摘要
在矿山勘查中，传统的岩心钻探技术存在成孔周期长、成本高等问题，而空气反循环钻探技术的施工效率高、成本较低。本文改进了空气反循环钻探技术的钻头和封隔套的流体构造，并将其应用到矿山勘查中。与传统岩心钻探技术相比，空气反循环钻探技术的钻进效率提高了70%~90%，成本降低了30%~50%，钻孔事故率降低了60%~70%，施工过程无泥浆污染，产生粉尘极少，实现了绿色勘查的要求。
空气反循环钻探技术以压缩空气为介质，具有钻进效率高、取心污染少、施工成本低的特点，可广泛应用于缺水地
自20世纪70年代以来，空气反循环钻探技术成为美国、加拿大等国家广泛采用的一种全新钻进方法。美国使用这项技术完成的地质勘探工作，接近其全部工作的60%；澳大利亚则超过80
我国的空气反循环钻探技术研究方面，已经研发了全液压动力头钻机，以及56/46、73/63、89/78、114/100等系列双壁钻
应用地点位于珲春紫金北山矿段露天采矿场南部坑底区域（1-5线）项目，2019年度设计钻孔93个，工作量5942 m。工程钻遇地层为二叠系下统亮子川组和三叠系上统三仙岭组，走向330°~345°，倾向南西，倾角60°~80°，局部板理较发育。主要岩性有黑色板岩、粉砂质板岩、堇青石板岩、角岩、英安岩、流纹岩、夹凝灰质砂岩（见
图1 矿区出露岩石
Fig.1 Rock outcropping in the mining area
钻探工程施工质量执行《地质岩心钻探规程》（DZ/T 0227-2010），要求终孔孔径≮75 mm；围岩平均岩心采取率≮70%，矿心及其顶底板围岩3~5 m内平均岩心采取率≮85%；钻孔为直孔，顶角每100 m及见矿及终孔测1次，每100 m顶角偏斜≯2°；孔斜每超过3°时需测方位角；终孔后校正孔深允许误差≯1/1000。
工作区多年的露天开采使矿区地下水位下降较大，岩层风化强度大，吸水性强，溶解速度快，为水敏性较强的地层。为应对这种情况，采取空气反循环钻探技术。
空气反循环钻探技术配套的工具和设备包括空压机、全液压动力头钻机、双壁钻杆、潜孔锤、钻头、旋流器和分样器等。工作原理是压缩空气从全液压动力头下面侧入式的双通道气水龙头进入，经外平式双壁钻杆的内外管环状间隙，到达钻头底部携带岩屑，从钻杆内管中心通道上返。双壁钻杆是实现空气反循环钻探技术的重要器具，它不仅要传递压力和扭
空气反循环钻探技术有利于在复杂地层中钻进，用于钻穿断层破碎带、粘土层、风化层等，避免造成钻孔缩径与坍塌事
根据项目特点，选用YSL-500RC型反循环钻机（见
图2 YSL-500RC型反循环钻机
Fig.2 YSL-500RC reverse circulation drilling rig
因钻孔直径在115 mm\孔深在130 m以内，根据双臂钻杆上返流速，使用开山KSZJ-29/23G型移动螺杆式空压机，该空压机主要技术参数为：额定排气压力2.3 MPa，公称容积流量29
使用Ø89 mm/Ø43 mm外平双壁钻杆，长度3 m。钻杆采用接头与管体螺纹连接形式，环氧树脂胶结，既保证了气密性，又便于更换损坏件。内管采用插接式结构，2道密封，钻杆柱的气密性好。
使用FQC345型反循环潜孔锤，潜孔锤外径105 mm，工作气压0.7~2.1 MPa，耗风量5.7~14
钻机配备XCQ型旋流器（见
图3 XCQ型旋流器
Fig.3 XCQ15 cyclone
旋转速度的选择主要取决于潜孔锤的冲击频率大小和岩石的物理力学性能。合理的旋转速度通常由2个间隔的旋转角度表示的最佳冲击间隔确定，转速与冲击频率和最优转角的关系
A=360N/F
式中：A——最佳旋转角度，（°）；N——旋转速度，r/min；F——潜孔锤锤击频率，次/min。
FQC-345型潜孔锤的冲击频率为800 次/min以上，最佳旋转角度为11°，合适的旋转速度为25.2 r/min。
空气压力是决定潜孔锤冲击力和频率的重要因素，是影响钻进速度的主要参数。除了满足潜孔锤的工作压力外，空气压力还必须克服管道损失和孔内的压力下降。如果孔内有水位的话，还要增加克服背压、顶开水柱的压力，每100 m地下水约消耗1 MPa风
钻头是传递扭矩和冲击能量并直接接触破碎岩石的工具，根据岩石物理性质不同，合理选用不同形式的钻头是提高钻进效率、增加钻头使用寿命的重要技术条
图4 改进流体构造的钻头
Fig.4 Bit with the improved fluid structure
在钻头外圈使用超强保径的胎体，避免钻头非正常磨损，提高钻头寿命，减少起下钻换钻头次数，也能够大幅缩短钻孔辅助时间。
高压空气送入孔底后，有2种循环趋势，当反循环趋势强时形成反循环，反之则形成正循环。当选用钻杆和钻孔直径的级配不合理时，即产生正循
返回孔口的样品被输送到旋流器，经过旋流器分离和除尘后，岩屑样品从旋流器下部出口排出，用样品袋收集，净化后的气体从排气管排出。然后对样本袋进行称重，填写安放样品卡。同时在样品袋口做好标志，防止样品卡被损坏影响样本识别。采取的岩屑如
图5 岩屑
Fig.5 Rock cuttings
在“吉林珲春紫金空气反循环钻探项目”中，地层主要为硬度极高的花岗岩，针对地层特点进行钻头选型，有效提高了钻进效率，日均进尺达到110 m，在60天内完成了5942 m工作量，同时解决了在该地层中反循环系统不能有效建立的问题，保证了样品的质量。
经过统计，利用空气反循环钻探工艺，与传统岩心钻探相比，钻进效率提高了70%~90%，成本降低了30%~50%，钻孔事故率降低了60%~70%，施工过程无泥浆污染，产生粉尘极少，实现了绿色勘查的要求。
（1）钻头采用流线型构造和使用超强保径胎体，能够很大程度解决反循环排粉不佳的情况，避免重复破碎，提高钻进效率，并且能够有效提高钻头寿命。
（2）采用外径尺寸合适的管外封隔套，使得孔壁与封隔套的间隙更加合理，很大程度解决了封堵效果不佳的情况，岩粉采取率大大提高。
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