽進方法。該項鑽探技術可以實現在一個主孔內鑽進多個分支孔，已成功用於急傾斜（陡立）礦體、深部礦體和自然造斜嚴重礦區勘探。同時，也已廣泛用於糾正鑽孔彎曲、補取岩礦心、繞過孔內復雜事故層段等作業。
8.5.1 定向孔設計及其目的
馬坑鐵礦本階段勘探共設計和施工2個受控定向鑽孔（圖8.4）。
圖8.4 定向鑽孔軌跡圖
（a）ZK8321孔；（b）ZK7525孔
設計的原因和目的是：
ZK8321定向分支孔為驗證馬坑礦區ZK8321孔見礦點偏距55～75m處的礦層厚度和避開上部復雜地層、陡峭地形、青苗賠償談判困難等影響而設計，設計孔深900m，見圖8.4a。
ZK7525孔（孔口坐標：X=2767208；Y=39507742；H=595）設計孔深1050m。該孔位於生態林邊緣，機台路要通過生態林區，林業部門不同意在該處進行施工。為了盡快完成年度工作計劃並達到探求鐵礦333資源量的目的，經過多次與林業部門及當地村民進行協調，歷時四個多月，最終選定位於原設計孔位15°方向、平距195m處作為新孔位（孔口坐標：X=2767397；Y=39507774；H=491），並以原設計穿礦點為靶點施工受控定向孔，見圖8.4b。
8.5.2 定向孔軸線軌跡設計方法
定向孔軌跡設計採用傾斜平面設計法，即在空間任意傾斜平面內設計分支孔軌跡的方法，見圖8.5。它假定造斜段的鑽孔軌跡為圓弧形，造斜後鑽孔軸線以直線穿過靶點。按此法設計的定向孔軌跡在由分支點切線和分支孔靶點確定的傾斜平面上。
圖8.5 主幹孔AK與分支孔KDB空間位置圖
P平面為分支孔軸線傾斜平面；H平面為過靶點B的水平面；V平面為主幹孔垂直平面
（1）設計坐標系的建立
建立空間坐標系OXYZ：O為開孔點坐標（0，0，0）；X軸為正向方位αX；Y軸為正向方位αX+90°；Z軸為正向垂直向上。
（2）設計已知條件
1）主幹孔分支點K的孔深LK、頂角θK、方位角為αK，坐標為（XK，YK，ZK）：由測斜及計算求得；
2）分支孔靶點B的坐標（XB，YB，ZB）：由地質部門給定；
3）彎曲強度i：依據粗徑鑽具能否順利通過造斜孔段、鑽柱在孔內工作的安全性和造斜機具造斜能力確定。
（3）定向孔軸線傾斜平面設計步驟與方法
1）求主幹孔分支點切線與靶點B所在水平面的交點C的坐標（XC，YC，ZC）：
福建馬坑鐵礦勘查鑽探技術總結與研究
2）確定造斜段的全彎曲角γ：
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式中：R為曲率半徑，m，R=
3）造斜孔段長度L1：
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4）穩斜孔段長度L2（至靶點）：
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5）分支孔總長度L：
L=L1+L2 （8.5）
6）傾斜平面走向αt：
αt=αK+ω（增方位造斜時） （8.6.1）
αt=αK-ω（增方位造斜時） （8.6.2）
式中：ω=180°-arccos
圖8.6 傾斜平面走向與主幹孔方位的關系
（a）增方位（αt由αK順時針旋轉後得）；（b）減方位（αt由αK逆時針旋轉後得）
7）第一次造斜安裝角φ1（圖8.5中P平面與V平面的夾角）：
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8）造斜孔段設計坐標計算：
設從分支點K開始，造斜鑽進LZ至F點，則有：
（a）全彎曲角γF：
γF=iLZ （8.8）
（b）頂角θF：
θF=arccos（cosθKcosγF-sinθKsinγFcosφ1） （8.9）
（c）方位角αF：
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αF=αK+∆α（增方位造斜時） （8.11.1）
αF=αK-∆α（減方位造斜時） （8.11.2）
（d）坐標（XF，YF，ZF）：
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其中：
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9）穩斜孔段設計坐標（XW，YW，ZW）的計算：
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式中：XW，YW，ZW為穩斜孔段某一點坐標；Xd，Yd，Zd為造斜終了點坐標；LW為從造斜終了點D開始的穩斜鑽進長度；θd、αd分別為造斜終了點的鑽孔頂角、方位角。
（4）設計程序編寫
根據傾斜平面設計法的相關計算公式和已知條件，結合計算機中Excel表格強大的計算功能設計簡便的程序，輸入造斜強度、分支點坐標、靶點坐標，就可得出造斜孔段長度、穩斜孔段長度、造斜安裝角以及鑽孔各位置的頂角、方位角和坐標值。
8.5.3 鑽孔空間位置坐標的計算方法
鑽孔空間位置坐標是按均角全距法計算公式，計算公式為：
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式中：X、Y、Z為下測點坐標值；X0、Y0、Z0為上測點坐標值；L為上、下測點間孔段長度，m；θ、β分別為上下測點頂角、方位角均值；βX為X軸正向方位。
根據鑽孔空間位置坐標均角全距法計算公式，用Excel表格編制計算程序，根據光纖陀螺儀測的孔斜數據，輸入各測點孔深、頂角、方位角數據，就可得出相關的空間位置坐標。
8.5.4 定向鑽進設備
（1）主要設備
定向鑽進主要設備見表8.12。
表8.12 定向鑽進主要設備
（2）螺桿鑽技術參數
螺桿鑽具結構如圖8.7所示，4 LE65-3型螺桿鑽技術參數見表8.13。
圖8.7 螺桿鑽具結構示意圖
表8.13 4LZ-65-3型螺桿鑽技術參數
（3）螺桿鑽造斜鑽具組合
造斜採用的螺桿鑽具組合為：S75繩索取心鑽桿+定向接頭+螺桿馬達鑽具（1°彎外管，出廠時配製）+容心管短節+造斜鑽頭。
8.5.5 造斜定向儀器與定向作業
（1）定向測量儀器
受控定向孔施工採用JTL-40GX光纖陀螺測斜儀（圖8.8）進行定向。光纖陀螺儀（長壽命）屬於自尋北陀螺測斜儀，使用時無需在地面進行方向校準，它可以自主尋北，得出的方位值就是鑽孔傾斜真北方位角，使用非常方便。儀器頂角測量採用重力加速度感測器。
JTL-40GX光纖陀螺測斜儀能在任何地區（南北半球均可）、任何場合（磁性，非磁性，裸孔，套管孔，鑽桿中）應用的測斜儀，雖然價格較貴，但具有精度高、體積小、重量輕、方位零點漂移小、壽命長、維護方便等諸多優點。主要技術指標：
頂角測量范圍：0°～45°，測量精度為± 0.1°，解析度：0.01°；
方位測量范圍：0°～360°，測量精度為± 2°（頂角大於1°時）；
測量方式：點測；
尋北時間：≤2min；
測量深度：2000m。
JTL-40GX光纖陀螺測斜儀井下儀裝上糾偏工具引鞋，即可用來造斜定向。安裝引鞋時需保證引鞋定位鍵槽與儀器頂部定位線在一條母線上，安裝好後把儀器下放到鑽具定向工具處，鑽具造斜定向工具鍵會落入到定位槽內，稱作入鍵。入鍵後，轉動鑽具，測量一下頂角、終點工具方位角和終點工具垂向角，當測得終點工具方位角為設計的工具方位角時，就完成了造斜定向。
圖8.8 JTL-40GX光纖陀螺測斜儀
（2）儀器終點工具方位角的確定
儀器終點工具方位角α計算公式：
α=αt+α2+α3 （8.15）
式中：αt為傾斜面走向，根據設計計算所得；α2為造斜工具組合差，增方位造斜時取正值，減方位造斜時取負值，α2=h·
（3）定向操作技術要點
1）儀器使用前，進行儀器校準工作，保證引鞋定位鍵槽與儀器頂部定位線在一條母線上。
2）正確連接井下儀器、電纜、操作面板等之間導線，檢查各密封圈是否完好，並塗抹黃油，保證密封，儀器各連接處絲扣需上緊。
3）正確組裝造斜鑽具與定位裝置，准確測量組合差，並通過計算消除。
4）陀螺儀引鞋安裝一根細銅絲，並固定牢固，以判斷定向到位（「入鍵」）情況。
5）儀器下井時，由專人操作絞車，控制下降速度；下至離到位3～5m時，可適當加快速度，保證有一定速度入鍵。為了判斷是否入鍵，可提拉幾次，測出每次到位後的工具方位角，若差值不大於3°，說明已入鍵。
6）繩索取心鑽桿上部連接專用定向提引接頭，順時針緩慢轉動鑽桿，每轉一次，測量一下工具方位角，使其達到所需值後即可提出儀器。檢查細銅絲是否斷開，若無，應重新定向。
7）提升儀器時，安排專人看守孔口，待儀器快到孔口時，停用絞車，用人力將儀器拉出孔外，以免儀器受損。
8.5.6 螺桿鑽造斜鑽進技術
1）造斜鑽具下鑽前的准備與檢查工作如下：
（a）造斜前，認真清理孔底，確保「三無一平」（無殘留岩心、無岩屑、無金屬異物，孔底要平整），孔底岩粉不得超過0.3m。
（b）清洗沖洗液循環系統，將水泵吸水管蓮蓬頭提離池底0.3m以上，並用紗網包好，以防臟物被吸入高壓管中。
（c）認真檢查水泵吸水管、高壓管連接是否牢靠，水泵各部襯墊、活閥、活閥座以及壓蓋是否嚴密，水泵排水是否均勻，有無漏氣、漏水、漏油等現象。同時，檢查泵壓表是否靈敏可靠。
（d）細心檢查造斜鑽具組合是否正確，並復測鑽具的裝合差。
（e）在地表進行螺桿鑽具空載運轉試驗，檢驗螺桿鑽具在不同泵量情況下的起動泵壓、正常運轉泵壓、運轉平穩狀態、溢流閥開閉等情況，並做好記錄。螺桿鑽經地表試驗，表明工作正常後方可下入孔內，以保證孔內工作可靠。
2）鑽具下到一定位置、定向完成後，用上下卡盤卡緊主動鑽桿，用反扭矩器（圖8.9）固緊立軸導管以防轉動，並在主動鑽桿上做好定向方向標志。
3）緩慢將鑽具下放到孔底，再將鑽具提離孔底0.3～0.5m後啟動螺桿鑽具。待泵壓升到正常值時，再緩慢將鑽具下放到孔底，逐步增加鑽壓至所需值後開始鑽進。
4）造斜鑽進過程中，均勻施加鑽壓，以減少（輕）鑽具的振動。
圖8.9 自製簡易反扭轉器
5）保持造斜鑽進參數的恆定。安排專人看管水泵，並隨時觀察泵壓的變化，以便正確判斷分析孔內情況：如泵壓突然上升，要立即提動鑽具，使泵壓恢復正常；如發現憋泵並處理無效時，要立即關泵、卸壓，提鑽檢查。
6）鑽進過程中，隨時注意主動鑽桿上標志的定向方向，如發現主動鑽桿扭轉，要立即停止鑽進並重新調整。
7）使用較大造斜強度的造斜器時，採用造、穩結合，通過合理控制回次造斜長度，使造斜段內的平均造斜強度不超過0.5°/m。
8）每造斜鑽進一次，進行修、擴孔，並及時測量造斜效果，以確定下一回次的造斜參數。根據地層情況選擇修、擴孔機具及其技術參數。一般情況，如果擴孔的孔徑差小於5mm，可採用錐形鑽頭擴孔；反之，用帶導向的鑽頭擴孔。
9）造斜鑽進時，造斜鑽頭內取出的小岩心，用專用岩心盒裝好，寫上回次、造斜長度、岩心長度、孔深等，放入岩心箱中妥善保管。
8.5.7 ZK8321定向分支孔施工
ZK8321分支孔於2011年6月19日從ZK8321孔560m處開始受控定向鑽進，採用國內先進的JTL-40GX光纖陀螺測斜儀和螺桿鑽具進行造斜定向、測量、鑽進，2012年3月30日終孔，終孔孔深863.93m，實現了預期目的。
（1）地層情況
0～272m，砂質泥岩、粉砂岩、泥岩、細砂岩、細砂岩夾泥岩等；
272～356.48m，風化輝綠閃長岩；
356.48～390.80m，壓碎石英斑岩；
390.80～800m，含燧石條帶灰岩，中厚層質灰岩、含泥質灰岩及溶洞；
800～805m，鐵礦體；
805～863.93m，中細粒石英砂岩、中薄層粉砂岩、石英砂礫岩。
（2）ZK8321主孔鑽孔結構（表8.14）
表8.14 ZK8321主孔鑽孔結構
續表
（3）地質設計坐標
地質設計給定條件是孔口和分支點、靶點位置相對於「北京坐標系」的坐標值，見表8.15。
表8.15 地質給定坐標點
（4）ZK8321分支孔軌跡設計
坐標系：Z軸正向——朝上，X軸正向方位0°（正北），Y軸正向方位90°，開孔點為坐標原點。在此坐標系裡，根據地質給定坐標和分支點的孔深、頂角、方位角情況，按造斜強度i=0.5°/m進行分支孔軌跡設計，結果如下：
1）分支孔長度（至靶點）251.620m，其中：造斜孔段長度L1=27.805m，穩斜孔段長度L2=223.814m；
2）傾斜平面走向αt=150.796°；
3）造斜全彎曲角γ=13.902°，為增方位造斜，第一回次造斜安裝角φ1=42.398°；
4）反扭矩角ψ=7.248°；
5）光纖陀螺儀工具角β=αt+ψ=158.024°。
ZK7321分支孔設計軌跡空間位置見表8.16。
表8.16 ZK7321分支孔設計軌跡空間位置表
（5）分支孔施工情況
ZK8321分支孔於2012年5月3日於孔深560m進行定向孔的施工，經過5次的螺桿鑽造斜，螺桿鑽鑽進14.92m，其中第3、4次造斜因鑽遇溶洞群（590～603.79m見10個溶洞，604.77～660.44m見22個大小不等溶洞），造斜效果不理想，加之孔內掉塊嚴重，灌水泥護孔後掃水泥中偏孔，後穿過溶洞地層後再進行造斜，於2012年8月8日終孔，終孔孔深839.01m，實際見礦點坐標（-65.084，81.480，-800.874），驗證了深部磁異常情況。
螺桿鑽造斜鑽進主要技術參數和造斜效果見表8.17、表8.18。
表8.17 螺桿鑽進技術參數表
表8.18 螺桿鑽具造斜效果
（6）分支孔實際空間位置計算
鑽孔各點空間位置計算結果如表8.19，採用的是均角全距法。
表8.19 空間位置計算結果
續表
（7）鑽探技術經濟指標完成情況
ZK8321分支孔進尺279.01m，鑽月數3.10鑽月，鑽月效率90.08m/鑽月；台月數2.56台月，台月效率109.18m/台月；累計台月時間1840h，其中：純鑽時間404h，輔助時間1036h，停鑽及事故時間400h（孔內事故175h，設備損壞15h，其他210h）。
8.5.8 ZK7525受控定向孔施工
ZK7525設計孔深950m，於2013年6月26日開孔，至2013年12月31日終孔，終孔孔深972.49m。
（1）地層情況
0～31.98m，浮土層；
31.98～690.94m，砂質泥岩、粉砂岩、泥岩、細砂岩、細砂岩夾泥岩等；
690.94～904.43m，含燧石條帶灰岩，中厚層質灰岩、含泥質灰岩、石英斑岩；
904.43～938.26m，鐵礦體、輝綠岩；
938.26～972.49m，流紋斑岩、中薄層粉砂岩、石英砂礫岩。
（2）鑽孔結構
ZK7525鑽孔結構見表8.20。
表8.20 ZK7525鑽孔結構
續表
（3）地質設計坐標
地質設計按「北京坐標系」給出孔口、靶點坐標值，詳見表8.21。
表8.21 地質給定坐標點
（4）ZK7525定向孔軌跡設計依據
軌跡設計採用傾斜平面設計法。設計依據：
1）坐標系：Z軸正向朝上，X軸正向方位0°（正北），Y軸正向方位90°，開孔點為坐標原點；
2）造斜強度：i=0.5°/m；
3）造斜點K：孔深95.59m，頂角1.02°，方位角83.2°，坐標（-0.27，1.36，-95.58）；
4）靶點B坐標（-189.776，-32.959，-893），由地質部門給定。
（5）定向孔施工情況
ZK7525孔2013年6月28日於孔深95.59m進行定向孔的施工，經過21次的定向造斜，其中偏心楔定向造斜5次，進尺13.09m；螺桿鑽定向造斜16次，進尺43.33m，其中兩次因定位不準確而灌水泥重新定向造斜；2013年12月31日終孔，終孔孔深972.49m，實際見礦坐標（-153.69，-7.33，-881.99），驗證了深部礦體情況，達到了地質目的。
螺桿鑽造斜鑽進主要技術參數和造斜效果見表8.22、表8.23。統計表明，該孔螺桿鑽造斜鑽進時效較低，平均時效為0.15m/h。
表8.22 螺桿造斜鑽進技術參數表
（6）定向孔實際空間位置計算
鑽孔各點空間位置計算結果見表8.24，採用的是均角全距法。
表8.23 定向造斜效果
表8.24 空間位置計算結果
續表
（7）鑽探技術經濟指標完成情況
ZK7525定向孔進尺876.10m，鑽月數6.50，鑽月效率134.78m/鑽月；台月數6.22，台月效率140.80m/台月；累計台月時間4480h，其中：純鑽時間1093h，輔助時間1153h，停鑽及事故時間2234h（孔內事故1360h，設備損壞54h，其他820h）。
（8）ZK7525定向孔解決的技術問題
1）分段定向造斜結束，穩斜鑽進時，地層自然造斜嚴重，方位都向小的趨勢變化。解決措施：及時測斜，並選擇有利的地層進行糾斜。
2）孔深497～518m，地層遇水坍塌，孔內全漏失，使用泥漿無法維持孔壁穩定。通過12次分段進行高壓旋噴水泥漿護壁作業，成功解決了護壁難題。
3）因多次灌水泥，如何安全、快速掃水泥成為關鍵。經過多次的實踐，形成了一套相對可行的方法：灌完水泥後4～6h內，採用Φ50合金沖水泥，保留15～20m的水泥柱；灌水泥後24h，採用同徑單管掃水泥至所需灌水泥孔段以上5m；灌水泥48h後，再用同徑鑽具掃水泥。
8.5.9 認識與體會
在地質條件特別復雜的馬坑礦區施工定向鑽孔，由於受礦區地層條件限制，造斜段為多溶洞破碎地層，在國內屬於首例。通過應用螺桿鑽具、新型自尋北陀螺測斜儀器等成功完成ZK8321、ZK7525定向鑽孔的施工，系統地進行了受控定向鑽孔剖面形態與孔身軌跡的優化設計，開展了造斜設備與機具的選擇、造斜定向方法、造斜與穩斜鑽進等技術工藝方法的探討，為採用定向鑽探技術進行深部鐵礦勘查積累了寶貴的經驗。該技術的應用實踐證明，採用定向鑽探技術進行深部礦產勘探，具有顯著的優越性：
1）減少設備搬遷和安裝，節省機場佔地、平地基和分支點以上的鑽探工作量，縮短工期、節約費用。
2）分支孔可避開危害較大的上部鬆散破碎層、溶洞地層等復雜孔段，有利於施工安全，並可大幅度提高施工效率。
3）利用定向孔實現生態環境脆弱或保護區內的礦體勘查，保護生態環境。
我們認為，採用定向鑽探技術進行深部礦產勘探，不僅可行，而且必要，非常值得推廣應用。
『叄』 深孔復雜地層護壁堵漏技術組合的優選研究
9.2.1 深孔護壁堵漏技術及其組合的優選思路
（1）護壁堵漏方法優選的重要性
為解決復雜地層鑽孔護壁堵漏問題，我國鑽探界幾代人先後開展了艱辛的探索和研究，總結形成了一系列的護壁堵漏方法，積累了豐富的復雜地層治理經驗，也研製出不少的新技術、新材料、新工藝。
縱觀國內外復雜地層治理對策，在沒有鑽孔漏失存在時，主要護壁方法有泥漿護壁、固結護壁和套管隔離三大類；當孔內存在漏失層時，為防止泥漿漏失導致液柱壓力下降而造成孔壁失穩，還需採取相關的堵漏措施。在生產實踐中，針對某個具體、單一的孔內復雜問題，通常有不同的治理方法可供選擇，而採用何種方法常常取決於個人的經驗與愛好；當鑽孔中出現多種不同特徵的復雜地層時，客觀上要求採用不同的護壁堵漏方法與措施的組合。
無論是採取單一的還是組合的復雜地層治理措施，要可靠、有效、低成本地解決遇到的技術難題，必須根據相關的工作程序和評價指標，深入、細致地進行技術工藝措施優化選擇。鑽孔越深，復雜地層鑽進的難度也越大，更應重視護壁堵漏方法的優化問題。
（2）深孔復雜地層護壁堵漏原則
深孔復雜地層鑽進，為防範卡（埋）鑽、糊鑽等孔內事故（表9.1）的發生，應遵循以下基本原則，確實做好護壁保壁工作：
表9.1 卡（埋）鑽的類型與原因一覽表
1）預防為主，防治結合；因地制宜，綜合治理。
2）必須用泥漿作為沖洗液，及時使用，並切實用好。
3）水泥等固結護壁方法，原則在地層條件、孔內情況許可和後續工作可保證固結體穩固的情況下使用。
4）孔壁失穩與鑽孔漏失伴隨發生，原則應先處理鑽孔漏失。盡量採用低密度低失水沖洗液鑽進，發生微漏或將要遇到漏失層時在沖洗液中添加惰性材料等是預防鑽孔漏失常用措施。
5）經濟、合理的鑽孔結構。
6）護壁工作必須有合理的鑽進技術措施和操作工藝配合，如：控制提下鑽速度、不在已知漏層位置開泵、控制鑽進泵量、打撈內管與提鑽時應隨時向孔內回灌泥漿等。
（3）深孔護壁堵漏技術及其組合的優選思路與評價指標
深孔護壁堵漏技術及其組合的優選思路見「7.3.2研究工作方法」。一個好的技術工藝方案，最少必須滿足二項基本條件：①能有效地解決遇到的實際難題；②應用成本低、綜合效益好。要選擇一個較佳的護壁堵漏方案，可從四個方面比較備選方案（表9.2）：
1）工藝措施：技術可行，操作簡單；
2）應用效果：解決問題，結果可靠；
3）安全預期：隱患有限，風險可控；
4）綜合費用：低。
表9.2 泥漿與套管護壁、材料堵漏與套管隔離的選擇評價
9.2.2 護壁泥漿的優選
為保證復雜地層鑽孔孔壁安全、鑽進順利，最基本、最有效的途徑是及時選擇、配製和使用適合地層特點的泥漿、時時維護好泥漿性能。
（1）泥漿優化選擇要考慮的因素
1）地質條件：泥漿類型、泥漿性能應滿足孔內復雜情況的要求；
2）施工情況及條件：設備狀況、孔深、孔身結構、鑽進方法（取心或全面、普通或繩取等鑽進）等是泥漿流變性能參數設計的重要依據；
3）鑽探要求：應確保安全鑽進和提高機械鑽速；
4）不同孔段泥漿轉換：既要滿足施工要求，又要避免泥漿浪費；
5）循環系統及固控設備狀況；
6）地質及環保等其他要求。
（2）泥漿優化選擇評價指標與要求
1）解決鑽遇問題的有效性：能有效維護孔壁穩定，避免孔內復雜情況和事故的發生，確保鑽進的安全和高效；
2）較好的適用性：應具有（或通過簡單調整即可）維護同一鑽孔中各復雜孔段孔壁穩定的性能，即能滿足廣譜性的要求；
3）泥漿性能應滿足實際鑽進工藝（繩索取心、液動錘等）要求，如：較低的固相含量、良好的流變性能、較強的清除孔底和攜帶岩屑能力、良好的潤滑性能等；
4）使用與維護方便，成本低：配漿材料盡可能單一（泥漿組分盡量簡單），使用維護簡易方便；
5）無污染，無毒性；等等。
（3）泥漿優化選擇方法
1）根據各復雜地層的特性，分層進行泥漿設計。
（a）初步選擇泥漿類型：清水及自然造漿，細分散泥漿，不分散低固相聚合物泥漿（優質聚合物泥漿），粗分散泥漿，無固相泥漿（合成高聚物溶液、天然植物膠溶液、生物聚合物（XC）溶液、水玻璃-PHP溶液、潤滑沖洗液等）。表9.3 所列是根據有關研究成果及實踐經驗，總結、歸納的各類不穩定地層鑽探特徵及其泥漿對策。
表9.3 主要復雜地層特徵與泥漿對策表
（b）確定泥漿性能參數。①合理泥漿密度確定：以最小孔底壓力等於地層壓力為原則；②泥漿流變性能設計原則：保證攜帶岩屑和鑽孔凈化的能力；環空狀態接近穩定狀態，防止沖刷孔壁；盡可能降低粘度，有利於碎岩、清除岩屑，提高機械鑽速；有利於降低環空壓力，防止鑽桿內壁結垢；具有低摩阻，即塑性粘度較低；③濾失量確定：應嚴格控制泥漿的濾失量；④泥餅質量；⑤pH值：一般為8～11；⑥固相含量：膨潤土含量一般不超過5%等。
（c）優選泥漿材料及泥漿處理劑。參照《地質岩心鑽探規程》「A.1 沖洗液化學處理劑」和相關泥漿處理劑的特性進行選擇。
（d）進行體系配方試驗，初步確定泥漿類型及配方。復雜地層有離子污染現象存在時，首先要進行水質和泥漿濾液的分析和測定，了解可溶鹽的種類與含量，有針對性地採取措施。
2）按「泥漿優化選擇評價指標與要求」，初步提出每一復雜地層的泥漿方案，最好有三個以上。
3）綜合各復雜地層的泥漿方案，提出鑽孔的主導泥漿類型、材料、配方等參數，並制定各復雜地層的泥漿使用對策。
9.2.3 堵漏方法與工藝的優選
鑽孔漏失，復雜地層失去泥漿的有效支持作用，容易導致卡鑽、埋鑽，甚至鑽桿折斷等孔內事故，嚴重影響鑽探工程質量與效率。針對鑽遇漏失層的特徵，科學、合理地選擇並應用適應實際的最佳堵漏工藝技術方法，是降低鑽探成本的基本途徑之一。
（1）鑽孔漏失的主要原因
鑽孔漏失源於存在漏失通道和壓差：
1）漏失的動力：泥漿液柱壓力大於地層壓力所形成的「壓力差」作用。
2）漏失通道：「孔隙、粒徑比」（地層孔隙直徑與泥漿中大多數顆粒直徑的比）等於或大於3時，就會發生沖洗液漏失，如易發生沖洗液漏失的地層：多孔隙、高滲透性、固結不良的地層（沖洪積層、氧化帶、風化帶、破碎帶、錯動帶等）；洞穴、岩溶地層，坑道老窖、礦渣堆；天然裂隙（斷層、節理等）等。
（2）堵漏技術工藝方法的評價指標
1）解決鑽孔漏失問題的有效性：鑽孔漏失量的減少程度，封堵漏失通道的可靠度等；
2）堵漏操作容易、勞動強度低；
3）堵漏綜合費用（材料費、機具費、人工費等）低等。
（3）堵漏技術工藝方法的優化選擇
思路：科學分析鑽孔漏失的原因，正確選擇堵漏工藝，合理選擇、配製最佳的堵漏材料（堵劑），制定相應的技術措施。
基本程序和方法：
1）詳細、准確了解和掌握漏失地層的情況。
（a）搞清楚發生漏失時的情況：何工作（時間）、何地層、何泥漿；鑽速變化情況（在大裂隙中鑽速會突然加快）；岩屑大小（岩屑顆粒大小可間接反映漏失通道尺寸的大小，如果漏失通道的尺寸大於岩屑的尺寸，泥漿中就不會含有岩屑）；泵壓變化以及孔口返漿狀態等。
（b）了解鑽孔附近地質情況：露頭處存在的斷層、裂隙等狀況，鄰孔鑽進漏失情況。
（c）綜合判斷漏失層位的特性和漏失量：漏失層取出的岩心情況（深度、裂隙大小、破碎程度等），判斷是否存在鬆散、孔隙、裂隙、溶洞或節理發育等漏失通道；漏失深度，漏失層厚度，漏失量（漏失總量，每小時漏失量）等。
（d）孔內液面深度（孔內動水位和靜水位）：鑽具全部提出後，觀測鑽桿濕痕計算水位或用測繩測量孔內水位。
（e）有條件時，採用物探儀器（井溫測試、示蹤原子測量、電阻測量、超聲波測量）或專用測漏儀（壓力感測器、旋轉葉片式流量計）判斷漏失層位置，並通過孔內攝影了解岩石裂隙位置、溶洞大小等。
2）認真分析確定漏失性質與特徵、漏失層位置、漏失層長度等情況的基礎上，選擇有效的堵漏技術和方法。初選提出的堵漏方案，最好有三個以上。
按堵漏體在孔內和封堵漏失通道的特徵，堵漏方法可分為幾大類：
（a）泥漿護壁及壓力平衡鑽進法：利用沖洗液密度的調整來平衡地層壓力的漏失層防治措施，一般沒有採用封堵漏失通道的材料。主要措施是降低泥漿密度。
（b）建立止流屏障法：套管隔離，大型尼龍袋，復合堵漏袋等。
（c）充填固結法：水泥或化學漿液堵漏材料進入漏失層的裂隙、孔隙、孔洞中並凝結固化，最終封閉漏失通道。
充填固結法（如灌注的水泥漿）為了有效封堵漏失層中的裂隙、孔隙等鑽孔與地層之間的漏失通道，必須在預定深度范圍內形成具有一定半徑、較高強度的阻水帶。其實現條件是：①應採取有效措施使漿液進入、滲透或擠入裂隙、孔隙等通道一定的距離並填充密實，如對裂隙、孔隙小的漏失層採用封閉式壓力注漿。②應使漿液能在漏失層的裂隙、孔隙中停留和不被地下水稀釋。如裂隙、孔隙大漏失層的治理對策：採用平衡或增阻（增加漿液流動阻力）灌漿，在漿液中摻入砂、惰性材料、纖維材料等使漏失通道由大變小、由小變微，有地下徑流存在時採用速凝漿液等。③漿液經一定的時間後，能與裂隙、孔隙等漏失通道圍岩膠結成具有一定強度、穩定性好的整體。
無法用泵送的堵漏材料漿液，可採用繩索取心鑽桿為灌注工具：堵漏漿液倒入鑽桿內後，再用泵壓送替漿水。投送水泥球一般採用繩索取心鑽桿。
（d）架橋填塞法：堵漏材料（惰性材料、膨脹堵劑、高失水堵劑等）進入、填充漏失層的裂隙、孔隙、孔洞等，使漏失通道減小、流動阻力增加。
架橋填塞法堵漏其實是「大顆粒架橋、小顆粒填縫、泥皮封塞」的過程，要求堵漏材料「塞得進、填得實、封得密」。因此，架橋材料要具有廣泛的顆粒尺寸，並採用各種不同材料（纖維狀、薄片狀、顆粒狀）的混合料以增加堵漏效果。架橋材料堵漏試驗表明：在低壓差條件下，纖維狀、薄片狀用於堵高滲層效果好；在高壓差條件下，用粒狀材料封堵裂隙比用纖維狀和薄片狀材料要好。
（e）頂漏鑽進法：如果地層完整（孔內只漏不坍），在水源充足情況下可「頂漏」鑽進。在鑽孔漏失且水位很低情況下頂漏鑽進法，可採取在水位以上干孔段的鑽桿上塗抹潤滑油（脂）、在能夠正常循環的沖洗液中添加皂化油或其他潤滑劑的方法，解決鑽具潤滑減阻問題。
在堵漏對策的選擇上，不必過多關注漏失量的大小，關鍵要注意漏失層的地層特徵及地下徑流情況。表9.4所列是根據有關研究成果及實踐經驗，總結、歸納的鑽孔漏失類型與治理對策及技術措施。
3）按「堵漏技術工藝方法的評價指標」對初選的堵漏方案進行評價、優選，確定最佳的方案，並制定相應的堵漏技術措施。
表9.4 鑽孔漏失類型與治理對策及技術措施
9.2.4 套管護壁技術
鑽孔結構的設計就是根據地層條件、鑽孔設計深度、鑽進方法、護壁措施及設備能力等因素，合理確定與鑽進工藝技術方法相適應的開孔直徑、換徑次數及其相應深度，並確定套管的規格、數量、下入深度和程序。
（1）套管護壁的主要優缺點
鑽遇復雜地層時，如能採用快速鑽進技術措施穿過復雜地層，然後下入套管護壁，也就基本上能防止該復雜地層對鑽進安全的危害。在鑽孔深度較深，且復雜地層厚度大或呈多層出現時，鑽孔結構和套管程序比較復雜：往往需要多次換徑，下入多層套管；設計終孔孔徑較大時，往往需要較大的開孔直徑等。
（2）套管選擇應注意的主要事項
1）在滿足鑽孔套管層級和一系列工藝要求的前提下，盡可能降低套管使用成本；
2）在具體分析各層套管的內、外荷載的基礎上，選擇滿足安全鑽探需要的套管（直徑、扣型、鋼級、壁厚、長度），並保證套管的尺寸、材質滿足深孔護壁和特殊工藝需要；
3）隔離溶洞的套管段（長度比溶洞高度要長2～4m），應有足夠的強度、剛度和穩定性；
4）周全考慮套管的起拔難度和套管事故的處理方法。
（3）套管安放的技術要點
1）下套管前的准備：①清除孔內的殘留岩心、沉砂，採取措施修整孔壁、破除台肩，並將泥漿性能調整穩定；②檢查套管質量，管材應符合標准，用鑽頭或套管接頭通過准備下入孔內的全部套管；③檢查要下入孔內套管的接頭螺紋；④准確丈量每根套管長度，編號排隊，並記錄在班報表上；⑤准備齊全下套管的工具。
2）為保護孔口穩定，應牢固埋設孔口管。
3）下套管：①套管下端應安裝套管鞋和木引鞋；②仔細檢查套管絲扣的完好性和擰緊程度，保證接頭光滑、對正；③擰接套管時，絲扣連接處應用粘結劑（如松香、瀝青或環氧樹脂）粘牢、擰緊；④擰卸套管禁用管鉗，應用鏈鉗或自由鉗；⑤在地層破碎、鬆散孔段，應嚴格控制下管速度；⑥根據孔徑與套管的級配情況，考慮套管扶正器的尺寸及設置位置，提高套管的居中度；⑦套管外部要塗油（黃油或廢機油）。
4）保證套管坐穩坐實：①套管底部的岩層，應選擇較硬的或較完整的層位；②清理孔底，確保套管到位（下管隔離斷層破碎帶時，如孔內有的坍塌物不便清除，一般可先在孔口對套管進行固定，再採用小一級口徑鑽進一段，然後提出鑽具活動套管，使套管外的坍塌物掉入小孔內）；③套管下端用水泥或粘土封固2m左右，防止套管端部漏失；④套管與孔壁之間應灌滿泥漿；⑤套管上端管口要嚴密封閉（一般採用環形鋼板與孔口管焊接，也可採用麻布、毛巾等纏繞密塞措施，防止鑽渣沉積在管外增加拔管阻力）。
5）作為技術套管使用的套管，如需保證多孔段護壁的套管或未遇可坐落的岩層僅作本孔段上部護壁的套管，可先下入一滿足護壁長度的套管並採用孔口固定，換小一級鑽具鑽進至目標層或比較穩定的岩層後，拔出套管，擴孔重新下入套管。
6）減少深孔套管的外力作用措施：①下套管時，在套管下端堵一木塞或連接一浮套管鞋，可以增加泥漿對套管的浮力，減少下入套管過程中上段套管的負荷；②在孔口用夾持器夾住套管上端，減輕下段所受壓力；③減少套管起拔阻力。下套管時，在套管外壁上進行潤滑，如：在套管外壁塗抹黃油類潤滑劑並在潤滑層外纏繞一層PVC塑料薄膜，薄膜外再塗一層黃油。
9.2.5 深孔護壁堵漏技術組合的優選程序與方法
在地質條件復雜的礦區進行深孔鑽探，施工前應做好護壁堵漏技術組合的優化設計，即：根據鑽孔深度與直徑、地層與構造（岩層傾角、軟硬程度、節理裂隙發育程度、破碎程度等）、水文地質等情況，以及地形地貌、交通運輸、水電供給、技術裝備、鑽探經驗等條件，以優化的理念，在分層制定各復雜地層護壁堵漏措施的基礎上，綜合確定鑽孔最佳的護壁堵漏技術組合（含科學合理的鑽孔結構），以期取得好的地質效果與經濟效益。
（1）確定須護壁堵漏的復雜地層孔段及其對策
結合鑽探技術條件與經驗，按表9.5所列項目由淺到深制定各復雜地層的護壁堵漏對策與方案：
表9.5 鑽孔分層護壁措施分析表
1）沒有鑽孔漏失情況下，優先考慮泥漿護壁（參見「9.2.2 護壁泥漿的優選」）。鑽遇鬆散、破碎、易水化分散等軟弱復雜層發生孔壁垮塌超徑時，採用固結法護壁，推薦應用高壓旋噴法灌注水泥漿（見「9.3高壓旋噴水泥漿護壁技術的研究與應用」）。
2）鑽孔漏失影響泥漿護壁的實現或造成無法正常鑽進時，應按「9.2.3堵漏方法與工藝的優選」選擇對策處理。
3）如果可能發生沖洗液的流動阻力大於地層的破裂壓力而造成壓裂性漏失，宜考慮加大鑽孔直徑。
（2）初步確定採用套管隔離護壁或堵漏的孔段
依據鑽孔地質條件、擬採用的鑽進工藝等，在鑽遇目前護壁堵漏技術無法或難以解決的孔內復雜問題，初步確定需採用套管護壁的孔段：
1）特別復雜的不穩定地層，如遇溶洞、老窿、暗河及承壓水氣地層等，在沖洗液護壁不能奏效、水泥很難固壁時應下套管護壁。
2）泥漿不能有效護壁、水泥很難固壁的地層，往往需考慮套管隔離。
3）無法有效封堵的漏失地層，若出現沖洗液供應不上、泥漿消耗成本大、上部復雜地層垮塌等情況，也需考慮套管隔離。
4）後續鑽進過程中無法使用泥漿維護孔壁穩定的孔段，一般應下套管隔離。
（3）套管隔離孔段組合
在鑽孔深、直徑大，且復雜地層厚或多個不同特性地層出現時，如果遇到、鑽穿一段或一個復雜地層即下入套管隔離，不僅需要較多種類和數量的套管，而且需要較大的開孔直徑。因此，應根據各孔段的情況，配合相應護壁堵漏措施，進行套管隔離孔段組合。組合方法：
1）跟管鑽進。遇到不穩定和漏失層時，下入護壁套管，然後用小一級鑽具在套管內向下鑽進一段錘擊跟管一段。隨著鑽孔深度和鑽孔直徑的增大，實施難度隨之增大，甚至無法實施。
2）臨時套管護壁——技術套管應用。①在鑽孔上部固定套管內下一層活動的、可回收的技術套管。②採用較小的直徑（能獲得最佳技術經濟指標的直徑）進行「超前孔」鑽進。③鑽遇復雜地層必須下套管護孔時，將活動套管拔出，然後擴孔、下套管、固管。
此法在孔深較大時應用，套管起拔和下入都會很困難，並容易引發孔內套管事故。
3）強化護壁堵漏工藝措施，延長每一層套管隔離復雜地層的長度和層次。
（4）護壁堵漏技術組合優化
按安全經濟要求，通過進一步優化鑽孔結構，實現套管隔離與泥漿、堵漏等護壁保壁工藝措施的最佳組合。主要程序與方法如下：
1）優化鑽孔結構與套管程序。套管隔離對解決孔內漏失或復雜狀況，是最有效、最可靠的一種方法，它具有工藝簡單、見效快、效果好、適用范圍廣等諸多優點。但深孔鑽探大量使用套管護壁不僅存在勞動強度大、下入和起拔費工費時、材料成本高等問題，如果遇到、鑽穿一個復雜地層即下入套管隔離，不僅需要較多種類和數量的套管，而且需要較大的開孔直徑。優化鑽孔結構的安全、經濟原則：
（a）在滿足地質、取心、測井要求的前提下，孔徑要盡量小；
（b）孔身結構在確保鑽進安全、順利進行的前提下應盡量簡單；
（c）套管程序要留有餘地，以應對復雜情況；
（d）周全考慮套管的安放與起拔難度，在具體分析各層套管的內、外荷載與強度校驗的基礎上，選擇滿足強度、剛度和穩定性等安全鑽探需要的、國內常見規格系列的套管。
按以上原則，確定套管的層次以及各級套管的直徑、扣型、鋼級、壁厚、隔離孔段長度等。
2）確定各級套管隔離的孔段中，各復雜地層鑽進時和鑽穿後所需採取的護壁堵漏措施。
3）綜合比較不同的套管隔離程序及其相應的護壁堵漏措施組合，確定最佳的方案（表9.6），並細化具體的工藝措施。套管方案決策原則：自下而上，安全經濟。
表9.6 鑽孔結構優化設計決策分析表
9.2.6 馬坑鐵礦護壁堵漏技術組合優化成果
由於福建鐵礦區岩性復雜、岩相變化大、斷裂與褶皺十分發育等原因，深孔鑽探護壁是關鍵。經過多個鑽孔的試驗實踐，研究制定了「優質泥漿+有效堵漏、旋噴水泥漿固結、多層次套管等復合護壁」技術。該技術作為馬坑鐵礦深孔鑽探護壁原則與工藝要點（表9.7），有效保證了鑽進的順利進行。
表9.7 石岩坑鐵礦地層與護壁堵漏對策選擇表
9.2.7 深孔護壁堵漏技術及其組合的優選研究體會
護壁堵漏是礦區復雜地層條件下深孔鑽探的關鍵性技術難題。能否快速、有效地解決這一難題，不僅反映一支鑽探隊伍的技術水平，也直接關繫到地質找礦成果的實現和效益。針對礦區、鑽孔、孔段的復雜地層開展護壁堵漏技術組合優化，在綜合考慮眾多制約和影響的因素基礎上，探尋提高護壁堵漏有效性、經濟性的最佳技術工藝方法組合，具有十分重要的現實意義。為此，必須加強三方面工作：①熟練掌握各種護壁堵漏方法、工藝和措施，持續開展技術創新；②不斷積累護壁堵漏及其相關鑽探工作的實際成本數據；③認真總結不同復雜地層條件下的護壁堵漏成果，並進行技術經濟評價。
『肆』 鑽探工程質量情況
4.7.1 鑽孔質量評定情況
該階段鑽孔質量劃為三類：合格孔、參考孔和廢孔。
1）合格孔：礦心採取率大於60%，鑽孔彎曲度及方位角經過系統測量，達到或基本達到設計目的的鑽孔。
2）參考孔：礦心採取率小於60%，頂末、底初回次採取率亦低，鑽孔彎曲嚴重以致降低地質效果的鑽孔；雖未達到設計目的，但能作為構造、礦層點使用的鑽孔。
3）廢孔：不符合上列條件，未達到設計目的的鑽孔。
中礦段鑽孔質量評定見表4.7。表中，廢孔7個，工作量1792.51m，占總工作量4%強，見表4.8。
4.7.2 孔位布置
鑽孔施工按各年度施工設計陸續布置，由已知到未知，由稀到密，由淺到深。孔位先經過測量布設，然後由領導、工人和地質人員三結合小組實地踏勘確定，除個別鑽孔（如77線26號孔和80線19號）孔位移動超過10m外，孔位移動一般未偏離勘探線1～5m，均垂直投影於剖面圖上。第一階段有CK42、CK47孔偏離線約30m，CK42孔主礦厚度不可采，CK47孔旁補60號孔，對礦床評價無甚影響。
表4.7 中礦段鑽孔質量評定情況表
表4.8 廢孔情況統計
4.7.3 礦心（及頂底近礦）和岩心採取率
（1）礦心及頂底近礦採取率
主礦、小礦（褐鐵礦、表外礦除外）的礦層採取質量情況見表4.9、表4.10。
表4.9 鐵礦礦心及頂底近礦採取率
續表
表4.10 輝鉬礦礦心採取率
（2）岩心採取率
本區構造破碎強烈，岩心採取率不高。在硅化帶、斷層帶附近，鑽孔嚴重漏水，岩石松軟，岩心採取率更低。進入詳勘階段後，礦層層位已經清楚，構造較為明確，對礦層上覆圍岩，例如大理岩、粉砂岩之類，可以降低採取要求。因此，實際上對部分遠礦地段推行部分無岩心鑽進。但有些斷層帶和含磷矽卡岩砂岩，岩心採取不高，對斷層帶和薄礦體的編錄研究會產生一定影響。據統計，兩階段岩心採取情況如表4.11所示。
表4.11 岩心採取情況
4.7.4 鑽孔彎曲度
鑽探過程中測斜一般每百米進行一次，終孔後使用煤田電測井斜儀一次連續測量鑽孔方位角和頂角：每50m布一測點，兩點間頂角或方位角差值大於3°，加密測點到25m。測量過程中，測斜柱在磁鐵礦內，受到磁場影響有時會出現方位角異常。發現方位角異常後，通常移出礦層進行復測，故測斜質量基本可靠。測斜數據處理：頂角超過5°以上的彎曲鑽孔，採取計算、制圖、垂直投影三個步驟表現於勘探線剖面圖上。
初勘階段使用氫氟酸測斜，CK19、CK41、CK42 等三個見主礦未測孔斜。所有鑽孔未測量方位角，考慮鑽孔深度較小，全作直孔處理，影響不大。
詳勘階段深孔較多，有不少鑽孔超斜嚴重，大大降低了工程質量和地質效果，應作為今後勘探工作的深刻教訓。
1）未達原設計目的，評為參考孔，計有71線83號孔、72線85號孔、75線35號孔（該孔深571.15m，至500m孔斜已達50°，以下無法測量）和82線63號孔。82線63號孔歪斜結果使這一地段的B級儲量不得不降為C1級。
2）孔斜使見礦點偏離勘探線超過30m以上的鑽孔，計有71線61號孔和96號孔、77線70號孔、78線71號孔、79線21號孔，其中68號孔、96號孔相距很近卻分別向勘探線兩側歪斜，使礦點投影後的空間位置受到很大歪曲。
3）71線83號孔和CK34孔、72線39號孔和85號孔在剖面上幾乎合到一處。
4）有些深部控制孔如95號孔也因孔斜大未能達到原來驗證負磁異常的目的。
該階段深孔孔斜情況統計見表4.12。
表4.12 第二階段深孔孔斜情況統計
4.7.5 孔深校驗
在正常鑽進中，規定每鑽進100m丈量鑽具一次，終孔和見主礦也要丈量。在實際執行中由於鑽穿主礦即停鑽，一般是每鑽進百米和終孔丈量鑽具。發現誤差超過千分之一以上即予校正：誤差較小或在圍岩中常一次校正，誤差較大或在礦層附近常合理分配。由於所有鑽孔基本上均按要求丈量鑽具，超差情況很少，可以保證礦層深度的正確性。
4.7.6 簡易水文觀測
凡鑽遇棲霞組灰岩的鑽孔，全部進行簡易水文觀測，觀測內容主要是水位、溶洞位置、高度以及充填情況。因鑽孔普遍漏水嚴重，漏失量大於水泵最大排水量，未予觀測，僅記錄漏水位置。溶洞主要根據地層記錄和取心情況確定，水位測量在初期定為每小班一次，後期改為每大班一次。有相當數量鑽孔水文觀測的系統性較差，取得的資料僅供參考使用。
4.7.7 封孔
大部分見主礦鑽孔都按設計進行封孔。封孔設計一般要求使用500號水泥配成1：2：1砂漿在鐵箱中攪拌均勻後，用水泵吸取自鑽桿中灌入孔內；封閉深度以主礦頂板為界，下置木塞，以下填充泥土、砂石，以上按孔徑計算灌砂漿30m左右，然後用取樣器在規定深度取樣驗證封孔深度。有少數在封孔中因孔壁坍塌或思想重視不夠未能取樣。封孔後由鑽機提交封孔報告書，作為原始資料保存。
初勘階段鑽孔未封閉，詳勘階段未封的鑽孔有73線97號孔（礦層頂板為巨大溶洞），76線50號孔（孔壁坍塌）、77線14號孔（無礦）、79線水1號孔（水文孔）、79線45號孔（F10斷層帶）。西礦段有61線101、104號孔因未見礦用黃泥充填，其他中途停鑽鑽孔均未封閉。
封孔後，留作水文長期觀測孔者有鐵制孔口標志，其他鑽孔有水泥樁或木樁孔口標志。