矿山采空区地质勘查中大口径钻探技术应用效果分析论文

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摘  要 ：钻探技术影响着矿山地质勘查的效果，矿山采空区地质的有效勘查是矿产资源安全开采活动的理论基础，研究矿山采 空区地质勘查中大口径钻探技术应用效果分析。基于采空区特征布设测网，覆盖整个研究区域。大口径钻探勘查地质，真实地 反映岩石的自然存在状态。数据的解译与分析，分析矿山采空区的富水性。经应用效果分析，结合已有的地质资料，本文勘查结 果与实际地质情况是一致的， 说明本文方法具有有效性。

关键词 ：矿山 ；采空区 ；地质勘查 ；大口径钻探技术 ；数据解译 ；应用效果

近年来，伴随经济社会的快速增长，在矿产资源方面的需求 量日渐增大， 矿产资源被不断开采和利用， 浅层地表的矿产资源 已不能满足目前发展的需要， 矿产开采活动向更深部延伸， 为社 会经济发展带来了巨大的效益 [1]。然而，随着开采规模的不断扩 大，矿产的过度开采已在地下形成了大量采空区， 它们分布不均 且规模不同，导致诸多地区地表塌陷，土地受到了严重破坏，影 响了地面建筑物的安全，给矿山周边人民的生活及矿产开采活 动安全形成了极大的威胁，对矿产资源的回收带来了一定的困 难，不利于国家持续环保可持续的经济发展， 使生态环境进一步 恶化，为矿山造成了巨大的损失。因此，勘查矿山采空区的地质 情况， 能够有效防止塌方等事故的发生， 此问题受到了诸多学者 和勘查人员的广泛关注。由于采空区的形成时间、埋深、围岩岩 性及地下构造都各有不同，需要采取较为有效的物探勘查技术。 大口径钻探技术具有钻孔质量好， 钻进效率高的特点， 能够满足 矿山勘查的实际需求， 因此广泛应用于对矿山地质体的勘查。通 过大口径的扩孔钻进技术， 完成扩孔任务， 钻进设备不需要二次 钻进， 在一定程度上简化了钻进过程。本文在对矿区地质钻探技 术方法进行分析的基础上，基于大口径探技术对矿山采空区进 行勘查， 为今后的矿山采空区勘查工作提供了一定的参考， 具有 一定的现实意义。


1  地质工程勘查和钻探技术的相关概述

（1）地质工程勘查。此项工作主要主要是对地质因素进行勘 察研究并获取相应报告，借助勘察工作来对岩体断层以及水体 具有研究意义的资料信息进行获取，进而对地质规律相关信息 进行了解， 同时充分研究分析此类信息， 为后续工程工作有效实 施将相关依据提供出来。

（2）钻探技术。该项技术是通过钻机应用于地表部位进行钻 孔， 同时逐步破碎孔底部为坚硬岩体技术工艺措施， 此项技术能 够对地质研究样品进行有效获取，还能对矿产资源展开详细计算，针对矿石品质进行评价， 还能科学探测地下岩土层获取相应 的信息资料进而为相关研究工作的开展奠定坚实的基础。至我 国，新中国成立至今。我国地质工程勘察工作当中相应的技术设 备有了巨大提升， 而且钻探技术水平也有了很大发展， 工程技术 体系越发完善。同时， 国家对于地质勘察工程方面的发展也十分 重视， 在此方面投入大量的人力、物力以及财力推动地质勘查工 作的高效开展， 使得钻探技术构建出较为完善的技术体系， 并在 此前提下， 在地质勘查技术方面涌现出很多新的技术手段， 特别 是绳索取芯钻探技术、液压潜孔锤钻探技术和反循环钻探技术、 空气泡沫钻探技术、组合钻探工艺技术等多个方面都获得了非 常大的发展。

2  钻探技术的重要性

地质钻探技术在长期发展进程当中发挥的作用非常重要， 人们通过地质钻探技术应用来对自然奥秘进行探索，并以此为 前提对自然资源有效获取。我国的土地面积非常辽阔， 同时也有 着十分丰富的矿产资源， 特别是在地下潜藏的矿产资源， 只有运 用现代化的钻探技术才能将其探明。除有效勘察地下矿产资源 之外，同时在探测地下水以及工程地质方面也发挥着十分重要 的作用。所以在人们生产生活实际以及经济社会发展进程当中， 地质钻探技术都发挥着无可替代的作用，虽然地表有着十分丰 富的矿产资源，然而经过长期开采，资源已经濒临枯竭，深部矿 产资源成为重要的发展方向因此，更需要进一步加强地质勘查 技术及钻探技术的研究工作，这样才能探寻更加丰富的矿产资 源满足社会发展需求。而如若地质勘察和钻探技术不适应现代 矿产资源开发利用发展需求， 不仅会阻碍矿业持续稳步发展， 对 我国经济社会也会造成较大影响， 降低社会主义建设步伐。当前 为了有效解决矿产资源不足的问题，国家在矿产资源勘查方面 扶持力度也在逐步增强， 因此， 对于地质钻探技术重视程度也越 来越高， 特别是进入新时代之后， 地质钻探技术将会获得更好更 快的发展。

3  地质工程勘查中主要的钻探技术方法

3.1  绳索取心技术

在目前地质工程勘察领域当中，绳索取芯钻探技术作为一 种先进的技术手段， 将此项技术作用优势最大程度发挥出来， 可以大幅提高地质工程勘探效率，而且应用此项技术手段也能获 取更高质量的岩心。同时， 该项技术手段能够大幅增强钻探效率 及其质量， 避免钻具施工过程当中频繁升降导致的时间浪费。然 而具体应用时， 需要运用专用带钢丝绳的打捞器进行打捞， 进而 有效衔接孔底管， 才能将其提取到地面之上。打捞器设计的主要 目的是为了控制于减少堵塞情况的发生，进而避免转感出现磨 损。地质工程勘察工作实际应用绳索取芯钻探技术， 在工程机械 技术方面有着很高的要求，同时可以大幅减少施工工作人员的 劳动强度，特别是对于深部构造来讲，其复杂程度较高，需要运 用绳索取芯，钻探技术开展勘查工作，并对内因、外因等各种因 素加强研究。仔细分析获取的岩心， 并与地理环境以及专业理论 充分结合， 并通过自身经验准确的做出判断。而且在勘查工程实 施之前，还应当构建更加全面的应急方案来防止错误性操作的 出现。

3.2  反循环钻探技术

此项技术手段又有水力反循环钻探技术以及空气反循环钻 探技术之分，这两类技术手段是依照介质进行区分的，该循环 方式和正循环正好相反。水泥浆以及空气通过钻具环空后到达 孔最底层，在运用钻头，钻具返回至地表，反循环钻探技术当中 无论哪项技术手段， 各自都有自己的优势和缺点。在水资源探测 过程当中， 水利反循环钻探技术应用较多， 但是对于干旱以及无 水地区应用此项技术手段会有很大的限制存在。而且应用水力 反循环技术过程当中， 能够更高质量的对岩体样品进行获取， 提 高岩心质量。还能精准的判别岩层，然而，转进速度方面相对较 慢，工作效率相较于空气反循环钻探技术相对较低。而空气反循 环技术在探测水资源方面不是非常适宜，此项技术应用过程当 中信息获取不是非常精准，而且还会阻碍到后续资源勘察工作 的顺利实施。然而，空气反循环技术成本投入相对较低，工作人 员在应用过程当中， 也不必投入较高的劳动强度， 具有很高的钻 探效率。因此，要与实际地质环境充分结合，来对反循环钻探技 术合理选择。

3.3  液动潜孔锤钻探技术

此项技术手段是一种非常先进的技术手段，在其运用过程 当中通过潜孔锤以及冲洗液发生作用，使钻头以及潜孔锤产生 相应的反应， 导致钻头头以及岩体产生较大的冲击力， 进而对勘 察资料进行获取， 此项技术应用实际， 钻头应当和岩体持续性的 进行撞击。所以此项技术手段针对一些坚硬的地质环境比较适 宜，而且运用此项技术手段，可以大幅提高钻探效率，保证钻孔 质量， 还能控制和减少成本方面的投入， 在一些复杂地层钻探方 面十分适宜。为了控制和减少潜孔锤出现的磨损， 冲洗液配送过 程当中， 应当保证泥浆粘稠度相对较低， 对冲洗液含沙量合理限 制，增强其润滑作用。

3.4   组合钻探技术

顾名思义此项技术手段，就是联合几种钻探技术各自优点， 结合起来创造的综合性钻探技术手段。如将绳索取芯技术以及 空气反循环技术还有水力反循环钻探技术充分的结合在一起形 成的一种融合状态技术手段， 此项技术手段应用过程当中， 需要 合理的运用液体循介质才能更高质量的开展钻探工作。对于一 些干旱地区，缺水或者无水地区，岩心钻探存在较大难度的，利 用此项技术手段进行勘察， 可以可以大幅提高勘查效率， 此项技术研发至今， 在五国很多地区都已得到了普遍应用， 并发挥了十 分重要的作用， 相较于传统勘探技术， 工作成效有了五倍以上的 提升， 还大幅控制了成本投入， 所以此项技术应用前景广阔。


4  矿山采空区地质勘查中大口径钻探技术应用 

4.1  基于采空区特征布设测网

本文以某地矿山采空区为研究对象，该研究区域内共分布 采空区24 个，该区域内部分采空区发生过坍塌，在该区域西部 和北部有两个矿山开采场， 矿山已经过十余年的开采， 采空区围 岩在形成一段时间内，会发生变形、破碎坍陷等情况，诸多空区 贯通， 部分已贯通地表， 对地表各种施工作业及生活安全存在着 较大的隐患，威胁着生态环境，采空区地表一般分为两种，当开 采深度较大， 地表移动在时空中有连续性的变化， 并具有一定的 规律。采空区范围在不断扩大的过程中形成了移动盆地， 盆地会 在范围不再扩张后形成裂缝为采空区边界。非连续性变形最常 见的为地表裂缝， 其一般平行于采空区发展， 在地表浅层裂缝较 大，逐渐向深部收窄。考虑到研究区域的实际条件，在布设测网 时，为避免进一步破坏地层，将不在较薄地层处进行技术套管， 而采用一次性成孔的方式一径到底，测线的布设尽可能垂直于 采空区边界走向，经过野外实地勘查，部分区域受电磁干扰严 重，其采集的数据没有参考性，因此不将此类区域作为勘查地 点，不设置测线及测点，测线在布设上应与其他钻孔勘探线一 致，在采空区边界将点距和线距的距离缩小，进行测网控制。将 测线点距设为 18米，线距设为 50米，布置测点 120 个，测线布设 15 条，覆盖整个研究区域。

4.2  大口径钻探勘查地质

大孔径地质勘查有着不同的的取芯技术，在勘查地质前首 先要进行钻头的选择，不同钻头所实施的钻进工艺也有所区别， 直接影响着钻进效率，也是取芯的关键。本文选用牙轮钻头进 行滚动碾压冲击碎岩，钻孔环状间隙大，利于取芯。由于破岩断 面较大，要求钻机动力大，转速低，因此在钻探设备的选择上选 择粗径钻杆，保证钻机钻进的稳定。在每次钻进结束后，将钻杆 升至上次钻深位置更浅处， 再缓缓将钻杆放至孔底， 判断岩性是 否为自然断裂， 同钻杆连接取芯装置， 确定岩芯到达楔块位置后 进行记录，再将钻杆提升，再下放，以取芯装置的楔块冲击岩芯 使岩芯折断， 钻杆突然下降代表着岩芯已经折断， 最后取出岩芯 [2]。岩性能够真实反映岩石的自然存在状态，在地层较厚地区如 果打井开孔发生孔斜， 没有校正位置的空间时， 可以分级换孔校 正钻孔角度， 根据取出岩芯的完整程度确定大孔孔深， 利用岩芯 管和钻杆外径相同的径的导向作用防止径孔倾斜， 逐渐扩孔。随 着钻孔深度的不断加深加入孔底钻具组，加大钻压和校正钻具， 保证技术套管的孔底孔口的密封性， 防止出现溜砂事故。采取合 理的钻具结构，实行满眼钻具钻进，充分利用孔壁校正作用，扶 正器是钻具的重要组成，具有耐磨的特点，同时有较多的支撑 面，利于泥浆的循环。在钻探施工结束后，对采集的样本数据进 行解译与分析。

4.3  数据的解译与分析

在数据的处理中力求能够真实地反映地层参数，将野外采 集的数据输入到计算机内，建立有点、线、视电阻率等内容的数 据文件， 生成了深度电阻率数据， 运用专业绘图软件绘制反演电阻率断面图， 进行数据的编辑和校正， 为下一步的数据解译打下 基础 [3]。反演电阻率断面图会产生诸多数据，提取不同深度的电 阻率数据， 进一步分析电阻率分布， 以视电阻率等值线等值的变 化反映矿山采空区地下地质体的变化情况，若等值线分布均匀， 起伏不大，则表示地质体变化较小，若等值线分布不均匀，有一 定程度的变形，形成了一定的高阻则说明地下地层岩性变化较 大，存在不均匀的地质体。结合研究区域已有的地质数据和钻孔 数据， 生成富水性分布。根据钻孔资料对各测线的反阻率断面图 进行标定。该图能根据测线方向上地层的电性变化特征， 详细地 反映地下构造及各种地质现象，可以大致推测采空区在该测线 的平面位置及深度范围。本文在 15 条测线中选取了具有代表性 的 6号测线，将其进行解译并进行反演，具体断面图情况如下图 1所示。


[1]刘百祥 , 鲜鹏辉 , 仇念广 . 瞬变电磁法在探查工作面上覆煤层采空区富水性中 的应用 [J]. 煤矿安全,2020,51(04):137-141.
[2]张扬 , 王璐 , 刘智慧 , 等 . 多物探方法在胶东某金矿采空区勘查中的应用研究 [J]. 地质与勘探 ,2019,55(03):809-817.
[3]焦鹏帅 . 瞬变电磁含水性评价技术在采空区煤层气地面抽采中的应用 [J]. 中国 煤炭地质 ,2020,32(09):171-175.

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