礦山地質條件分類及地質鉆探方法研究

夏清陽，施健雄

水文地質鉆探是地質勘探的重要組成部分。在我國當前的發展過程中，水文地質鉆探技術發展非常迅速。只有持續不斷發展水文地質鉆探技術，才能為資源勘探工作的正常進行，奠定一個非常好的基礎。本文中將對地質鉆探技術現狀進行簡單的介紹，然后直接引出地質鉆探技術的發展情況，對水文地質鉆探技術進行有效的分析介紹，然后對該技術的發展，進行一定的展望。另外，在文章的前部還需要對礦山地質條件進行分類，針對不同的礦山地質，采用不同的礦產開采作業方法，最大程度保證作業效果。

1 礦山地質條件的分類

1.1 簡單礦山地質條件

在礦山當中，百分之七十的礦層位于地下水位以上，礦坑進水邊界條件相對比較簡單，沖水層含水層富水性差，地下水集中徑流，與地表水聯系不是非常密切，礦坑的正常涌水量小于3000m3/d，地下采礦區域沖水層的破壞相對較小。礦床圍巖主要以巨厚層狀整體結構為主，巖溶裂隙帶發育情況不夠理想，巖石存在弱風化的問題，采空區距地表殘積層的距離要小于5m，礦層頂底板穩固性好。礦山地質構造相對比較簡單，礦層和礦床圍巖傾角要小于36°，斷裂構造不發育，斷裂帶對采礦活動開展影響相對較小。地貌單元類型相對比較單一，地形條件可以讓百分之七十以上的開采都可以自然排水。

1.2 中等復雜程度地質條件

其中70%礦層體位于地下水位線以下，礦坑的進水邊界條件中等，充水含水層和構造破碎帶、巖溶裂隙發育帶富水性較為中等。礦坑正常涌水量保持在3000m3/d～10000m3/d，地下采礦工作開展過程中容易導致充水含水層破壞情況的發生。礦床圍巖巖體以薄-厚層狀結構為主，蝕變帶、巖溶裂隙發育情況中等，局部存在軟弱巖層，采礦區距地表殘坡積層、基巖風化破碎帶大約5m～10m，礦層頂底板和礦床圍巖穩定性較好。礦山地質構造相對比較簡單，礦層和礦床圍巖巖層傾角在36°～55°，巖層產狀變化相對較大，導水斷裂帶的導水性較差，對井下采礦安全，構成了一定的影響。地貌單元類型集中在2個～3個，地形條件可以讓30%～70%開采礦體都能夠正常排水，主要硐口斜坡與巖層斜交。

1.3 高復雜程度地質條件

其中70%礦層體位于地下水位以下，礦坑進水邊界條件相對比較復雜，充水水源數量相對較多，充水含水層和構造破碎帶、巖溶裂隙發育帶的富水性較強，老窖水威脅相對較大，礦坑的正常涌水量會超過10000m3/d，地下采礦容易導致含水層破壞現象的發生。礦床周圍巖體結構以碎裂結構、散體結構為主，巖石風化現象比較嚴重，采空區距地表殘坡積層、基巖風化破碎帶的距離大于10m，礦頂底板和礦床圍巖穩固性相對較差，礦山工程場地地基穩固性較差。地質構造相對比較復雜，礦層和礦床圍巖巖層傾角會超過55°，巖層產狀變化相對較大，導水斷裂帶切割礦層圍巖、覆巖和主要含水層，對井下采礦安全，構成了非常直接的威脅。地貌單元的數量會超過3個，地形條件可以讓30%以下礦體開采過程中可以自然排水，主要硐口斜坡與巖層傾角相同。

2 地質鉆探技術現狀及意義

當前，地質鉆探在地下水研究過程中，是一種非常有效的研究手段。因此，各種地質鉆探方法和技術越來越受到水文工作的重視。盡管地質鉆探技術在地質勘探中應用非常廣泛，但由于設計技術不能得到及時的更新，導致整體技術水平相對較低。例如，在實際作業過程中，需要依賴進口動力鉆頭，金剛石繩索鉆探取芯雖然在國內得到了廣泛的應用，但相關操作技術還相對比較落后。雖然一些新的地質鉆探技術逐漸在勘探工程中進行應用，但涉及范圍還相對較窄。國家在鉆探地質技術研究中已經投入了較大的力量，但國內鉆機研制能力與國外相比，還有著較大的距離，導致地質鉆探過程中各種問題相對較多。因此，應該在地質鉆探技術的研究中，投入足夠多的力量，通過對先進技術的應用，來縮小與國外鉆探技術的差距。

地質鉆探技術涉及范圍相關較廣，其中經常會包括礦產資源、地質狀況和地下水開發等。因此，在地質鉆探技術發展過程中，對人們的生活和生產造成了不少的影響。地質鉆探在各種地質試驗中的應用相對較多，是開展地質測繪、物探成果檢測的重要手段。伴隨著地質鉆探作業的不斷發展，地質鉆探工作在礦產勘察中的作用越來越明顯。各種地質鉆探設備的非常沉重，各種施工技術應用非常復雜，直接導致礦產地質勘察項目的投資相對較多，需要認真做好地質鉆探技術的研究工作。

3 地質鉆探技術與方法

在實際開展地質鉆孔的過程中，經常會遇到各種硬度的巖層，需要根據不同的巖層合理對鉆進方法進行選擇。其常用的鉆進方法包括正循環鉆進、反循環回轉鉆進、沖擊回轉鉆進、機械沖擊鉆進等。

（1）正循環回轉轉進主要包括鉆機就位、初鉆、鉆進速度、泥漿性能及孔位置準確性。在實際設定鉆進速度過程中，需要根據土層性質來進行調整，例如在粘質土鉆進過程中，由于泥漿粘性較大，需要在正循環鉆進過程中，使用尖底鉆錐、中等轉速、大泵量和稀泥漿鉆進。在實際作業過程中，需要認真做好以下的工作：①根據鉆孔直徑和深度認真做好相關鉆具的選擇工作，并按照GB9808-9812標準來選擇鉆具規格、質量和相關技術。鉆進過程中，應該及時對鉆桿進行更換，淺孔可以直接在軸上換下，深孔可以采用抽中間換兩頭的方法交替進行使用。如果需要鉆孔換徑，可以使用異徑導向鉆進行鉆進，導向鉆具長度應該保持在3m～5m。在大口徑鉆進過程中，如果孔內沖洗液的上返速度達到了0.1m/s，應該在鉆具當中增加粉管，并在鉆進結束后，及時開展沖孔撈渣處理。鉆進過程中，應該緊密關注孔內情況的變化，如果出現了回轉阻力增加、負荷突變、泥漿壓力不足、憋泵等問題，應該及時采取措施進行處理，如果處理效果不良，就需要及時提鉆檢查。如果需要停鉆，則鉆具不得停放在孔底，必須將鉆具提升到孔外。②在牙輪鉆進技術參數調整過程中，應該能夠達到巖石破碎強度相關要求，并結合設備能力和鉆具強度合理進行選擇。鉆頭的線速度應該保持在0.8m/s～1.5m/s，如果遇到了卵礫石層，可以將其降低到0.6m/s。如果地層情況相對比較完整、硬度較低，應該適當提升鉆頭線速度。

（2）反循環回轉鉆進。反循環回轉鉆進是指攜帶巖屑的鉆探介質經過鉆桿內孔返回地面的鉆進方法。其與常規循環方式相比，反循環鉆進上返速度會更快，攜帶巖粉的能力更強，在孔底被鉆下的巖石可以被快速返回地表。

（3）沖擊回轉鉆進。在沖擊回轉鉆進的過程中，其是利用沖擊及回轉兩種方式來同時對巖石進行鉆探，需要在回轉鉆柱下端及取芯鉆具之間安裝潛孔沖擊器，從而能夠實現沖擊脈沖、軸向鉆頭壓力、鉆桿回轉扭矩，能夠同時實現鉆進和采取巖心。該技術在實際應用過程中，能夠有效保證硬巖層轉速及回次進尺的長度，降低鉆孔彎曲變形量，進一步減少鉆探成本。

（4）地質觀測。在開展地質觀測工作過程中，主要是對鉆探中各種地質資料進行記錄。其詳細的內容包括監測鉆孔水位變化、沖洗液漏失情況、涌水位置、出水量、水溫異常、大裂隙、流砂以及鉆具突然掉落。在實際開展觀測工作中，應該做好以下的工作：①觀測水位變化。在開展水位觀測工作中，經常會遇到以下兩種情況，一種是清水為沖洗液，需要間隔五分鐘對鉆后、下鉆前水位量進行測量，如果出現了嚴重的漏水現象，應該采用近似穩定水位觀測法。另外一種采用泥漿為沖洗液，鉆孔作業過程中不必觀測水位變化情況，其主要測量方法是在沖洗液鉆進過程中，應該對孔內水位變化情況進行判斷。②觀測沖洗液消耗情況。在開展水文地質鉆探工作過程中，沖洗液變化量可以直接反映透水性變化情況，需要認真做好沖洗液觀測工作。如果鉆孔穿透含水層底板，一旦出現了沖洗液大量消耗及漏失的現象，就需要每隔10min～30min對沖洗液消耗量以及漏失情況進行觀測。③觀測地質構造活動。對于那些地質活動活躍地區，為了對斷層位移和地應力場變化情況進行監測，可以使用精密水準儀來測量大地的變形量，并對垂直活動斷層帶，定期進行短水測量，同時設置必要的地震臺網，對地震活動進行監測，從而有效對區域構造穩定性進行分析。

4 認真做好鉆探作業管理工作

4.1 建立更加完整的組織管理機構

現場管理是一項非常系統的工作。在實際管理的過程中，往往會遇到多方面的因素，例如施工人員、財、工程質量等。在實際進行管理的過程中，需要建立嚴格的管理體系和制度，嚴格落實相關人員的管理內容和職責，保證各項鉆探施工管理工作可以有效落實到位。

4.2 認真做好對施工人員的培訓工作

在開展水文地質鉆探施工的過程中，施工人員發揮著非常重要的作用，一旦其人員素質不能得到保證，就會直接影響到施工效果，這就需要認真做好施工人員的培訓工作，并認真做好以下三點：①保證形式的多樣化程度。②應該對各種方法靈活進行應用。③保證所有成員都能參與其中，在每個人的腦海當中都應該形成良好的質量意識，保證其能夠有效適應各種施工任務。

4.3 認真做好施工組織工作

由于施工現場的特殊性，施工環境往往比較復雜，如果對這些施工因素不能進行良好的控制，就容易導致施工混亂情況的發生。因此，管理人員應該充分做好施工組織工作，根據施工進程的實際情況，來進行針對性的調整，按照標準要求來完成每個工序施工，最大程度保證工程施工質量。

4.4 加大監督力度，加強工程施工整改力度

人是工程施工的重要因素，建立一支高素質的施工隊伍是非常關鍵的。在開展工程施工隊伍的建設過程中，管理人員應該盡量建立一種榮辱與共的工作氛圍，讓所有員工都應該感受到團隊的凝聚力。對于表現突出的管理人員，應該及時進行獎勵，將工程監督的作用充分發揮出來，充分保證工程施工質量。

4.5 做好孔深校正施工，將孔深誤差控制在合理的范圍之內

施工人員應該充分做好深孔的校正工作，在深孔鉆達到五十米之后，或者遇到了主巖層，就需要合理使用鋼卷尺等鉆具，認真做好孔深的校正校驗工作。在校正檢驗結果出來之后，一旦發現孔深誤差超過了千分之一，就需要施工人員及時采取相應的措施。為了保證施工質量，應該保證施工人員所使用的鐵尺等工具滿足相關質量要求，如平整度等，能夠定期開展校正工作。

認真做好封孔質量控制，保證地質鉆孔施工效果。在開展封孔施工作業過程中，施工人員應該認真做好以下的工作：①詳細了解設計書的實際情況，明確工程設計和封孔施工的相關要求，能夠合理選擇合適的水泥開展封孔作業，并在孔口處設置相應的標志，直接標明孔號、孔深、施工日期等參數信息。②在使用沖洗液的過程中，應該遵循自上而下的順序，并認真做好封閉孔段的清洗作業。施工人員應該選擇強度等級高的架橋材料，并將其固定在預定的孔深，從而發揮必要的隔離作用。水泥與清水應該采用合理的比例進行攪拌，并使用泵送的方式來進行沖洗。

5 當前水文地質鉆探技術的發展方向

隨著時代的不斷發展，水文地質鉆探技術發展非常迅速，一些先進的技術不斷應用到施工過程中。

5.1 液動沖擊回轉鉆探技術

在這種技術的應用過程中，進一步加強了洗井液的驅動作用，并在回轉技術的基礎上增加了潛孔錘的使用效率，將潛孔錘的潛能更進一步發揮了出來。通過這種技術的應用，進一步增加了鉆探動力，提升了鉆探技術應用效率，在實際工程中的應用不斷增加。

5.2 繩索取芯鉆探技術

通過對這種地質鉆探技術的應用，可以有效提升巖心的提取率，可以在很大程度上減少設備的提升次數，降低了設備的損壞率，技術的適應性也相對比較強，在很多地質條件下都可以進行使用。

5.3 空氣鉆探技術

在這項技術的應用過程中，其是以壓縮空氣作為介質的，然后直接沖洗來鉆出空洞，然后在該基礎上增加了鉆探中破碎巖石的力量，這對提升鉆探工作效率，是非常有益的，可以有效縮短鉆探過程所需時間。

5.4 反循環鉆探技術的應用

鉆探沖洗液自孔口經鉆桿與孔壁間，或雙壁鉆桿的內外管之間的環狀空間向下行，到達孔底后又從鉆桿或雙壁鉆桿內管上返到地表的一種相反方向循環方式的鉆探和取樣技術。沖洗液介質可以是水、泥漿或空氣。在該技術的應用過程中，其主要采用水力反循環和空氣反循環，需要根據介質的不同，合理對技術進行選擇。在空氣反循環鉆孔的過程中，經常采用空氣介質，空氣在這個過程中，容易出現膨脹的現象，并產生沖擊力，這樣就可以驅動孔底的潛孔錘進行運動，巖石在潛孔錘的作用下，會產生巖屑，并在空氣的帶動作用下，巖屑就會通過鉆桿中心返回到地面，方便勘探人員及時對這些巖屑進行收集、分析處理。在水力反循環鉆孔的過程中，其采用泥漿或者水作為介質，但是相對于空氣反循環技術，其對資源的消耗會更多一些。這兩個技術在地質勘探取樣中的應用比較多，如在錨固施工、松軟塌陷表層以及水文水井地質勘探當中。

5.5 其它鉆探技術

除了上面提到的鉆探技術之外，還有比較多的新材料和新工藝。例如，為了有效在水資源缺乏地區開展鉆探，就可以采用節水鉆探技術，其在具體的應用過程中，能夠進一步減少對水資源的使用。此外，還可以認真做好新鉆頭的開發工作，例如可以使用超聲波技術來制作金剛石鉆頭，這樣可以有效保證生產效率，進一步提升鉆頭的使用壽命。該鉆頭和普通的地質鉆探鉆頭相比，其鉆進速度可以提升百分之二十以上。此外，通過在鉆進過程中使用新型沖洗液，可以很好解決沖洗液在鉆桿內部產生的污垢問題，進一步延長鉆頭的使用壽命。當前泥漿材料技術發展非常快，通過對這些先進泥漿體系的應用，能夠進一步提升鉆進的效率，降低工程施工成本。

6 結語

隨著時代的不斷發展，對開展礦產開采工程，提出了更高的要求。為了保證鉆探作業質量，應該認真做好礦山地質分類和地質鉆探技術方法研究工作，根據礦山地質的實際情況，合理對相關鉆探技術進行研究，保證鉆探作業工作開展效率和質量，避免各種鉆探安全生產質量事故的發生。另外，還應該進一步加強對先進鉆探技術的研究工作，充分保證鉆探工作效果。