復(fù)雜地層煤炭資源勘查繩索取芯鉆探技術(shù)應(yīng)用與綠色勘查實(shí)踐研究

王 紅

（貴州省煤田地質(zhì)局水源隊(duì)，貴州貴陽(yáng) 550081）

資源開(kāi)采利用的歷史過(guò)程都是從人員集中地開(kāi)始，資源開(kāi)采均由近至遠(yuǎn)，由淺至深，由容易到困難，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的過(guò)程。煤炭資源開(kāi)采利用亦遵循這樣的原則，在淺層和易采煤炭資源即將告罄的今天，深部煤炭資源的勘查和開(kāi)采工作已經(jīng)提上了議事日程。以貴州省2021 年全省重點(diǎn)礦產(chǎn)資源大精查工作而言，深部煤炭資源勘查工作已經(jīng)受到省政府、省自然資源廳高度重視，最大勘查深度已經(jīng)超過(guò)1300m。

1 研究區(qū)地理位置及交通概況

1.1 地理位置

研究區(qū)行政區(qū)劃隸屬貴州省六盤(pán)水市盤(pán)州市雞場(chǎng)坪鎮(zhèn)和淤泥鄉(xiāng)，位于盤(pán)州市北部，距市政府駐地紅果新城約52km，北起余家溝—綿羊坡—大溝邊一帶，南至箐龍灣—大槽子—杞山林一帶，西起磨石溝，東至梨材林，東西長(zhǎng)約5.00km，南北寬約0.90km，研究區(qū)面積為4.5368km2。盤(pán)州市內(nèi)滬昆高速公路G60 鎮(zhèn)勝段、G320國(guó)道、S314 省道、S317 省道、S217 省道、S318 省道橫穿東西，S77水盤(pán)興高速公路、G246國(guó)道、S218省道、S314省道縱貫?zāi)媳薄?/p>

1.2 交通概況

研究區(qū)距G60 滬昆高速公路30km，距S77 水盤(pán)興高速公路10km，距G246 國(guó)道3km，“五橫四縱一環(huán)線”公路網(wǎng)和100min 縣域經(jīng)濟(jì)圈基本建成。滬昆高鐵、貴昆鐵路盤(pán)西支線、威紅鐵路、水紅鐵路在紅果交匯，盤(pán)興高鐵正在建設(shè)，勘查區(qū)距紅果火車站約50km?？辈閰^(qū)距離雞場(chǎng)坪鎮(zhèn)約5km，有鎮(zhèn)村簡(jiǎn)易公路相連，基本形成了村村通、組組通的交通網(wǎng)絡(luò)。交通十分便利。

2 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)概況

2.1 地層特征

研究區(qū)出露的地層有：泥盆系中、上統(tǒng)、石炭系、二疊系、三疊系、第三系及第四系。缺失地層：上三疊統(tǒng)上部、侏羅系及白堊系。研究區(qū)地層分布復(fù)雜且?guī)r性多變，成為引發(fā)煤炭資源鉆探事故發(fā)生的決定性因素。

2.2 煤層特征

研究區(qū)內(nèi)的含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P3l）和二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組（P3β）第二段，其中龍?zhí)督M（P3l）：地層厚309.65～360.22m，平均341.0m。含煤47～66層。含煤總厚37～47m，含煤系數(shù)12%。含可采煤層17 層，可采總厚23.86，可采含煤系數(shù)7.1%?？刹擅簩又饕植荚诤旱貙由隙魏椭卸蔚纳喜俊⑾露蔚南虏?。煤組上段的可采煤層為薄—中厚層，結(jié)構(gòu)一般較簡(jiǎn)單，煤層厚度及其間距多數(shù)比較穩(wěn)定；這段可采煤層為中厚煤層，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單—較復(fù)雜，煤層厚度及其間距有一定變化；下段可采煤層多為薄煤層，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層間距比較穩(wěn)定、而煤層厚度變化較大。二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組（P3β）第二段：根據(jù)鄰區(qū)松河井田資料，此組厚4.50～39.00m，平均16.60m。含煤0～7 層，煤層厚度有一定變化，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

2.3 區(qū)域構(gòu)造特征

區(qū)域構(gòu)造整體上位于羌塘—揚(yáng)子—華南板塊（一級(jí)分區(qū)，Ⅳ）揚(yáng)子陸塊（二級(jí)分區(qū)，Ⅳ-4）上揚(yáng)子地塊（三級(jí)分區(qū)，Ⅳ-4-1）威寧隆起區(qū)（四級(jí)分區(qū)，Ⅳ-4-1-1）威寧穹盆構(gòu)造變形區(qū)（五級(jí)分區(qū)），控制本勘查區(qū)的北西向土城向斜（與之平行同時(shí)同組形成的還有如白央坪背斜、照子河向斜等），走向北西60°，其往西北延伸漸轉(zhuǎn)向北，有復(fù)合于南北向構(gòu)造帶上之勢(shì)；往東延伸則往南又往北東，轉(zhuǎn)了一個(gè)大彎再往北翹起。顯然是威寧穹盆構(gòu)造變形帶影響的結(jié)果，也是影響后期煤炭資源鉆探深度的主要因素。

3 復(fù)雜地層煤炭資源勘查繩索取芯鉆探技術(shù)選用原理

縱觀我國(guó)煤礦行業(yè)發(fā)展，煤炭資源開(kāi)采屬于重要問(wèn)題，難度比一般的工程要高，同時(shí)開(kāi)采實(shí)施的過(guò)程中還要結(jié)合復(fù)雜多變的地質(zhì)環(huán)境。因此，進(jìn)行煤炭地質(zhì)勘探工作實(shí)施的過(guò)程中會(huì)遇到各種問(wèn)題，最為嚴(yán)重的就是深孔鉆探。所以說(shuō)在煤炭地質(zhì)鉆探過(guò)程中對(duì)于選用合理鉆探技術(shù)的研究是極為重要的。

繩索取芯是當(dāng)前巖芯鉆探中最普遍的鉆進(jìn)方法之一，這是在鉆進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)巖芯管裝滿巖芯或巖芯堵塞時(shí)，不需要把孔內(nèi)鉆桿提出地表，只需要鋼絲繩連接專用打撈工具，就可以把內(nèi)巖芯管從鉆孔柱內(nèi)取出。可以減少對(duì)孔壁的擾動(dòng)，有利于孔內(nèi)安全和快速鉆穿復(fù)雜地層。因此繩索取芯鉆探技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、鉆進(jìn)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、巖芯采取率高、具有較好的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，適合深部煤炭資源勘查工作的開(kāi)展。

結(jié)合研究區(qū)地層分布復(fù)雜且?guī)r性多變、煤層厚度及結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，區(qū)域構(gòu)造較復(fù)雜的特征，在研究區(qū)煤炭資源勘查項(xiàng)目中使用繩索取芯鉆探技術(shù)合理，能滿足項(xiàng)目開(kāi)展需求。

4 復(fù)雜地層煤炭資源勘查技術(shù)應(yīng)用

4.1 鉆孔布置

充分利用已有勘查線及鉆孔資料，堅(jiān)持一孔多用，兼顧施工條件，在滿足規(guī)范要求的前提下，合理地確定終孔層位，減少鉆探工作量，本次收集利用了附近的煤層氣鉆孔，以此為基礎(chǔ)按照垂直地層走向的原則布設(shè)勘查線，以此勘查線為基線按基本線距和孔距向勘查區(qū)兩邊分別布置工作量。按勘查線垂直地層走向，由北往南、由西向東在勘查線1～8 線上布置鉆孔9 個(gè)，初步設(shè)計(jì)總進(jìn)尺9980m，研究區(qū)深部煤炭資源勘探設(shè)計(jì)鉆孔設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

4.2 鉆孔設(shè)備選型

研究區(qū)計(jì)劃投入8 臺(tái)套鉆機(jī)設(shè)備，其中4 號(hào)鉆機(jī)完成2 孔（101 孔、501 孔）鉆探施工，設(shè)備經(jīng)過(guò)專家論證，選用的設(shè)備滿足經(jīng)濟(jì)性、安全性要求，根據(jù)鉆探工程布置情況及布置的鉆孔深度分布情況，本次勘查盡可能采用可拆卸的模塊化工器具，本工程擬采用的鉆機(jī)裝備為XY-44、XY-5 機(jī)型?？辈殂@機(jī)主要設(shè)備見(jiàn)表2。

4.3 鉆探事故預(yù)防

安全鉆進(jìn)及預(yù)防事故的意義在煤田地質(zhì)鉆探施工過(guò)程中常常會(huì)遇到一些水敏性強(qiáng)的巖層，裂隙、巖溶、斷層、松散易坍塌的巖層，以及第四紀(jì)沖積層等復(fù)雜地層。處理深部煤炭資源勘查鉆探事故尤其重要，孔內(nèi)事故一旦發(fā)生，就要積極采取處理措施，力爭(zhēng)盡快排除，迅速恢復(fù)正常鉆進(jìn)。盡管巖層條件多樣化，孔內(nèi)情況各異，孔內(nèi)事故的種類繁雜，事故性質(zhì)和具體情況錯(cuò)綜復(fù)雜，處理方式不同，但處理事故有其共同的原則，歸納起來(lái)有以下幾條：

（1）機(jī)上余尺要記清楚。在正常鉆進(jìn)中，若發(fā)生孔內(nèi)事故，就要及時(shí)量準(zhǔn)機(jī)上余尺，確定發(fā)生事故的孔深和具體位置，并要清楚孔內(nèi)情況和發(fā)生事故前的征兆。

（2）要清楚事故頭。在正常鉆進(jìn)中，如發(fā)生鉆桿折斷事故，應(yīng)根據(jù)提出孔外鉆具和其他有關(guān)標(biāo)志，設(shè)法摸清事故頭的位置上、斷頭形狀、孔內(nèi)留存鉆具數(shù)量等以便于確定處理方案和打撈工具。

（3）要摸清孔內(nèi)情況事故發(fā)生后，要分析事故發(fā)生的原因和性質(zhì)并弄清楚孔內(nèi)情況，如鉆孔結(jié)構(gòu)、孔壁穩(wěn)定性、有無(wú)坍塌掉塊層段、沖洗液循環(huán)等。

（4）班報(bào)記錄一定要清楚準(zhǔn)確事故的處理過(guò)程，必須要指定專人做好班報(bào)記錄工作。班報(bào)記錄準(zhǔn)確與否，直接關(guān)系到確定事故的處理方案和應(yīng)采取處理措施的成功與否，因而在處理過(guò)程中，一定要把鉆具數(shù)量、結(jié)構(gòu)、規(guī)格、打撈工具以及處理過(guò)程中所發(fā)生一切現(xiàn)象，一一記錄清楚，同時(shí)做好交接班工作。

4.4 技術(shù)應(yīng)用效果

研究區(qū)鉆探工作嚴(yán)格按照鉆探管理規(guī)范要求標(biāo)準(zhǔn)化管理，并在安全方面、質(zhì)量方面嚴(yán)格把關(guān)，從鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)到開(kāi)孔以至后期鉆進(jìn)過(guò)程中原始資料記錄等都全面介入管理。對(duì)鉆孔驗(yàn)收嚴(yán)格按照《礦產(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范煤》(DZ/T0215-2020)及《固體礦產(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范總則》GB/T13908-2020執(zhí)行。鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程到鉆進(jìn)結(jié)束，在監(jiān)理監(jiān)督管理下完成編錄采樣等工作，鉆機(jī)進(jìn)尺。鉆孔施工深度超過(guò)1300m 的孔有三個(gè)，平均施工日小于兩個(gè)月，證明繩索巖芯鉆探技術(shù)在深部煤炭資源勘查中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

5 綠色勘查實(shí)踐研究

5.1 綠色勘查實(shí)施目標(biāo)

研究區(qū)嚴(yán)格執(zhí)行綠色勘查規(guī)范，為保障勘查過(guò)程與結(jié)果達(dá)到規(guī)范要求，對(duì)參與勘查工作人員進(jìn)行了相應(yīng)的綠色勘查規(guī)范學(xué)習(xí)培訓(xùn)，野外初步踏勘階段、場(chǎng)地平整階段、鉆探設(shè)備搬遷、施工場(chǎng)地布置、復(fù)墾復(fù)綠等均達(dá)到綠色環(huán)保。確保全勘查流程符合綠色勘查要求和規(guī)范，綠色勘查施工現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

圖1 綠色勘查施工現(xiàn)場(chǎng)照

5.2 綠色勘查實(shí)施方案

為達(dá)到綠色勘查目標(biāo)，研究區(qū)采用綠色勘查方案為：

（1）鉆機(jī)搬遷路線的確定：搬遷路線的確定原則是“少破壞，少砍伐”。搬遷路線確定時(shí)由施工部邀請(qǐng)鉆孔所在地村委會(huì)、土（林）地所有人共同參加，制定最優(yōu)方案；

（2）修路：修路寬度按夠用的原則進(jìn)行修建，若鉆機(jī)搬遷過(guò)程中對(duì)原有道路有壓壞、壓坑等情況，必須將道路進(jìn)行加固或填平，恢復(fù)到鉆機(jī)搬遷前的狀態(tài)；

（3）鉆機(jī)平場(chǎng)：在鉆孔位置確定后，機(jī)場(chǎng)所處位置有林木，則根據(jù)林木所有人意見(jiàn)砍伐或移栽，平場(chǎng)前在施工區(qū)域設(shè)置警示牌，并用彩條布劃定警示區(qū)域；開(kāi)始施工后，采用分層挖掘，地表腐植層、粘土層、小塊碎石層、大塊碎石分開(kāi)堆放；

（4）場(chǎng)地防污處理：場(chǎng)地平好之后先用土工布布鋪在最下層吸油污，尤其是柴油機(jī)和鉆機(jī)動(dòng)力設(shè)備下面應(yīng)做加厚處理；

（5）水池挖掘：所有鉆孔全部采用水池底部鋪彩條布進(jìn)行防漏處理，清水池中放置稻草或者活性炭等吸附滲漏油污；

（6）鉆機(jī)用電：鉆機(jī)用電一般采用柴油機(jī)發(fā)電，不使用時(shí)要關(guān)閉，減少排放及噪音污染；

（7）鉆孔洗孔：鉆孔洗孔盡量采用清水，遇有需要使用護(hù)孔劑時(shí)報(bào)鉆探施工部備案，經(jīng)同意后方可使用；

（8）鉆機(jī)場(chǎng)地：鉆機(jī)場(chǎng)地原則上能小則小，盡量將材料堆放區(qū)合理利用，減小植被破壞面積，鉆孔施工完成經(jīng)地質(zhì)人員驗(yàn)收合格后，進(jìn)行鉆機(jī)拆卸及巖芯搬運(yùn)，機(jī)場(chǎng)鋪墊用砂石必須回收做下一個(gè)鉆孔使用，彩條布根據(jù)使用情況回收或做廢物處理。機(jī)場(chǎng)根據(jù)原有用途做恢復(fù)處理；

（9）水池回填：水池回填先回填大塊巖石，再填小塊碎石然后再回填粘土，待水池填平后用原有腐植土層覆蓋，種樹(shù)或撒草籽，若為耕地，回填要邀請(qǐng)土地所有人一起驗(yàn)收；

（10）垃圾處理：鉆孔施工完成后，必需將所有垃圾分類集中處理，廢水根據(jù)污染情況由鉆探項(xiàng)目部制定處理方案；

（11）噪音處理：鉆機(jī)機(jī)場(chǎng)施工進(jìn)行必要的減噪措施，盡量降低對(duì)周圍生物及附近居民的影響，共建和諧生態(tài)；

（12）固廢運(yùn)轉(zhuǎn)：要求施工結(jié)束后將鉆井液尾漿回收，外運(yùn)到就近的固廢處理中心集中進(jìn)行處理；

（13）環(huán)境恢復(fù)：結(jié)合施工前的土地類型，恢復(fù)為原土地類型或者是高于原土地類型。根據(jù)研究區(qū)踏勘結(jié)果，401、502、601鉆孔所在位置為耕地，602、801鉆孔所在位置為草地，101、501 為林地、301、302 為墳地，鉆孔施工土地復(fù)綠措施具體詳見(jiàn)表4，鉆孔施工前、中、后綠色勘查效果展示如圖2所示。

圖2 綠色勘查鉆孔施工前中后效果圖

表4 鉆孔施工土地復(fù)綠措施一覽表

5.3 綠色勘查實(shí)踐效果

為適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，合理開(kāi)發(fā)、利用礦產(chǎn)資源，同時(shí)順應(yīng)習(xí)近平總書(shū)記“綠水青山就是金山銀山”的環(huán)境保護(hù)理念。依據(jù)相關(guān)法律法規(guī)和資源環(huán)境各類標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用先進(jìn)的找礦手段、方法、設(shè)備和工藝，采取一系列優(yōu)化、防護(hù)、限制和恢復(fù)治理措施，使煤炭勘查活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的擾動(dòng)控制最小化。綠色勘查可以做到對(duì)環(huán)境影響控制在最小化；根據(jù)實(shí)地踏勘情況優(yōu)化施工部署，控制和減少對(duì)原地貌、地表植被、水系的擾動(dòng)和損壞，保護(hù)原地表植被、表土及皮層，減少占用水、土資源，提高資源利用效率；做好巖土渣、各類材料圍護(hù)、邊坡管控等，防治擴(kuò)散以造成對(duì)土地壓占并引發(fā)災(zāi)害；對(duì)施工人員及技術(shù)管理人員進(jìn)行環(huán)境保護(hù)知識(shí)、技能培訓(xùn)，增強(qiáng)環(huán)境保護(hù)意識(shí)，切實(shí)落實(shí)綠色勘查要求；施工結(jié)束后，應(yīng)按景觀相似原則進(jìn)行場(chǎng)地恢復(fù)治理，達(dá)到環(huán)境、生物修復(fù)一體化建設(shè)。

6 結(jié)論與建議

（1）煤炭地質(zhì)鉆探過(guò)程中，選用鉆探技術(shù)的研究是極為重要的，結(jié)合研究區(qū)復(fù)雜的地層結(jié)構(gòu)及煤層多而薄的特點(diǎn)，繩索取芯鉆探技術(shù)具有鉆進(jìn)效率高、取芯率高、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、打撈速度快等優(yōu)點(diǎn)，適合深部煤炭資源勘查工作的開(kāi)展。

（2）研究區(qū)9 個(gè)鉆孔中，鉆孔施工深度超過(guò)1300m的孔有3個(gè)，平均施工日小于兩個(gè)月，證明繩索取芯鉆探技術(shù)在深部煤炭資源勘查中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

（3）煤炭資源勘查保證綠色勘查的實(shí)施，可以做到對(duì)環(huán)境影響控制在最小化、控制和減少對(duì)原環(huán)境的擾動(dòng)和損壞、達(dá)到保護(hù)環(huán)境、生物修復(fù)一體化建設(shè)。

（4）提升裝備整體現(xiàn)代化和信息化服務(wù)水平，是新時(shí)代地質(zhì)勘探工作可持續(xù)發(fā)展的必由之路，是踐行“綠色發(fā)展、綠色勘查”的重要體現(xiàn)，是新時(shí)代自然資源管理的新要求和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，是新時(shí)代地勘行業(yè)轉(zhuǎn)型、高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在需求。