復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力作用下礦山巖土工程勘察鉆探工藝研究

陳 濤

（江西省勘察設(shè)計(jì)研究院，江西 南昌 330000）

在開(kāi)展礦山工程相關(guān)研究的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，相關(guān)巖土工程的研究項(xiàng)目截至目前仍屬于一項(xiàng)新興項(xiàng)目，與之對(duì)應(yīng)的相關(guān)實(shí)踐工作較早時(shí)期便開(kāi)始實(shí)施，后期在深入的研究中，將此方面工作項(xiàng)目劃分為巖體研究與土體研究?jī)蓚€(gè)方面。在進(jìn)一步的實(shí)踐中，技術(shù)單位提出了地質(zhì)鉆探工藝，主要是指將地質(zhì)鉆機(jī)設(shè)備下深到地層結(jié)構(gòu)（地表下層）。當(dāng)?shù)貙颖砻嫘纬梢粋€(gè)鉆孔后，可使用取樣裝置，進(jìn)行地下水、不同地層土質(zhì)樣品的獲取，在此基礎(chǔ)上，使用專(zhuān)業(yè)的儀器設(shè)備，對(duì)獲取的樣品進(jìn)行綜合分析，通過(guò)此種方式，可獲取不同地層深度的巖層數(shù)據(jù)，從而為礦山工程、找礦作業(yè)等復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)工程的實(shí)施，提供更加真實(shí)、可靠的數(shù)據(jù)[1]。相比其他類(lèi)型的工程，鉆探工程的施工難度更大、實(shí)施步驟更復(fù)雜，盡管現(xiàn)如今的研究成果已進(jìn)行了此項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步完善，但對(duì)于復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力作用下的巖土工程，技術(shù)單位仍無(wú)法保證每次鉆孔或鉆探作業(yè)的有效性。尤其在下深鉆孔過(guò)程中，遇到結(jié)構(gòu)較為堅(jiān)硬的巖層，更是無(wú)法確保鉆孔方向與預(yù)設(shè)方向的一致性。為解決巖土工程勘察中的鉆探問(wèn)題，本文將結(jié)合鉆探地質(zhì)的復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力作用，提出一種針對(duì)礦山巖土工程勘察作業(yè)的全新鉆探工藝，以此種方式，提高鉆孔效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)確率更高層地?cái)?shù)據(jù)獲取。

1 復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力作用下礦山巖土工程勘察鉆探工藝

1.1 設(shè)置鉆探施工現(xiàn)場(chǎng)與鉆孔結(jié)構(gòu)

為滿(mǎn)足復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力作用下礦山巖土工程勘察鉆探作業(yè)的需求，應(yīng)在開(kāi)展相關(guān)工作前，設(shè)置鉆探施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。例如，以施工區(qū)域?yàn)楹诵?，圈定其作業(yè)區(qū)域與作業(yè)影響覆蓋區(qū)域?yàn)榫鋮^(qū)域，將作業(yè)區(qū)域內(nèi)的設(shè)備與物資按照作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，整齊擺放在施工區(qū)域內(nèi)。使用標(biāo)簽或地標(biāo)的方式，標(biāo)注不同鉆探施工設(shè)備的作用，以便于后期施工的順利實(shí)施。同時(shí)，在物品擺放區(qū)域內(nèi)放置全套的安全設(shè)備、施工作業(yè)警示牌，為施工作業(yè)區(qū)域群體提供警示作用。

在完成對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)置后，可根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征、水文地質(zhì)環(huán)境，聯(lián)系地區(qū)巖性與地質(zhì)層特征，確定下深鉆孔的結(jié)構(gòu)。為確保下深的鉆孔具有一定有效性，應(yīng)在施工前繪制作業(yè)草圖。如下圖1所示。

圖1 巖土工程勘察鉆孔示意圖

根據(jù)上述圖1所示的內(nèi)容，在進(jìn)行巖土工程勘察作業(yè)過(guò)程中，選擇φ110.0mm的鉆孔設(shè)備進(jìn)行礦區(qū)地質(zhì)層鉆孔。鉆孔的深度控制在3.0mm～5.0mm范圍內(nèi)，當(dāng)鉆頭穿透基層巖層后，可將鉆頭持續(xù)鉆進(jìn)，確保鉆頭進(jìn)入地表層以下結(jié)構(gòu)。同時(shí)，更換下深寬度為φ68.0mm的金剛石鉆頭，進(jìn)行地質(zhì)下層結(jié)構(gòu)的持續(xù)鉆進(jìn)，根據(jù)預(yù)設(shè)鉆進(jìn)深度，對(duì)鉆頭持續(xù)下深。

1.2 選擇礦山巖土工程勘察鉆進(jìn)方式

在完成上述相關(guān)研究后，考慮到大部分礦山巖土層的可鉆性在7.0～9.0級(jí)之間，并且，地質(zhì)層結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的研磨性[2]。因此，在鉆進(jìn)過(guò)程中，不僅要合理選擇鉆進(jìn)方式，還需要根據(jù)地質(zhì)層結(jié)構(gòu)，進(jìn)行鉆頭材料的合理化選擇。本次研究選擇的鉆頭材料為金剛石，硬度屬于高級(jí)別（通常情況下，選擇為HCR值在10.0～25.0之間的硬度材料）。為確保下深過(guò)程中不受到地質(zhì)層結(jié)構(gòu)的影響，應(yīng)選擇齒狀的鉆頭集成在鉆探設(shè)備前端，并控制鉆頭材料中金剛石物質(zhì)占比>75.0%，每次發(fā)生鉆進(jìn)行為時(shí)，對(duì)應(yīng)的鉆進(jìn)目數(shù)為55.0～85.0。

在鉆進(jìn)后發(fā)生鉆頭直徑的調(diào)整后，應(yīng)再次進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整。例如，在鉆進(jìn)過(guò)程中，控制前端的下深鉆壓在750.0kg～1250.0kg；控制前端鉆頭在轉(zhuǎn)速在400.0r/min～850.0r/min范圍內(nèi)；調(diào)整有效泵量在25.0L/min～75.0L/min范圍內(nèi)。在完成基礎(chǔ)參數(shù)的調(diào)整后，可按照預(yù)設(shè)參數(shù)與實(shí)際要求，進(jìn)行鉆進(jìn)參數(shù)的二次調(diào)整。例如，地質(zhì)層中存在軟土與硬土交互結(jié)構(gòu)時(shí)，地質(zhì)層穩(wěn)定性較差，此時(shí)應(yīng)將鉆數(shù)與鉆壓選擇參數(shù)值的下限。當(dāng)?shù)刭|(zhì)層呈現(xiàn)一種較為松軟的狀態(tài)時(shí)，適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速，避免影響地質(zhì)層原有結(jié)構(gòu)。

1.3 復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力作用下的孔深校正與質(zhì)量控制

考慮到地質(zhì)層結(jié)構(gòu)受到復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力的影響，因此，在下深鉆進(jìn)過(guò)程中，下深鉆孔傾斜是巖土工程勘察鉆探的主要難題。為解決與此方面相關(guān)的問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)以預(yù)設(shè)角度作為參照標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行孔深校正與鉆探過(guò)程中的質(zhì)量控制[3]。例如，在主礦層施工時(shí)，每下深50.0m獲取一次數(shù)據(jù)，以此作為描述地質(zhì)層結(jié)構(gòu)的重要標(biāo)識(shí)；當(dāng)完成鉆探作業(yè)后，需要使用鋼卷尺，進(jìn)行孔深、下深、孔寬的測(cè)量，控制允許偏差值在1.00%范圍內(nèi)，當(dāng)測(cè)量結(jié)果超出允許誤差范圍時(shí)，刪除此部分?jǐn)?shù)據(jù)，并查找出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差錯(cuò)誤的原因。

同時(shí)，在鉆探過(guò)程中，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)層坍塌、掉塊等異常施工現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)當(dāng)及時(shí)使用設(shè)備記錄此刻的鉆進(jìn)深度，并根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員進(jìn)行安全撤離，避免出現(xiàn)安全事故。以此種方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力作用下的孔深校正處理，完成對(duì)鉆探工藝的研究。

2 實(shí)例應(yīng)用分析

為證明本文設(shè)計(jì)的勘察鉆探工藝可真實(shí)應(yīng)用到礦山作業(yè)中，本章選擇廣西地區(qū)某復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力作用下的礦區(qū)地層作為此次實(shí)例應(yīng)用分析的試點(diǎn)區(qū)域。選定的試驗(yàn)區(qū)域位于云貴高原的東部偏南地區(qū)，該地區(qū)受到地質(zhì)遷移與地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的多次影響，地質(zhì)結(jié)構(gòu)表層已出現(xiàn)明顯的裸露巖體?；诘刭|(zhì)學(xué)角度分析，裸露的礦體具有間斷性、規(guī)模大、品位高等特點(diǎn)，但相關(guān)此礦區(qū)的采礦工作一直存在受阻的問(wèn)題，產(chǎn)生此種問(wèn)題的主要原因是對(duì)地層受到造山運(yùn)動(dòng)的影響，地下結(jié)構(gòu)的巖性較為復(fù)雜，且其中的土體變質(zhì)受到影響后呈現(xiàn)一種不均勻變化趨勢(shì)。

為獲取該礦區(qū)更加精準(zhǔn)的地質(zhì)數(shù)據(jù)，選擇此地區(qū)作為驗(yàn)證方法的試驗(yàn)區(qū)。在進(jìn)行地質(zhì)結(jié)構(gòu)采樣過(guò)程中，需要先進(jìn)行地質(zhì)層結(jié)構(gòu)分析，采用檢索文獻(xiàn)的方式，綜合早期地質(zhì)研究成果，掌握試驗(yàn)區(qū)域地層結(jié)構(gòu)共由九層構(gòu)成，由上到下對(duì)應(yīng)第一層到第九層分別為礦區(qū)地表層、泥質(zhì)粉砂層、粗巖層、石英巖層、白云質(zhì)灰?guī)r層、變質(zhì)粉砂巖層、片麻巖層、碳質(zhì)泥巖層、地下水層。此次研究以勘察鉆探的方式，進(jìn)行不同地層巖性地?cái)?shù)據(jù)采集。為確保獲取的地層數(shù)據(jù)可滿(mǎn)足后續(xù)地質(zhì)找礦工作的需求，在進(jìn)行找礦作業(yè)前，按照本文設(shè)計(jì)的巖土工程勘察鉆探工藝流程，設(shè)計(jì)地質(zhì)巖土工程勘察鉆探點(diǎn)。此次實(shí)驗(yàn)共設(shè)置了7.0個(gè)鉆孔點(diǎn)（對(duì)應(yīng)每個(gè)巖層一個(gè)下深點(diǎn)），每個(gè)鉆孔點(diǎn)的下深傾斜角度均不相同。鉆探施工現(xiàn)場(chǎng)與鉆孔結(jié)構(gòu)可用下圖2表示。

圖2 勘察鉆探鉆孔點(diǎn)選擇示意圖

其中鉆孔點(diǎn)1～鉆孔點(diǎn)7對(duì)應(yīng)的下深傾斜角度分別為90.0°、60.0°、45.0°、63.0°、72.0°、78.0°、58.0°。以鉆探設(shè)備下深到指定深度后，勘察點(diǎn)的傾斜角度作為評(píng)估本文方法有效性的依據(jù)。即下深到指定地質(zhì)層深度后，倘若鉆進(jìn)的傾斜角度沒(méi)有發(fā)生變化，可認(rèn)為本文評(píng)估方法具有較強(qiáng)的實(shí)用性，反之可認(rèn)為本文設(shè)計(jì)的鉆探方法存在鉆進(jìn)偏差。基于此種理論，執(zhí)行此次巖土工程的鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)集成在鉆頭前端傳感器反饋數(shù)據(jù)，進(jìn)行下深傾斜角度測(cè)量，計(jì)算實(shí)測(cè)下深傾斜角度與預(yù)設(shè)傾斜角度之差為鉆進(jìn)過(guò)程中角度的偏差值，完成實(shí)驗(yàn)反饋數(shù)據(jù)的計(jì)算后，將此次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理成表格，如下表1所示。

表1 礦山巖土工程勘察鉆探工藝下深鉆進(jìn)傾斜角度

綜合上述表格中呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可知，本文設(shè)計(jì)的勘察鉆探工藝可將鉆進(jìn)傾斜角偏差值控制在1.0°范圍內(nèi)。因此，可認(rèn)為此次試驗(yàn)項(xiàng)目施工選擇的7.0個(gè)鉆孔點(diǎn)均在保證質(zhì)量的前提下，完成了地質(zhì)勘查鉆孔作業(yè)，鉆孔合格率達(dá)到100.0%，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖芯的高質(zhì)量取樣。綜上所述，得出本文此次實(shí)驗(yàn)結(jié)論：本文設(shè)計(jì)的基于復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力作用下礦山巖土工程勘察鉆探工藝，在實(shí)際應(yīng)用中，可降低鉆進(jìn)傾斜角偏差值，提高巖芯取樣的合格率，獲取樣本數(shù)據(jù)可作為該礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境、地層結(jié)構(gòu)、水文條件的分析與決策數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)礦區(qū)具有地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)地質(zhì)勘查作業(yè)高質(zhì)量數(shù)據(jù)的獲取，本文此次研究結(jié)合鉆探地質(zhì)的復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力作用，提出一種針對(duì)礦山巖土工程勘察作業(yè)的全新鉆探工藝。在完成對(duì)鉆探流程的規(guī)范化處理后，選擇廣西地區(qū)某復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力作用下的礦區(qū)地層作為此次實(shí)例應(yīng)用分析的試點(diǎn)區(qū)域，將本文設(shè)計(jì)的鉆探工藝應(yīng)用到地質(zhì)環(huán)境中，通過(guò)實(shí)踐操作的方式，獲取實(shí)測(cè)下深傾斜角度。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：本文設(shè)計(jì)的鉆探工藝，在實(shí)際應(yīng)用中，可降低鉆進(jìn)傾斜角偏差值，將鉆進(jìn)傾斜角偏差值控制在1.0°范圍內(nèi)，具有更高的研究?jī)r(jià)值。