復雜構造應力作用下礦山巖土工程勘察鉆探工藝研究

陳 濤

（江西省勘察設計研究院，江西 南昌 330000）

在開展礦山工程相關研究的過程中發現，相關巖土工程的研究項目截至目前仍屬于一項新興項目，與之對應的相關實踐工作較早時期便開始實施，后期在深入的研究中，將此方面工作項目劃分為巖體研究與土體研究兩個方面。在進一步的實踐中，技術單位提出了地質鉆探工藝，主要是指將地質鉆機設備下深到地層結構（地表下層）。當地層表面形成一個鉆孔后，可使用取樣裝置，進行地下水、不同地層土質樣品的獲取，在此基礎上，使用專業的儀器設備，對獲取的樣品進行綜合分析，通過此種方式，可獲取不同地層深度的巖層數據，從而為礦山工程、找礦作業等復雜地質結構工程的實施，提供更加真實、可靠的數據[1]。相比其他類型的工程，鉆探工程的施工難度更大、實施步驟更復雜，盡管現如今的研究成果已進行了此項技術的進一步完善，但對于復雜構造應力作用下的巖土工程，技術單位仍無法保證每次鉆孔或鉆探作業的有效性。尤其在下深鉆孔過程中，遇到結構較為堅硬的巖層，更是無法確保鉆孔方向與預設方向的一致性。為解決巖土工程勘察中的鉆探問題，本文將結合鉆探地質的復雜構造應力作用，提出一種針對礦山巖土工程勘察作業的全新鉆探工藝，以此種方式，提高鉆孔效率，實現對準確率更高層地數據獲取。

1 復雜構造應力作用下礦山巖土工程勘察鉆探工藝

1.1 設置鉆探施工現場與鉆孔結構

為滿足復雜構造應力作用下礦山巖土工程勘察鉆探作業的需求，應在開展相關工作前，設置鉆探施工作業現場。例如，以施工區域為核心，圈定其作業區域與作業影響覆蓋區域為警戒區域，將作業區域內的設備與物資按照作業標準，整齊擺放在施工區域內。使用標簽或地標的方式，標注不同鉆探施工設備的作用，以便于后期施工的順利實施。同時，在物品擺放區域內放置全套的安全設備、施工作業警示牌，為施工作業區域群體提供警示作用。

在完成對施工現場的設置后，可根據礦區地質結構特征、水文地質環境，聯系地區巖性與地質層特征，確定下深鉆孔的結構。為確保下深的鉆孔具有一定有效性，應在施工前繪制作業草圖。如下圖1所示。

圖1 巖土工程勘察鉆孔示意圖

根據上述圖1所示的內容，在進行巖土工程勘察作業過程中，選擇φ110.0mm的鉆孔設備進行礦區地質層鉆孔。鉆孔的深度控制在3.0mm～5.0mm范圍內，當鉆頭穿透基層巖層后，可將鉆頭持續鉆進，確保鉆頭進入地表層以下結構。同時，更換下深寬度為φ68.0mm的金剛石鉆頭，進行地質下層結構的持續鉆進，根據預設鉆進深度，對鉆頭持續下深。

1.2 選擇礦山巖土工程勘察鉆進方式

在完成上述相關研究后，考慮到大部分礦山巖土層的可鉆性在7.0～9.0級之間，并且，地質層結構具有較強的研磨性[2]。因此，在鉆進過程中，不僅要合理選擇鉆進方式，還需要根據地質層結構，進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）。為確保下深過程中不受到地質層結構的影響，應選擇齒狀的鉆頭集成在鉆探設備前端，并控制鉆頭材料中金剛石物質占比>75.0%，每次發生鉆進行為時，對應的鉆進目數為55.0～85.0。

在鉆進后發生鉆頭直徑的調整后，應再次進行參數的調整。例如，在鉆進過程中，控制前端的下深鉆壓在750.0kg～1250.0kg；控制前端鉆頭在轉速在400.0r/min～850.0r/min范圍內；調整有效泵量在25.0L/min～75.0L/min范圍內。在完成基礎參數的調整后，可按照預設參數與實際要求，進行鉆進參數的二次調整。例如，地質層中存在軟土與硬土交互結構時，地質層穩定性較差，此時應將鉆數與鉆壓選擇參數值的下限。當地質層呈現一種較為松軟的狀態時，適當降低轉速，避免影響地質層原有結構。

1.3 復雜構造應力作用下的孔深校正與質量控制

考慮到地質層結構受到復雜構造應力的影響，因此，在下深鉆進過程中，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的問題，應當以預設角度作為參照標準，進行孔深校正與鉆探過程中的質量控制[3]。例如，在主礦層施工時，每下深50.0m獲取一次數據，以此作為描述地質層結構的重要標識；當完成鉆探作業后，需要使用鋼卷尺，進行孔深、下深、孔寬的測量，控制允許偏差值在1.00%范圍內，當測量結果超出允許誤差范圍時，刪除此部分數據，并查找出現數據偏差錯誤的原因。

同時，在鉆探過程中，出現結構層坍塌、掉塊等異常施工現象時，應當及時使用設備記錄此刻的鉆進深度，并根據實際情況，對現場作業人員進行安全撤離，避免出現安全事故。以此種方式，實現對復雜構造應力作用下的孔深校正處理，完成對鉆探工藝的研究。

2 實例應用分析

為證明本文設計的勘察鉆探工藝可真實應用到礦山作業中，本章選擇廣西地區某復雜構造應力作用下的礦區地層作為此次實例應用分析的試點區域。選定的試驗區域位于云貴高原的東部偏南地區，該地區受到地質遷移與地質結構變化的多次影響，地質結構表層已出現明顯的裸露巖體。基于地質學角度分析，裸露的礦體具有間斷性、規模大、品位高等特點，但相關此礦區的采礦工作一直存在受阻的問題，產生此種問題的主要原因是對地層受到造山運動的影響，地下結構的巖性較為復雜，且其中的土體變質受到影響后呈現一種不均勻變化趨勢。

為獲取該礦區更加精準的地質數據，選擇此地區作為驗證方法的試驗區。在進行地質結構采樣過程中，需要先進行地質層結構分析，采用檢索文獻的方式，綜合早期地質研究成果，掌握試驗區域地層結構共由九層構成，由上到下對應第一層到第九層分別為礦區地表層、泥質粉砂層、粗巖層、石英巖層、白云質灰巖層、變質粉砂巖層、片麻巖層、碳質泥巖層、地下水層。此次研究以勘察鉆探的方式，進行不同地層巖性地數據采集。為確保獲取的地層數據可滿足后續地質找礦工作的需求，在進行找礦作業前，按照本文設計的巖土工程勘察鉆探工藝流程，設計地質巖土工程勘察鉆探點。此次實驗共設置了7.0個鉆孔點（對應每個巖層一個下深點），每個鉆孔點的下深傾斜角度均不相同。鉆探施工現場與鉆孔結構可用下圖2表示。

圖2 勘察鉆探鉆孔點選擇示意圖

其中鉆孔點1～鉆孔點7對應的下深傾斜角度分別為90.0°、60.0°、45.0°、63.0°、72.0°、78.0°、58.0°。以鉆探設備下深到指定深度后，勘察點的傾斜角度作為評估本文方法有效性的依據。即下深到指定地質層深度后，倘若鉆進的傾斜角度沒有發生變化，可認為本文評估方法具有較強的實用性，反之可認為本文設計的鉆探方法存在鉆進偏差。基于此種理論，執行此次巖土工程的鉆進實驗，根據集成在鉆頭前端傳感器反饋數據，進行下深傾斜角度測量，計算實測下深傾斜角度與預設傾斜角度之差為鉆進過程中角度的偏差值，完成實驗反饋數據的計算后，將此次實驗數據整理成表格，如下表1所示。

表1 礦山巖土工程勘察鉆探工藝下深鉆進傾斜角度

綜合上述表格中呈現的實驗結果數據可知，本文設計的勘察鉆探工藝可將鉆進傾斜角偏差值控制在1.0°范圍內。因此，可認為此次試驗項目施工選擇的7.0個鉆孔點均在保證質量的前提下，完成了地質勘查鉆孔作業，鉆孔合格率達到100.0%，實現對巖芯的高質量取樣。綜上所述，得出本文此次實驗結論：本文設計的基于復雜構造應力作用下礦山巖土工程勘察鉆探工藝，在實際應用中，可降低鉆進傾斜角偏差值，提高巖芯取樣的合格率，獲取樣本數據可作為該礦區地質環境、地層結構、水文條件的分析與決策數據。

3 結語

我國礦區具有地質結構復雜的特點，為實現對礦區地質勘查作業高質量數據的獲取，本文此次研究結合鉆探地質的復雜構造應力作用，提出一種針對礦山巖土工程勘察作業的全新鉆探工藝。在完成對鉆探流程的規范化處理后，選擇廣西地區某復雜構造應力作用下的礦區地層作為此次實例應用分析的試點區域，將本文設計的鉆探工藝應用到地質環境中，通過實踐操作的方式，獲取實測下深傾斜角度。綜合實驗結果，得出實驗結論：本文設計的鉆探工藝，在實際應用中，可降低鉆進傾斜角偏差值，將鉆進傾斜角偏差值控制在1.0°范圍內，具有更高的研究價值。