鉆探技術在礦山地質勘查工程中的應用研究

關保國

（蘭州石化職業技術大學，甘肅 蘭州 730207）

現在的礦山地質勘探工作，對施工質量的要求越來越高，對勘探結果的精度也越來越高。因此，在對測量數據進行收集、計算時，必須保證數據的準確可靠性，為以后的工程建設工作提供參考。勘測人員在進行作業時，對所用的鉆探工具要進行精確、靈活、熟練地操作，以保證各項測量成果的精確、高效，保證工程后續作業的質量與效率。

1 地質勘查工作結構分析

1.1 深層地質找礦

目前，我國的地質資源勘探工作大多局限于地下300m～500 m，因此許多礦產資源無法得到有效的勘探和開發。根據數據調查和統計，目前我國的礦產資源開采速率遠遠小于礦產資源的消耗率，因此，隨著現代工業的不斷出現和發展，整個礦產資源的儲量正在逐步減少[1]。一方面，我國的礦產資源儲量在持續下降，另一方面，由于我國的地質資源沒有得到充分的開發。因此，要克服目前存在的這種矛盾，開展深部勘探已成為我國地質勘探的一個重要課題。隨著我國礦產資源問題日益嚴重，勘探深度的延伸也日益凸顯，因此應加大對地下500m以上的勘探工作，以提高勘探工作的效率。

1.2 地球科學探測

地質資源勘探工作離不開地球信息的支撐，因此，如何獲得地球科學信息是其工作的重點。利用地球上的土地資料，可以直接獲得有關的資料。通常都要裝備有專門的地面探測儀器和探測技術，以便于直觀地觀察和獲得地球各個層的信息。另外，地質學部門還可以利用地球科學勘探，掌握地球地殼的物理成分和有關的地質結構，并對其進行全面的歸類和歸納，從而了解地球地熱結構，分析地球的地下水資源，獲得有關資料。

1.3 新能源的開發

由于我國目前已知的能源儲量在持續減少，目前各個地質科研單位都將重點放在開發和利用新能源上。目前已開發出的新能源主要有天然氣、煤層氣、地質熱能、干熱巖等。天然氣主要儲存于地下水氣化合物，開采環境為海洋或陸上的地下冰層。煤層氣是未來一種重要的新能源，但目前國內煤層氣開發仍處在起步階段，很多復雜的技術難題尚未得到徹底解決，所以在今后的開發利用上，仍需進行大量的實踐探索[2]。另外，在現階段，熱能是一種新興的能源，是國內目前重點發展的一種新能源。熱能具有數量大，分布廣，數量多，開采周期短，投資少的優點。最關鍵的是，它是一種可再生的綠色能源，具有其它資源無法替代的優點。在當前的地質資源勘查工作中，新能源的開發與勘探關系到整個國家的資源開發程度，是當前地質勘探領域亟待解決的一個重要問題。

2 開展礦山工程地質勘查工作的基本要求

礦井工程地質勘探是利用技術手段對要進行的地區進行勘探、試驗，對正在進行的地區進行詳細的勘查，以便為今后的采礦工作打下良好的基礎。在開展礦井地質調查時，應對勘查地區的巖土狀況作全面的調查，同時要對地下水的分布、巖土的實際構造進行測量，并將所獲得的資料進行詳盡的記錄，并對所發現的問題進行歸納、總結、篩選出有效的措施，以保證工程的安全。

開展地質勘探工作，對技術人員的綜合素質要求很高，在遇到各種地質情況時，能作出正確的判斷和決策。比如，在民用和水利建設中，采用的測量方法往往是不統一的。在進行特殊地質勘探時，應圍繞工程場地的外形進行布孔。另外，要進行地質和巖性的測試。

3 鉆探技術在工程地質勘探中的實際應用

中國幅員遼闊，礦產資源十分豐富，如何將其有效開發，使其得到最大程度的開發利用，成為鉆探技術領域的一個重要課題。目前，鉆探技術已成為獲取重要油氣資源的主要途徑和方法。下面將介紹一些常用的鉆探技術[3]。

3.1 繩索取芯技術的應用

繩索取芯技術的主要用途是，既不需要不斷地提升鉆柱，也不需要取出巖心。這個技術的應用，是在更換鉆頭的過程中。這種繩索取心技術是目前國內較為普遍的一項技術，使用起來非常方便，而且還可以將巖芯的重量進一步降低。該技術的應用使得在不需要鉆很深的地方就可以獲得更高的工作效率。

目前，在鉆探行業中，采用繩索取心技術可以有效降低鉆具與巖芯間的摩擦力，從而有效地確保了巖芯的質量，從而極大地提高了鉆探效率，延長了鉆探的使用壽命。綜合上述優點，在礦產資源勘探、隧道鉆探等方面得到了廣泛的應用。該工藝具有高效率、低成本等優點，而且不會出現鉆桿的升降問題，在此作業過程中，工人的勞動強度大為減少，同時對鉆頭的防護也有很好的效果。

3.2 反循環鉆探技術的應用

反循環鉆探技術有兩大類，即：水力逆流技術和空氣逆流技術。從字面上說，這兩個技術類型的差別是因為它們有不同的循環媒介，即水（泥漿）和空氣。水力反循環技術的主要工作是利用水與泥漿之間的循環，使井底的巖芯逐漸上升至地表，進行取樣。所謂的空氣反循環鉆探技術，就是利用雙壁鉆頭的力量，將空氣注入到管道中，再利用空氣的沖擊力，將氣體壓縮到一定程度，再利用潛孔錘對碎屑進行沖擊，從而獲得對地質巖石的真正認識。兩者各有利弊。空氣逆流技術的工作強度較小，作業環境也較為適宜于干燥的環境，且成本低廉。缺點是，所獲得的巖石碎片并不能完全代表所有的樣本，只是部分樣本；而水力反循環技術的優點是可以對整個巖體進行取樣，采集的樣本比較全面，數據也比較完整。這種方法具有勞動強度小，但在鉆探作業中，其工作效率低下，且易產生大量的水資源浪費。從這一點來看，這兩種方法各有利弊，但不管是在什么地質條件下，都可以獲得很好的效果。

3.3 液動潛孔錘技術的應用

目前，液動潛孔錘法在我國的應用是世界上最先進的。它的工作原理是利用清洗液的壓力，對錘頭進行進一步的驅動，當外部的力量作用在裝置上時，它就會逐漸地向工作面內輸送能量，從而使其產生更好的效果。

液動式潛孔錘的傳動原理是用灌洗液進行動力輸送，液動錘會隨著鉆探的深度進入到鉆探中，再由鉆頭對其進行加壓。該技術在工作頻率較高時，尤其適用于堅硬、易碎的工程地質條件。在施工作業中，尤其要注意的是設備的牢固程度和液壓錘的實際磨損情況，要有效地減少磨損，就必須從泥漿中進行有效的選擇，選用低含沙量的物料。因此，要使液動潛孔錘技術更加突出，必須加大對其的研究力度，提高其使用壽命。

3.4 組合鉆探技術的應用

組合鉆探技術是指將逆向循環鉆探、繩索取心、液壓鉆進等技術有機結合起來。從總體上看，三種鉆探技術都有各自的優勢和不足。綜合運用三種技術的優點，充分發揮其綜合作用，將其優點充分發揮出來。采用組合式鉆探技術，可以更好地適應地質條件，根據需要進行施工，可以大幅度地降低工人的勞動強度、節約費用、提高工作效率和節約能源。

3.5 新型鉆探技術的應用

近年來，隨著時間的推移，開發出了許多新的鉆探工藝。比如，新研制的節水鉆探技術，可以在干旱地區進行鉆探作業。這項技術采用了一種特殊的超聲波鉆頭，它可以提高工作效率，節約大量的時間，有效提高了鉆機的使用壽命。與常規鉆探相比，該鉆機的鉆探速度可相應提高20%。這種新的清洗劑可以快速、有效地清除鉆桿中殘留的雜物、污物，為鉆桿設備提供了良好的清潔和防護，從而提高了鉆桿的使用壽命。

4 鉆探技術使用注意事項

在進行鉆孔技術勘探時，必須對當地的土質進行全面的認識和掌握，并對其所處的礦體進行全面的調查與分析，掌握其構造類型，以便對其進行全面的調查，以便更好地提出更科學、更合理的建設方案。在實際應用鉆探技術的過程中，應注意以下幾個方面。①在正常情況下，鉆孔深度不得超過10m；②在選定開鑿地點時，要對鉆孔進行采樣，并進行現場分析和觀測，若當地地質條件較復雜，則應根據現場地形進行合理的開挖；③對建筑周邊環境進行必要的勘查。在鉆探部位的選取上，要繞過建筑物的外部外形，必須沿水壩周邊的軸線進行。

4.1 鉆探方法和設備的選擇

在選擇鉆探技術時，要根據鉆探設備和鉆探技術的不同而選用相應的鉆探技術，本文將其分為三類：一是壓入法。采用連續或間斷壓入法將軟巖分層分開；此法適用于較硬的地層，使用較重的錘頭，以達到最后的取樣效果；這是最常見的一種，它是利用土體震動，將鉆頭插入土層，然后取樣。鉆探技術在地質勘探中得到了越來越多的應用，將來可以將其與實際作業技術結合起來，找到最合適的鉆探技術。在一般的勘探工作中，可采用的鉆探技術有很多種，涵蓋的領域也比較廣泛，但要達到規劃勘探的目標，就必須根據實際情況，選用合適的鉆探技術。

4.2 方法選擇的效果

在目前的礦山地質勘探工作中，鉆探技術是最有效的手段，要保證資料的準確性，就必須保證所獲取的資料的準確性。在進行鉆探作業時，應根據現場的地質條件，選擇合適的鉆探方式。如何在地質勘查的各個階段應用適當的鉆探技術，是當前各勘探單位和工程人員所關心的問題。

5 綠色勘查技術在礦山地質鉆探施工中的應用案例

5.1 一基多孔井場鉆探結構布置

為降低鉆探作業對周邊礦山地質環境的干擾，減小其影響范圍，在鉆探作業中，首先對鉆孔結構進行一次多孔式的設計，使井場布局更加緊湊。按井場規模，一般可設6～8個不同的鉆孔，若按常規布局，以60m＊80m為例，其占地面積約為4800m2。但是，由于一種單層結構的結構形式，其結構面積只有常規結構形式的四分之一。圖1是一種鉆孔的鉆孔構造的簡圖。

圖1 一基多孔井場鉆探結構布置示意圖

圖1中的（a）是真實的鉆探，（b）是一個示范性的井場，（c）是一個虛擬的鉆探，（d）是一個虛擬的井場。采用以上方法進行井場鉆孔結構設計，可以進一步節省鉆探場地，減少鉆探對周邊礦井的地質環境影響。同時，由于井場滲漏會對礦井的地下水產生一定的影響，所以在進行鉆探施工時，必須在井場上鋪上一層土工布，以解決漏水問題，保護地下水的正常工作。

5.2 泥漿材料選擇及循環工藝實施

泥漿物料是礦山地質鉆探作業中的重要污染源，應將其與環保技術相結合，以解決泥漿物料對礦區地質環境的影響。在選用泥漿原料時，應選用低毒性物質。泥漿物料的配比以蒙脫土為主。在選擇聚合物型泥漿材料時，應選用高分子聚合物或共聚物作為主要原料。該產品具有高分子聚合物的優點，且無異味、無腐蝕性，對周邊礦區無污染。另外，可以選擇以瓜爾豆膠為原料的植物果膠，經干燥、粉碎、加入適量的水，經加壓水解，用20%的酒精沉淀，即可獲得最終的漿料。以上三種泥漿材料均具有較好的環境保護作用，而且很容易溶解，而且不會發生腐蝕、變質等問題，可進一步改善礦井地質鉆探施工的工作性能。另外，以上三種物料還可以回收利用，可以減少廢料的產生。

根據以上泥漿可循環特性，利用循環法進行鉆探作業，可以使鉆探作業更加綠色、環保。將泥漿泵注入到鉆機里面，在不斷的注入泥漿的同時，這些泥漿就會被注入到環形結構之中，再通過環形結構回到地面進行二次回收，這樣就可以減少泥漿的用量，達到環保的目的。

5.3 鉆探設備選型及運行區域劃分

在選擇鉆探設備時，要選擇符合合金工藝的設備，既能降低鉆機的整體質量，又能保證其強度和剛性。根據鉆機的結構特點，應該采取模塊化的設計方法，便于在鉆探作業中進行拆裝。為了保證在同樣的強度和剛性的情況下，鉆具的鉆頭和巖心管應該使用薄壁鉆頭和巖心管。在對鉆探設備作業區進行分區時，應盡量使工區和飛機場更加緊湊合理，同時也要遵循以上所述的鉆具布局思想，使鉆具作業區盡量減少，并做好鉆機作業區的消防安全。

從原理上講，鉆具作業場地的建設應采取人工建造的方法，因為在這一地區施工的勞動強度很低，為了減少對周邊的地質環境的影響，不宜在工程場地使用大型機械。同時，在工程建設結束后，要根據作業范圍開展地面修復。對于施工中受損的地面，要進行草種播種，并用塑料膜覆蓋，以達到保溫和保水的目的。在進行了以上工作后，還應與工程前期的地面狀況進行比較，以達到最大限度的不留痕跡，達到綠色勘查的目的。

5.4 應用效果研究

通過以上討論，從三個方面來實現礦山地質鉆探施工中的綠色勘探技術，從而進一步檢驗以上優化方法在采礦工程中的應用。

礦區處于典型的高原大陸性氣候環境中，長期處于低溫、干燥的環境中。在此礦區，需要進行地質勘探的地區是巖漿巖相對發育、巖層主要為侵入巖的地區。以前，在這一地區進行鉆探勘探時，作業量為550 m，其鉆探構造一般為500m，方位角25°，傾角75°。根據以上所述的鉆探布置、泥漿材料的選擇、循環工藝的實施、鉆探設備的操作等方面的優化，對該礦進行了再鉆探作業。為檢驗該新方法在實踐中具有較高的環境效益，選取與以前鉆探施工中的各種材料消耗相適應的情況，進行實測和記錄。選擇YSZ1650-5320型鉆孔深度計，在完成五個井眼的基礎上，將其與以前的鉆探深度作了比較。在此研究中，每一孔的深度都超出了過去的最大鉆孔深度，在同一施工材料的情況下，鉆孔深度愈深，表示單位施工工況下物料消耗量愈小，愈能滿足環保勘查的需求。實踐表明，采用綠色勘探技術進行施工，可以有效地提高鉆探作業的效率，降低工程對周邊生態環境的損害，達到綠色施工的目的。

6 結語

綜上所述，在進行地質勘探時，必須采用比較科學的鉆探技術，以了解地質情況和環境，以提高勘探工作的可靠性。在當前的礦山地質勘探中，已廣泛應用了以上幾種鉆探技術。為獲得地質工程勘查成果，必須根據不同的工程地質、自然條件，選用最合理的鉆探工藝，以保證施工進度和質量。