礦山地質(zhì)條件分類及地質(zhì)鉆探方法研究

夏清陽，施健雄

水文地質(zhì)鉆探是地質(zhì)勘探的重要組成部分。在我國當(dāng)前的發(fā)展過程中，水文地質(zhì)鉆探技術(shù)發(fā)展非常迅速。只有持續(xù)不斷發(fā)展水文地質(zhì)鉆探技術(shù)，才能為資源勘探工作的正常進(jìn)行，奠定一個(gè)非常好的基礎(chǔ)。本文中將對(duì)地質(zhì)鉆探技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，然后直接引出地質(zhì)鉆探技術(shù)的發(fā)展情況，對(duì)水文地質(zhì)鉆探技術(shù)進(jìn)行有效的分析介紹，然后對(duì)該技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)行一定的展望。另外，在文章的前部還需要對(duì)礦山地質(zhì)條件進(jìn)行分類，針對(duì)不同的礦山地質(zhì)，采用不同的礦產(chǎn)開采作業(yè)方法，最大程度保證作業(yè)效果。

1 礦山地質(zhì)條件的分類

1.1 簡(jiǎn)單礦山地質(zhì)條件

在礦山當(dāng)中，百分之七十的礦層位于地下水位以上，礦坑進(jìn)水邊界條件相對(duì)比較簡(jiǎn)單，沖水層含水層富水性差，地下水集中徑流，與地表水聯(lián)系不是非常密切，礦坑的正常涌水量小于3000m3/d，地下采礦區(qū)域沖水層的破壞相對(duì)較小。礦床圍巖主要以巨厚層狀整體結(jié)構(gòu)為主，巖溶裂隙帶發(fā)育情況不夠理想，巖石存在弱風(fēng)化的問題，采空區(qū)距地表殘積層的距離要小于5m，礦層頂?shù)装宸€(wěn)固性好。礦山地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)比較簡(jiǎn)單，礦層和礦床圍巖傾角要小于36°，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，斷裂帶對(duì)采礦活動(dòng)開展影響相對(duì)較小。地貌單元類型相對(duì)比較單一，地形條件可以讓百分之七十以上的開采都可以自然排水。

1.2 中等復(fù)雜程度地質(zhì)條件

其中70%礦層體位于地下水位線以下，礦坑的進(jìn)水邊界條件中等，充水含水層和構(gòu)造破碎帶、巖溶裂隙發(fā)育帶富水性較為中等。礦坑正常涌水量保持在3000m3/d～10000m3/d，地下采礦工作開展過程中容易導(dǎo)致充水含水層破壞情況的發(fā)生。礦床圍巖巖體以薄-厚層狀結(jié)構(gòu)為主，蝕變帶、巖溶裂隙發(fā)育情況中等，局部存在軟弱巖層，采礦區(qū)距地表殘坡積層、基巖風(fēng)化破碎帶大約5m～10m，礦層頂?shù)装搴偷V床圍巖穩(wěn)定性較好。礦山地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)比較簡(jiǎn)單，礦層和礦床圍巖巖層傾角在36°～55°，巖層產(chǎn)狀變化相對(duì)較大，導(dǎo)水?dāng)嗔褞У膶?dǎo)水性較差，對(duì)井下采礦安全，構(gòu)成了一定的影響。地貌單元類型集中在2個(gè)～3個(gè)，地形條件可以讓30%～70%開采礦體都能夠正常排水，主要硐口斜坡與巖層斜交。

1.3 高復(fù)雜程度地質(zhì)條件

其中70%礦層體位于地下水位以下，礦坑進(jìn)水邊界條件相對(duì)比較復(fù)雜，充水水源數(shù)量相對(duì)較多，充水含水層和構(gòu)造破碎帶、巖溶裂隙發(fā)育帶的富水性較強(qiáng)，老窖水威脅相對(duì)較大，礦坑的正常涌水量會(huì)超過10000m3/d，地下采礦容易導(dǎo)致含水層破壞現(xiàn)象的發(fā)生。礦床周圍巖體結(jié)構(gòu)以碎裂結(jié)構(gòu)、散體結(jié)構(gòu)為主，巖石風(fēng)化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，采空區(qū)距地表殘坡積層、基巖風(fēng)化破碎帶的距離大于10m，礦頂?shù)装搴偷V床圍巖穩(wěn)固性相對(duì)較差，礦山工程場(chǎng)地地基穩(wěn)固性較差。地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)比較復(fù)雜，礦層和礦床圍巖巖層傾角會(huì)超過55°，巖層產(chǎn)狀變化相對(duì)較大，導(dǎo)水?dāng)嗔褞懈畹V層圍巖、覆巖和主要含水層，對(duì)井下采礦安全，構(gòu)成了非常直接的威脅。地貌單元的數(shù)量會(huì)超過3個(gè)，地形條件可以讓30%以下礦體開采過程中可以自然排水，主要硐口斜坡與巖層傾角相同。

2 地質(zhì)鉆探技術(shù)現(xiàn)狀及意義

當(dāng)前，地質(zhì)鉆探在地下水研究過程中，是一種非常有效的研究手段。因此，各種地質(zhì)鉆探方法和技術(shù)越來越受到水文工作的重視。盡管地質(zhì)鉆探技術(shù)在地質(zhì)勘探中應(yīng)用非常廣泛，但由于設(shè)計(jì)技術(shù)不能得到及時(shí)的更新，導(dǎo)致整體技術(shù)水平相對(duì)較低。例如，在實(shí)際作業(yè)過程中，需要依賴進(jìn)口動(dòng)力鉆頭，金剛石繩索鉆探取芯雖然在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，但相關(guān)操作技術(shù)還相對(duì)比較落后。雖然一些新的地質(zhì)鉆探技術(shù)逐漸在勘探工程中進(jìn)行應(yīng)用，但涉及范圍還相對(duì)較窄。國家在鉆探地質(zhì)技術(shù)研究中已經(jīng)投入了較大的力量，但國內(nèi)鉆機(jī)研制能力與國外相比，還有著較大的距離，導(dǎo)致地質(zhì)鉆探過程中各種問題相對(duì)較多。因此，應(yīng)該在地質(zhì)鉆探技術(shù)的研究中，投入足夠多的力量，通過對(duì)先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，來縮小與國外鉆探技術(shù)的差距。

地質(zhì)鉆探技術(shù)涉及范圍相關(guān)較廣，其中經(jīng)常會(huì)包括礦產(chǎn)資源、地質(zhì)狀況和地下水開發(fā)等。因此，在地質(zhì)鉆探技術(shù)發(fā)展過程中，對(duì)人們的生活和生產(chǎn)造成了不少的影響。地質(zhì)鉆探在各種地質(zhì)試驗(yàn)中的應(yīng)用相對(duì)較多，是開展地質(zhì)測(cè)繪、物探成果檢測(cè)的重要手段。伴隨著地質(zhì)鉆探作業(yè)的不斷發(fā)展，地質(zhì)鉆探工作在礦產(chǎn)勘察中的作用越來越明顯。各種地質(zhì)鉆探設(shè)備的非常沉重，各種施工技術(shù)應(yīng)用非常復(fù)雜，直接導(dǎo)致礦產(chǎn)地質(zhì)勘察項(xiàng)目的投資相對(duì)較多，需要認(rèn)真做好地質(zhì)鉆探技術(shù)的研究工作。

3 地質(zhì)鉆探技術(shù)與方法

在實(shí)際開展地質(zhì)鉆孔的過程中，經(jīng)常會(huì)遇到各種硬度的巖層，需要根據(jù)不同的巖層合理對(duì)鉆進(jìn)方法進(jìn)行選擇。其常用的鉆進(jìn)方法包括正循環(huán)鉆進(jìn)、反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、機(jī)械沖擊鉆進(jìn)等。

（1）正循環(huán)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)進(jìn)主要包括鉆機(jī)就位、初鉆、鉆進(jìn)速度、泥漿性能及孔位置準(zhǔn)確性。在實(shí)際設(shè)定鉆進(jìn)速度過程中，需要根據(jù)土層性質(zhì)來進(jìn)行調(diào)整，例如在粘質(zhì)土鉆進(jìn)過程中，由于泥漿粘性較大，需要在正循環(huán)鉆進(jìn)過程中，使用尖底鉆錐、中等轉(zhuǎn)速、大泵量和稀泥漿鉆進(jìn)。在實(shí)際作業(yè)過程中，需要認(rèn)真做好以下的工作：①根據(jù)鉆孔直徑和深度認(rèn)真做好相關(guān)鉆具的選擇工作，并按照GB9808-9812標(biāo)準(zhǔn)來選擇鉆具規(guī)格、質(zhì)量和相關(guān)技術(shù)。鉆進(jìn)過程中，應(yīng)該及時(shí)對(duì)鉆桿進(jìn)行更換，淺孔可以直接在軸上換下，深孔可以采用抽中間換兩頭的方法交替進(jìn)行使用。如果需要鉆孔換徑，可以使用異徑導(dǎo)向鉆進(jìn)行鉆進(jìn)，導(dǎo)向鉆具長(zhǎng)度應(yīng)該保持在3m～5m。在大口徑鉆進(jìn)過程中，如果孔內(nèi)沖洗液的上返速度達(dá)到了0.1m/s，應(yīng)該在鉆具當(dāng)中增加粉管，并在鉆進(jìn)結(jié)束后，及時(shí)開展沖孔撈渣處理。鉆進(jìn)過程中，應(yīng)該緊密關(guān)注孔內(nèi)情況的變化，如果出現(xiàn)了回轉(zhuǎn)阻力增加、負(fù)荷突變、泥漿壓力不足、憋泵等問題，應(yīng)該及時(shí)采取措施進(jìn)行處理，如果處理效果不良，就需要及時(shí)提鉆檢查。如果需要停鉆，則鉆具不得停放在孔底，必須將鉆具提升到孔外。②在牙輪鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)調(diào)整過程中，應(yīng)該能夠達(dá)到巖石破碎強(qiáng)度相關(guān)要求，并結(jié)合設(shè)備能力和鉆具強(qiáng)度合理進(jìn)行選擇。鉆頭的線速度應(yīng)該保持在0.8m/s～1.5m/s，如果遇到了卵礫石層，可以將其降低到0.6m/s。如果地層情況相對(duì)比較完整、硬度較低，應(yīng)該適當(dāng)提升鉆頭線速度。

（2）反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)是指攜帶巖屑的鉆探介質(zhì)經(jīng)過鉆桿內(nèi)孔返回地面的鉆進(jìn)方法。其與常規(guī)循環(huán)方式相比，反循環(huán)鉆進(jìn)上返速度會(huì)更快，攜帶巖粉的能力更強(qiáng)，在孔底被鉆下的巖石可以被快速返回地表。

（3）沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。在沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的過程中，其是利用沖擊及回轉(zhuǎn)兩種方式來同時(shí)對(duì)巖石進(jìn)行鉆探，需要在回轉(zhuǎn)鉆柱下端及取芯鉆具之間安裝潛孔沖擊器，從而能夠?qū)崿F(xiàn)沖擊脈沖、軸向鉆頭壓力、鉆桿回轉(zhuǎn)扭矩，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)和采取巖心。該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中，能夠有效保證硬巖層轉(zhuǎn)速及回次進(jìn)尺的長(zhǎng)度，降低鉆孔彎曲變形量，進(jìn)一步減少鉆探成本。

（4）地質(zhì)觀測(cè)。在開展地質(zhì)觀測(cè)工作過程中，主要是對(duì)鉆探中各種地質(zhì)資料進(jìn)行記錄。其詳細(xì)的內(nèi)容包括監(jiān)測(cè)鉆孔水位變化、沖洗液漏失情況、涌水位置、出水量、水溫異常、大裂隙、流砂以及鉆具突然掉落。在實(shí)際開展觀測(cè)工作中，應(yīng)該做好以下的工作：①觀測(cè)水位變化。在開展水位觀測(cè)工作中，經(jīng)常會(huì)遇到以下兩種情況，一種是清水為沖洗液，需要間隔五分鐘對(duì)鉆后、下鉆前水位量進(jìn)行測(cè)量，如果出現(xiàn)了嚴(yán)重的漏水現(xiàn)象，應(yīng)該采用近似穩(wěn)定水位觀測(cè)法。另外一種采用泥漿為沖洗液，鉆孔作業(yè)過程中不必觀測(cè)水位變化情況，其主要測(cè)量方法是在沖洗液鉆進(jìn)過程中，應(yīng)該對(duì)孔內(nèi)水位變化情況進(jìn)行判斷。②觀測(cè)沖洗液消耗情況。在開展水文地質(zhì)鉆探工作過程中，沖洗液變化量可以直接反映透水性變化情況，需要認(rèn)真做好沖洗液觀測(cè)工作。如果鉆孔穿透含水層底板，一旦出現(xiàn)了沖洗液大量消耗及漏失的現(xiàn)象，就需要每隔10min～30min對(duì)沖洗液消耗量以及漏失情況進(jìn)行觀測(cè)。③觀測(cè)地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)。對(duì)于那些地質(zhì)活動(dòng)活躍地區(qū)，為了對(duì)斷層位移和地應(yīng)力場(chǎng)變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以使用精密水準(zhǔn)儀來測(cè)量大地的變形量，并對(duì)垂直活動(dòng)斷層帶，定期進(jìn)行短水測(cè)量，同時(shí)設(shè)置必要的地震臺(tái)網(wǎng)，對(duì)地震活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而有效對(duì)區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

4 認(rèn)真做好鉆探作業(yè)管理工作

4.1 建立更加完整的組織管理機(jī)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)管理是一項(xiàng)非常系統(tǒng)的工作。在實(shí)際管理的過程中，往往會(huì)遇到多方面的因素，例如施工人員、財(cái)、工程質(zhì)量等。在實(shí)際進(jìn)行管理的過程中，需要建立嚴(yán)格的管理體系和制度，嚴(yán)格落實(shí)相關(guān)人員的管理內(nèi)容和職責(zé)，保證各項(xiàng)鉆探施工管理工作可以有效落實(shí)到位。

4.2 認(rèn)真做好對(duì)施工人員的培訓(xùn)工作

在開展水文地質(zhì)鉆探施工的過程中，施工人員發(fā)揮著非常重要的作用，一旦其人員素質(zhì)不能得到保證，就會(huì)直接影響到施工效果，這就需要認(rèn)真做好施工人員的培訓(xùn)工作，并認(rèn)真做好以下三點(diǎn)：①保證形式的多樣化程度。②應(yīng)該對(duì)各種方法靈活進(jìn)行應(yīng)用。③保證所有成員都能參與其中，在每個(gè)人的腦海當(dāng)中都應(yīng)該形成良好的質(zhì)量意識(shí)，保證其能夠有效適應(yīng)各種施工任務(wù)。

4.3 認(rèn)真做好施工組織工作

由于施工現(xiàn)場(chǎng)的特殊性，施工環(huán)境往往比較復(fù)雜，如果對(duì)這些施工因素不能進(jìn)行良好的控制，就容易導(dǎo)致施工混亂情況的發(fā)生。因此，管理人員應(yīng)該充分做好施工組織工作，根據(jù)施工進(jìn)程的實(shí)際情況，來進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整，按照標(biāo)準(zhǔn)要求來完成每個(gè)工序施工，最大程度保證工程施工質(zhì)量。

4.4 加大監(jiān)督力度，加強(qiáng)工程施工整改力度

人是工程施工的重要因素，建立一支高素質(zhì)的施工隊(duì)伍是非常關(guān)鍵的。在開展工程施工隊(duì)伍的建設(shè)過程中，管理人員應(yīng)該盡量建立一種榮辱與共的工作氛圍，讓所有員工都應(yīng)該感受到團(tuán)隊(duì)的凝聚力。對(duì)于表現(xiàn)突出的管理人員，應(yīng)該及時(shí)進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，將工程監(jiān)督的作用充分發(fā)揮出來，充分保證工程施工質(zhì)量。

4.5 做好孔深校正施工，將孔深誤差控制在合理的范圍之內(nèi)

施工人員應(yīng)該充分做好深孔的校正工作，在深孔鉆達(dá)到五十米之后，或者遇到了主巖層，就需要合理使用鋼卷尺等鉆具，認(rèn)真做好孔深的校正校驗(yàn)工作。在校正檢驗(yàn)結(jié)果出來之后，一旦發(fā)現(xiàn)孔深誤差超過了千分之一，就需要施工人員及時(shí)采取相應(yīng)的措施。為了保證施工質(zhì)量，應(yīng)該保證施工人員所使用的鐵尺等工具滿足相關(guān)質(zhì)量要求，如平整度等，能夠定期開展校正工作。

認(rèn)真做好封孔質(zhì)量控制，保證地質(zhì)鉆孔施工效果。在開展封孔施工作業(yè)過程中，施工人員應(yīng)該認(rèn)真做好以下的工作：①詳細(xì)了解設(shè)計(jì)書的實(shí)際情況，明確工程設(shè)計(jì)和封孔施工的相關(guān)要求，能夠合理選擇合適的水泥開展封孔作業(yè)，并在孔口處設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志，直接標(biāo)明孔號(hào)、孔深、施工日期等參數(shù)信息。②在使用沖洗液的過程中，應(yīng)該遵循自上而下的順序，并認(rèn)真做好封閉孔段的清洗作業(yè)。施工人員應(yīng)該選擇強(qiáng)度等級(jí)高的架橋材料，并將其固定在預(yù)定的孔深，從而發(fā)揮必要的隔離作用。水泥與清水應(yīng)該采用合理的比例進(jìn)行攪拌，并使用泵送的方式來進(jìn)行沖洗。

5 當(dāng)前水文地質(zhì)鉆探技術(shù)的發(fā)展方向

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，水文地質(zhì)鉆探技術(shù)發(fā)展非常迅速，一些先進(jìn)的技術(shù)不斷應(yīng)用到施工過程中。

5.1 液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)

在這種技術(shù)的應(yīng)用過程中，進(jìn)一步加強(qiáng)了洗井液的驅(qū)動(dòng)作用，并在回轉(zhuǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了潛孔錘的使用效率，將潛孔錘的潛能更進(jìn)一步發(fā)揮了出來。通過這種技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步增加了鉆探動(dòng)力，提升了鉆探技術(shù)應(yīng)用效率，在實(shí)際工程中的應(yīng)用不斷增加。

5.2 繩索取芯鉆探技術(shù)

通過對(duì)這種地質(zhì)鉆探技術(shù)的應(yīng)用，可以有效提升巖心的提取率，可以在很大程度上減少設(shè)備的提升次數(shù)，降低了設(shè)備的損壞率，技術(shù)的適應(yīng)性也相對(duì)比較強(qiáng)，在很多地質(zhì)條件下都可以進(jìn)行使用。

5.3 空氣鉆探技術(shù)

在這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用過程中，其是以壓縮空氣作為介質(zhì)的，然后直接沖洗來鉆出空洞，然后在該基礎(chǔ)上增加了鉆探中破碎巖石的力量，這對(duì)提升鉆探工作效率，是非常有益的，可以有效縮短鉆探過程所需時(shí)間。

5.4 反循環(huán)鉆探技術(shù)的應(yīng)用

鉆探?jīng)_洗液自孔口經(jīng)鉆桿與孔壁間，或雙壁鉆桿的內(nèi)外管之間的環(huán)狀空間向下行，到達(dá)孔底后又從鉆桿或雙壁鉆桿內(nèi)管上返到地表的一種相反方向循環(huán)方式的鉆探和取樣技術(shù)。沖洗液介質(zhì)可以是水、泥漿或空氣。在該技術(shù)的應(yīng)用過程中，其主要采用水力反循環(huán)和空氣反循環(huán)，需要根據(jù)介質(zhì)的不同，合理對(duì)技術(shù)進(jìn)行選擇。在空氣反循環(huán)鉆孔的過程中，經(jīng)常采用空氣介質(zhì)，空氣在這個(gè)過程中，容易出現(xiàn)膨脹的現(xiàn)象，并產(chǎn)生沖擊力，這樣就可以驅(qū)動(dòng)孔底的潛孔錘進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，巖石在潛孔錘的作用下，會(huì)產(chǎn)生巖屑，并在空氣的帶動(dòng)作用下，巖屑就會(huì)通過鉆桿中心返回到地面，方便勘探人員及時(shí)對(duì)這些巖屑進(jìn)行收集、分析處理。在水力反循環(huán)鉆孔的過程中，其采用泥漿或者水作為介質(zhì)，但是相對(duì)于空氣反循環(huán)技術(shù)，其對(duì)資源的消耗會(huì)更多一些。這兩個(gè)技術(shù)在地質(zhì)勘探取樣中的應(yīng)用比較多，如在錨固施工、松軟塌陷表層以及水文水井地質(zhì)勘探當(dāng)中。

5.5 其它鉆探技術(shù)

除了上面提到的鉆探技術(shù)之外，還有比較多的新材料和新工藝。例如，為了有效在水資源缺乏地區(qū)開展鉆探，就可以采用節(jié)水鉆探技術(shù)，其在具體的應(yīng)用過程中，能夠進(jìn)一步減少對(duì)水資源的使用。此外，還可以認(rèn)真做好新鉆頭的開發(fā)工作，例如可以使用超聲波技術(shù)來制作金剛石鉆頭，這樣可以有效保證生產(chǎn)效率，進(jìn)一步提升鉆頭的使用壽命。該鉆頭和普通的地質(zhì)鉆探鉆頭相比，其鉆進(jìn)速度可以提升百分之二十以上。此外，通過在鉆進(jìn)過程中使用新型沖洗液，可以很好解決沖洗液在鉆桿內(nèi)部產(chǎn)生的污垢問題，進(jìn)一步延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命。當(dāng)前泥漿材料技術(shù)發(fā)展非常快，通過對(duì)這些先進(jìn)泥漿體系的應(yīng)用，能夠進(jìn)一步提升鉆進(jìn)的效率，降低工程施工成本。

6 結(jié)語

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，對(duì)開展礦產(chǎn)開采工程，提出了更高的要求。為了保證鉆探作業(yè)質(zhì)量，應(yīng)該認(rèn)真做好礦山地質(zhì)分類和地質(zhì)鉆探技術(shù)方法研究工作，根據(jù)礦山地質(zhì)的實(shí)際情況，合理對(duì)相關(guān)鉆探技術(shù)進(jìn)行研究，保證鉆探作業(yè)工作開展效率和質(zhì)量，避免各種鉆探安全生產(chǎn)質(zhì)量事故的發(fā)生。另外，還應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)先進(jìn)鉆探技術(shù)的研究工作，充分保證鉆探工作效果。