三維技術(shù)在礦山生產(chǎn)勘探的應(yīng)用

崔方寧

(山東金嶺礦業(yè)股份有限公司，山東淄博255000)

目前，國(guó)內(nèi)鉆探工程當(dāng)鉆進(jìn)到復(fù)雜地層時(shí)，多是依靠鉆機(jī)機(jī)長(zhǎng)的多年經(jīng)驗(yàn)，采用一定方式穿過(guò)復(fù)雜的地層。鉆機(jī)工作會(huì)遇到不同的復(fù)雜地層，工作環(huán)境一般比較惡劣，造成培養(yǎng)有經(jīng)驗(yàn)的機(jī)長(zhǎng)難度很大，并且此方法誤差大、效率低，一旦判斷失誤，極有可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。鉆探生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)難題是護(hù)壁與堵漏，雖然不同的鉆孔和地層條件確定護(hù)壁堵漏措施是很復(fù)雜的問(wèn)題，但對(duì)于處于生產(chǎn)勘探階段的礦山來(lái)講，常規(guī)復(fù)雜地層存在共性，也就可以對(duì)其分類處理。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，Surpac、Datamine、Micromine、3DMine、DiMine等礦業(yè)工程軟件已較成熟，在礦山三維可視化方面得到了廣泛應(yīng)用[1-8]，三維數(shù)字技術(shù)可清晰展示礦山地表、構(gòu)造、礦體賦存等信息，可以輔助進(jìn)行鉆探優(yōu)化，使生產(chǎn)勘探的成功率提高、廢孔率降低。

本文以新疆某鐵礦為例，將前期資料通過(guò)Auto?CAD、3DMINE軟件構(gòu)建地表、礦體、構(gòu)造等礦山基礎(chǔ)模型。在此基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確地獲取地下地層、構(gòu)造分布情況，當(dāng)進(jìn)行生產(chǎn)勘探時(shí)，能據(jù)此做出預(yù)判，采用不同的方式進(jìn)行護(hù)壁堵漏，保證鉆進(jìn)正常進(jìn)行，以期給數(shù)字化技術(shù)指導(dǎo)鉆探工作提供一定經(jīng)驗(yàn)。

1 三維技術(shù)指導(dǎo)鉆進(jìn)方法

三維技術(shù)指導(dǎo)鉆進(jìn)方法：利用地形地質(zhì)圖、剖面圖、鉆孔資料和平面圖，對(duì)其中的目標(biāo)信息進(jìn)行限制約束形成基本的數(shù)據(jù)模型；再結(jié)合前期普查資料和詳查資料中的巖性、構(gòu)造和地層的信息處理優(yōu)化，形成最基本的礦山數(shù)據(jù)庫(kù)。在生產(chǎn)勘探時(shí)，實(shí)時(shí)利用3DMINE處理鉆孔信息形成生產(chǎn)勘探鉆孔模型，結(jié)合提取出數(shù)據(jù)庫(kù)中的地表模型、礦體模型、構(gòu)造模型和地層模型，共同組成數(shù)據(jù)分析模型。通過(guò)判斷將要鉆進(jìn)的巖性、構(gòu)造和破碎程度，選擇與之相匹配的護(hù)壁堵漏方式，保證鉆進(jìn)能夠持續(xù)、高效的進(jìn)行。具體方法流程如圖1所示：

圖1 三維技術(shù)指導(dǎo)鉆進(jìn)方法流程圖

2 應(yīng)用實(shí)例

新疆某鐵礦地處西昆侖高山區(qū)，區(qū)域地層變形強(qiáng)烈，斷裂、褶皺發(fā)育。褶皺的表現(xiàn)形式多種多樣，既有成分層的褶皺，又有鐵礦層的復(fù)雜褶皺；在褶皺形態(tài)上，既有揉皺，又有平臥褶皺、斜臥褶皺，還有疊加褶皺。總體上反映了長(zhǎng)期多次構(gòu)造變形的結(jié)果。氣候?yàn)榈湫偷拇箨懶透呱綒夂颍瑫円箿夭畲螅庹諘r(shí)間長(zhǎng)[9-10]。在此地區(qū)進(jìn)行鉆探工作有很大的風(fēng)險(xiǎn)，需要引進(jìn)更為先進(jìn)的技術(shù)保證鉆進(jìn)順利進(jìn)行。下面以新疆某鐵礦為實(shí)例進(jìn)一步闡明三維技術(shù)在鉆探鉆進(jìn)中的應(yīng)用。

2.1 地表三維模型構(gòu)建

用測(cè)量系統(tǒng)形成地表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合剖面數(shù)據(jù)，采用AutoCAD軟件生成實(shí)測(cè)地形圖。根據(jù)成礦背景、成礦規(guī)律確定并提取出點(diǎn)、線文件并導(dǎo)入3DMINE軟件，在對(duì)點(diǎn)、線文件進(jìn)行編輯處理后，結(jié)合礦區(qū)實(shí)測(cè)地形圖，生成地形數(shù)據(jù)文件。

調(diào)入實(shí)體3DMINE三維數(shù)據(jù)，打開(kāi)實(shí)體3DMINE的DTM工具模塊的由當(dāng)前層生成DTM子模塊窗口，設(shè)置DTM參數(shù)，生成三角化網(wǎng)格面。在實(shí)體3DMINE下以實(shí)體的形式顯示地形模型。

2.2 礦體、地層構(gòu)造模型的建立

此礦山的地層大體分為為古元古界布倫闊勒群和第四系。古元古界布倫闊勒群呈北西-南東向展布，傾向北東。依據(jù)主要巖石類型暫分為a、b兩段，a段：主要分布于礦區(qū)的南部。巖性以灰黑色薄至中層狀黑云母石英片巖為主；b段：主要分布于礦區(qū)的北東部。巖性為褐鐵礦化含陽(yáng)起石黑云母石英片巖、綠泥石片巖。礦區(qū)內(nèi)地層總體呈北東向陡傾斜的單斜層狀，但是礦區(qū)內(nèi)部分地區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，地層變形強(qiáng)烈，斷裂、褶皺發(fā)育。褶皺的表現(xiàn)形式多種多樣，既有成分層的褶皺，又有鐵礦層的復(fù)雜褶皺[9-10]。

礦體、地層構(gòu)造建模通常采用以下3種方法：①利用礦體邊界線大概確定礦體范圍；②基于勘探線剖面圖的礦體模型構(gòu)建；③基于鉆孔數(shù)據(jù)的礦體模型構(gòu)建。通常應(yīng)根據(jù)建模目的來(lái)選擇合適的方法，但要準(zhǔn)確反映實(shí)際礦體形態(tài)，往往需要綜合采用多種方法。

本文建立的模型主要采用勘探線剖面圖的礦體、地層構(gòu)造模型構(gòu)建方法，具體步驟如下：①將該各勘探線的剖面圖以圖件進(jìn)行三維坐標(biāo)空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，使圖形坐標(biāo)和大地實(shí)際坐標(biāo)相符合，再經(jīng)過(guò)格式轉(zhuǎn)換，最終將文件保存為.str線文件。②分別對(duì)各剖面線文件進(jìn)行地質(zhì)解釋，生成一系列閉合線。③將各勘探線的剖面線，放入到三維空間，相鄰勘探線之間按照礦體的走向趨勢(shì)，連接三角網(wǎng)，在礦體的兩端，封閉起來(lái)，就形成了實(shí)體。④驗(yàn)證及修正模型，實(shí)體通過(guò)有效性驗(yàn)證則礦體、地層構(gòu)造模型建立成功（如圖2～圖4所示）。

2.3 方案選擇

根據(jù)鉆孔的實(shí)際鉆進(jìn)軌跡和地表模型、地層構(gòu)造模型，大體分為以下5種預(yù)判情況，下面分別闡述其各自情況的類型和處理方式。

圖2 礦體動(dòng)態(tài)剖面切割

圖3 地層中某段復(fù)雜構(gòu)造模型

圖4 基礎(chǔ)三維分析數(shù)據(jù)模型

（1）一般鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)都會(huì)存在漏失問(wèn)題，對(duì)于漏失量小于2.4m3/h，地層存在小孔隙、小裂隙時(shí)，采用的堵漏注漿液材料為：水、膨潤(rùn)土、碳酸納，其比例為1∶0.04∶0.0002；鉆桿用黃油做涂抹脂，即可保證正常鉆進(jìn)。

（2）結(jié)合三維分析數(shù)據(jù)模型，將正在進(jìn)行的鉆孔輸入到模型中，預(yù)判鉆進(jìn)到片巖地層，裂隙發(fā)育但不大，鉆進(jìn)工作進(jìn)行時(shí)，會(huì)有卡鉆、漏孔現(xiàn)象。這時(shí)候采用的堵漏注漿液材料為水、聚丙烯胺（聚丙烯酰胺吸附孔壁巖石形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)膜而起到護(hù)壁作用），其比例為1000∶1；鉆桿用的涂抹脂為黃油。

用這種方法護(hù)壁要在鉆進(jìn)破碎層開(kāi)始之前，利用礦山三維模型提前預(yù)判，即孔壁尚未發(fā)生坍塌時(shí)開(kāi)始使用材料堵漏注漿液，如果已發(fā)生坍塌，孔壁巖石失去平衡，使用效果不好。實(shí)際工作需要根據(jù)巖石的破碎程度來(lái)改變堵漏注漿液配比，如果巖石破碎程度很大，需要更換別的方式來(lái)護(hù)壁堵漏。

（3）根據(jù)基礎(chǔ)三維分析數(shù)據(jù)模型，當(dāng)鉆頭即將穿過(guò)裂隙發(fā)育大，且水位不穩(wěn)定的地層時(shí)。常規(guī)堵漏方法難以奏效。在施工中會(huì)遇到套管脫扣、底端漏失、套管頭變形，升降鉆具困難，這時(shí)候采用的堵漏注漿液材料為：瀝青粉和護(hù)壁潤(rùn)滑劑，比例根據(jù)不同情況調(diào)整合適的配比，鉆桿涂抹脂為機(jī)油、瀝青、松香、石蠟，其比例為50∶4∶23∶13。

面臨此類情況，應(yīng)避免在破碎層中起下鉆。破碎層中的鉆桿起著隔離和穩(wěn)定作用，提鉆后破碎巖石失去鉆桿的支持，會(huì)發(fā)生坍塌，最好一次穿過(guò)破碎層。

（4）根據(jù)基礎(chǔ)三維分析數(shù)據(jù)模型，對(duì)于地層特別破碎，坍塌、掉塊嚴(yán)重的孔段，出現(xiàn)掉桿等嚴(yán)重情況，采用的堵漏注漿液材料為水、鈉土，其比例為6∶1，鉆桿涂抹脂為機(jī)油、瀝青、松香、石蠟，其比例為50∶4∶23∶13。該堵漏注漿液在巖石表面形成吸附膜，并填充到巖石之間，具有極強(qiáng)的膠結(jié)巖石性能。

用這種方法護(hù)壁要根據(jù)鉆探三維分析數(shù)據(jù)模型在鉆進(jìn)破碎層開(kāi)始以前，提前預(yù)判，遇破碎帶時(shí)立即使用，如果孔壁已經(jīng)出現(xiàn)坍塌、掉塊，使用效果會(huì)明顯降低。因此，利用該堵漏注漿液時(shí)，應(yīng)把握提前配制、及時(shí)使用的原則，更體現(xiàn)出數(shù)字技術(shù)應(yīng)用的重要性。

（5）對(duì)于坍塌已經(jīng)形成、有大裂隙或有溶洞出現(xiàn)的鉆孔，使用各類材料均已失效，應(yīng)采用灌注水泥漿或下套管堵漏。由于在此礦山?jīng)]有遇到，在此不詳述。

3 結(jié)語(yǔ)

以新疆某鐵礦為例，采用三維數(shù)字方法，建立了該礦山的三維地質(zhì)模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了礦山生產(chǎn)勘探鉆孔鉆進(jìn)指導(dǎo)，預(yù)先判斷，選擇最優(yōu)方案進(jìn)行鉆進(jìn)。在礦山生產(chǎn)勘探時(shí)，鉆進(jìn)10000m，沒(méi)有出現(xiàn)廢孔。對(duì)于利用三維數(shù)字技術(shù)提高礦山生產(chǎn)鉆探成功率有一定的借鑒價(jià)值。