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            礦山采空區地質勘查中大口徑鉆探技術應用效果分析論文

            發布時間:2022-05-07 14:34:16 文章來源:SCI論文網 我要評論














            SCI論文(www.0546wclm.com)

            摘  要 :鉆探技術影響著礦山地質勘查的效果,礦山采空區地質的有效勘查是礦產資源安全開采活動的理論基礎,研究礦山采 空區地質勘查中大口徑鉆探技術應用效果分析?;诓煽諈^特征布設測網,覆蓋整個研究區域。大口徑鉆探勘查地質,真實地 反映巖石的自然存在狀態。數據的解譯與分析,分析礦山采空區的富水性。經應用效果分析,結合已有的地質資料,本文勘查結 果與實際地質情況是一致的, 說明本文方法具有有效性。

            關鍵詞 :礦山 ;采空區 ;地質勘查 ;大口徑鉆探技術 ;數據解譯 ;應用效果

            近年來,伴隨經濟社會的快速增長,在礦產資源方面的需求 量日漸增大, 礦產資源被不斷開采和利用, 淺層地表的礦產資源 已不能滿足目前發展的需要, 礦產開采活動向更深部延伸, 為社 會經濟發展帶來了巨大的效益 [1]。然而,隨著開采規模的不斷擴 大,礦產的過度開采已在地下形成了大量采空區, 它們分布不均 且規模不同,導致諸多地區地表塌陷,土地受到了嚴重破壞,影 響了地面建筑物的安全,給礦山周邊人民的生活及礦產開采活 動安全形成了極大的威脅,對礦產資源的回收帶來了一定的困 難,不利于國家持續環??沙掷m的經濟發展, 使生態環境進一步 惡化,為礦山造成了巨大的損失。因此,勘查礦山采空區的地質 情況, 能夠有效防止塌方等事故的發生, 此問題受到了諸多學者 和勘查人員的廣泛關注。由于采空區的形成時間、埋深、圍巖巖 性及地下構造都各有不同,需要采取較為有效的物探勘查技術。 大口徑鉆探技術具有鉆孔質量好, 鉆進效率高的特點, 能夠滿足 礦山勘查的實際需求, 因此廣泛應用于對礦山地質體的勘查。通 過大口徑的擴孔鉆進技術, 完成擴孔任務, 鉆進設備不需要二次 鉆進, 在一定程度上簡化了鉆進過程。本文在對礦區地質鉆探技 術方法進行分析的基礎上,基于大口徑探技術對礦山采空區進 行勘查, 為今后的礦山采空區勘查工作提供了一定的參考, 具有 一定的現實意義。

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            1  地質工程勘查和鉆探技術的相關概述

            (1)地質工程勘查。此項工作主要主要是對地質因素進行勘 察研究并獲取相應報告,借助勘察工作來對巖體斷層以及水體 具有研究意義的資料信息進行獲取,進而對地質規律相關信息 進行了解, 同時充分研究分析此類信息, 為后續工程工作有效實 施將相關依據提供出來。

            (2)鉆探技術。該項技術是通過鉆機應用于地表部位進行鉆 孔, 同時逐步破碎孔底部為堅硬巖體技術工藝措施, 此項技術能 夠對地質研究樣品進行有效獲取,還能對礦產資源展開詳細計算,針對礦石品質進行評價, 還能科學探測地下巖土層獲取相應 的信息資料進而為相關研究工作的開展奠定堅實的基礎。至我 國,新中國成立至今。我國地質工程勘察工作當中相應的技術設 備有了巨大提升, 而且鉆探技術水平也有了很大發展, 工程技術 體系越發完善。同時, 國家對于地質勘察工程方面的發展也十分 重視, 在此方面投入大量的人力、物力以及財力推動地質勘查工 作的高效開展, 使得鉆探技術構建出較為完善的技術體系, 并在 此前提下, 在地質勘查技術方面涌現出很多新的技術手段, 特別 是繩索取芯鉆探技術、液壓潛孔錘鉆探技術和反循環鉆探技術、 空氣泡沫鉆探技術、組合鉆探工藝技術等多個方面都獲得了非 常大的發展。

            2  鉆探技術的重要性

            地質鉆探技術在長期發展進程當中發揮的作用非常重要, 人們通過地質鉆探技術應用來對自然奧秘進行探索,并以此為 前提對自然資源有效獲取。我國的土地面積非常遼闊, 同時也有 著十分豐富的礦產資源, 特別是在地下潛藏的礦產資源, 只有運 用現代化的鉆探技術才能將其探明。除有效勘察地下礦產資源 之外,同時在探測地下水以及工程地質方面也發揮著十分重要 的作用。所以在人們生產生活實際以及經濟社會發展進程當中, 地質鉆探技術都發揮著無可替代的作用,雖然地表有著十分豐 富的礦產資源,然而經過長期開采,資源已經瀕臨枯竭,深部礦 產資源成為重要的發展方向因此,更需要進一步加強地質勘查 技術及鉆探技術的研究工作,這樣才能探尋更加豐富的礦產資 源滿足社會發展需求。而如若地質勘察和鉆探技術不適應現代 礦產資源開發利用發展需求, 不僅會阻礙礦業持續穩步發展, 對 我國經濟社會也會造成較大影響, 降低社會主義建設步伐。當前 為了有效解決礦產資源不足的問題,國家在礦產資源勘查方面 扶持力度也在逐步增強, 因此, 對于地質鉆探技術重視程度也越 來越高, 特別是進入新時代之后, 地質鉆探技術將會獲得更好更 快的發展。

            3  地質工程勘查中主要的鉆探技術方法

            3.1  繩索取心技術

            在目前地質工程勘察領域當中,繩索取芯鉆探技術作為一 種先進的技術手段, 將此項技術作用優勢最大程度發揮出來, 可以大幅提高地質工程勘探效率,而且應用此項技術手段也能獲 取更高質量的巖心。同時, 該項技術手段能夠大幅增強鉆探效率 及其質量, 避免鉆具施工過程當中頻繁升降導致的時間浪費。然 而具體應用時, 需要運用專用帶鋼絲繩的打撈器進行打撈, 進而 有效銜接孔底管, 才能將其提取到地面之上。打撈器設計的主要 目的是為了控制于減少堵塞情況的發生,進而避免轉感出現磨 損。地質工程勘察工作實際應用繩索取芯鉆探技術, 在工程機械 技術方面有著很高的要求,同時可以大幅減少施工工作人員的 勞動強度,特別是對于深部構造來講,其復雜程度較高,需要運 用繩索取芯,鉆探技術開展勘查工作,并對內因、外因等各種因 素加強研究。仔細分析獲取的巖心, 并與地理環境以及專業理論 充分結合, 并通過自身經驗準確的做出判斷。而且在勘查工程實 施之前,還應當構建更加全面的應急方案來防止錯誤性操作的 出現。

            3.2  反循環鉆探技術

            此項技術手段又有水力反循環鉆探技術以及空氣反循環鉆 探技術之分,這兩類技術手段是依照介質進行區分的,該循環 方式和正循環正好相反。水泥漿以及空氣通過鉆具環空后到達 孔最底層,在運用鉆頭,鉆具返回至地表,反循環鉆探技術當中 無論哪項技術手段, 各自都有自己的優勢和缺點。在水資源探測 過程當中, 水利反循環鉆探技術應用較多, 但是對于干旱以及無 水地區應用此項技術手段會有很大的限制存在。而且應用水力 反循環技術過程當中, 能夠更高質量的對巖體樣品進行獲取, 提 高巖心質量。還能精準的判別巖層,然而,轉進速度方面相對較 慢,工作效率相較于空氣反循環鉆探技術相對較低。而空氣反循 環技術在探測水資源方面不是非常適宜,此項技術應用過程當 中信息獲取不是非常精準,而且還會阻礙到后續資源勘察工作 的順利實施。然而,空氣反循環技術成本投入相對較低,工作人 員在應用過程當中, 也不必投入較高的勞動強度, 具有很高的鉆 探效率。因此,要與實際地質環境充分結合,來對反循環鉆探技 術合理選擇。

            3.3  液動潛孔錘鉆探技術

            此項技術手段是一種非常先進的技術手段,在其運用過程 當中通過潛孔錘以及沖洗液發生作用,使鉆頭以及潛孔錘產生 相應的反應, 導致鉆頭頭以及巖體產生較大的沖擊力, 進而對勘 察資料進行獲取, 此項技術應用實際, 鉆頭應當和巖體持續性的 進行撞擊。所以此項技術手段針對一些堅硬的地質環境比較適 宜,而且運用此項技術手段,可以大幅提高鉆探效率,保證鉆孔 質量, 還能控制和減少成本方面的投入, 在一些復雜地層鉆探方 面十分適宜。為了控制和減少潛孔錘出現的磨損, 沖洗液配送過 程當中, 應當保證泥漿粘稠度相對較低, 對沖洗液含沙量合理限 制,增強其潤滑作用。

            3.4   組合鉆探技術

            顧名思義此項技術手段,就是聯合幾種鉆探技術各自優點, 結合起來創造的綜合性鉆探技術手段。如將繩索取芯技術以及 空氣反循環技術還有水力反循環鉆探技術充分的結合在一起形 成的一種融合狀態技術手段, 此項技術手段應用過程當中, 需要 合理的運用液體循介質才能更高質量的開展鉆探工作。對于一 些干旱地區,缺水或者無水地區,巖心鉆探存在較大難度的,利 用此項技術手段進行勘察, 可以可以大幅提高勘查效率, 此項技術研發至今, 在五國很多地區都已得到了普遍應用, 并發揮了十 分重要的作用, 相較于傳統勘探技術, 工作成效有了五倍以上的 提升, 還大幅控制了成本投入, 所以此項技術應用前景廣闊。

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            4  礦山采空區地質勘查中大口徑鉆探技術應用 

            4.1  基于采空區特征布設測網

            本文以某地礦山采空區為研究對象,該研究區域內共分布 采空區24 個,該區域內部分采空區發生過坍塌,在該區域西部 和北部有兩個礦山開采場, 礦山已經過十余年的開采, 采空區圍 巖在形成一段時間內,會發生變形、破碎坍陷等情況,諸多空區 貫通, 部分已貫通地表, 對地表各種施工作業及生活安全存在著 較大的隱患,威脅著生態環境,采空區地表一般分為兩種,當開 采深度較大, 地表移動在時空中有連續性的變化, 并具有一定的 規律。采空區范圍在不斷擴大的過程中形成了移動盆地, 盆地會 在范圍不再擴張后形成裂縫為采空區邊界。非連續性變形最常 見的為地表裂縫, 其一般平行于采空區發展, 在地表淺層裂縫較 大,逐漸向深部收窄??紤]到研究區域的實際條件,在布設測網 時,為避免進一步破壞地層,將不在較薄地層處進行技術套管, 而采用一次性成孔的方式一徑到底,測線的布設盡可能垂直于 采空區邊界走向,經過野外實地勘查,部分區域受電磁干擾嚴 重,其采集的數據沒有參考性,因此不將此類區域作為勘查地 點,不設置測線及測點,測線在布設上應與其他鉆孔勘探線一 致,在采空區邊界將點距和線距的距離縮小,進行測網控制。將 測線點距設為 18米,線距設為 50米,布置測點 120 個,測線布設 15 條,覆蓋整個研究區域。

            4.2  大口徑鉆探勘查地質

            大孔徑地質勘查有著不同的的取芯技術,在勘查地質前首 先要進行鉆頭的選擇,不同鉆頭所實施的鉆進工藝也有所區別, 直接影響著鉆進效率,也是取芯的關鍵。本文選用牙輪鉆頭進 行滾動碾壓沖擊碎巖,鉆孔環狀間隙大,利于取芯。由于破巖斷 面較大,要求鉆機動力大,轉速低,因此在鉆探設備的選擇上選 擇粗徑鉆桿,保證鉆機鉆進的穩定。在每次鉆進結束后,將鉆桿 升至上次鉆深位置更淺處, 再緩緩將鉆桿放至孔底, 判斷巖性是 否為自然斷裂, 同鉆桿連接取芯裝置, 確定巖芯到達楔塊位置后 進行記錄,再將鉆桿提升,再下放,以取芯裝置的楔塊沖擊巖芯 使巖芯折斷, 鉆桿突然下降代表著巖芯已經折斷, 最后取出巖芯 [2]。巖性能夠真實反映巖石的自然存在狀態,在地層較厚地區如 果打井開孔發生孔斜, 沒有校正位置的空間時, 可以分級換孔校 正鉆孔角度, 根據取出巖芯的完整程度確定大孔孔深, 利用巖芯 管和鉆桿外徑相同的徑的導向作用防止徑孔傾斜, 逐漸擴孔。隨 著鉆孔深度的不斷加深加入孔底鉆具組,加大鉆壓和校正鉆具, 保證技術套管的孔底孔口的密封性, 防止出現溜砂事故。采取合 理的鉆具結構,實行滿眼鉆具鉆進,充分利用孔壁校正作用,扶 正器是鉆具的重要組成,具有耐磨的特點,同時有較多的支撐 面,利于泥漿的循環。在鉆探施工結束后,對采集的樣本數據進 行解譯與分析。

            4.3  數據的解譯與分析

            在數據的處理中力求能夠真實地反映地層參數,將野外采 集的數據輸入到計算機內,建立有點、線、視電阻率等內容的數 據文件, 生成了深度電阻率數據, 運用專業繪圖軟件繪制反演電阻率斷面圖, 進行數據的編輯和校正, 為下一步的數據解譯打下 基礎 [3]。反演電阻率斷面圖會產生諸多數據,提取不同深度的電 阻率數據, 進一步分析電阻率分布, 以視電阻率等值線等值的變 化反映礦山采空區地下地質體的變化情況,若等值線分布均勻, 起伏不大,則表示地質體變化較小,若等值線分布不均勻,有一 定程度的變形,形成了一定的高阻則說明地下地層巖性變化較 大,存在不均勻的地質體。結合研究區域已有的地質數據和鉆孔 數據, 生成富水性分布。根據鉆孔資料對各測線的反阻率斷面圖 進行標定。該圖能根據測線方向上地層的電性變化特征, 詳細地 反映地下構造及各種地質現象,可以大致推測采空區在該測線 的平面位置及深度范圍。本文在 15 條測線中選取了具有代表性 的 6號測線,將其進行解譯并進行反演,具體斷面圖情況如下圖 1所示。


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            由圖 1 可知,上部反演電阻率較低,電阻率值較小,圖中反 阻率自下而上逐步遞減, 反映出其礦山地質的電性規律。該斷面 圖中有4 條斷層,有兩個采空區,其中在東部的采空區電阻率值 和電阻率相對較低, 分析認為該地區富水性相對較強, 另一采空 區位置未見明顯電阻異常, 分析此位置的采空區富水性較弱。

            5  大口徑鉆井技術的應用及應用效果分析

            由于礦山采空區地質環境較為特助,鉆進施工時選用 φ311mm 硬質合金鉆頭開工,鉆進過程中遇砂卵石層,換用更加 堅硬鉆頭。鉆進至200m 處測斜,鉆孔頂角發生變化,采用糾斜 措施后, 鉆孔頂角變大。為防止鉆進至卵礫石層出現掉塊卡鉆現 象,套管上下部位均用水泥砂漿固定。水泥凝固后采用大口徑鉆 探技術繼續施工。經過對礦山采空區實際勘查, 鉆探施工最大孔 深為 350m, 施工口徑 400~800mm。具體鉆進過程 :使用沖擊鉆 機,確定鉆口徑為400mm, 鉆進至 300m后確認已穿過卵礫石層,使用水泥砂漿封堵鉆孔,更換鉆頭繼續施工,直至終孔。鉆機鉆
            進20~30m, 用帶導向的φ 311m擴孔牙輪鉆頭擴孔(需預留 5m,方便下一回合糾斜),擴孔后用隨鉆儀測控,直至鉆孔達到規定 要求。

            通過本文鉆探獲得的地質勘查數據,結合已有的研究區域 的地質資料, 將本次研究區域區分為三個部分, 本次大口徑鉆探 技術在采空區應用的成果如圖2所示。
             
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            由圖2 可知,采空區范圍較大,位于研究區域的西北部,采 空區埋深約200 米,從北至南的埋深逐步遞增,根據充水性劃分 了采空區和采空積水區,采空區南部邊界線為 1200 等高線。高 阻異常區位于研究區域的南部,推測造成高阻異常的原因為上 覆高阻巖層屏蔽的影響。非采空區在研究區域的東部和西南部 各有分布, 其東部礦產埋深更深, 深度范圍在310米-350米之間, 該區域地質未受到開采和破壞。本文通過研究區域內的礦山開 采地點進行驗證, 在礦山開采地點的調查中發現, 位于研究區域 西部的礦產開采地點的開采深度達 200 米 -300 米,積水深度達 330米 -350米,位于采空積水區, 具體鉆孔實測結果如表 1 所示。
             
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            由表 1 可知,本文在礦山開采區域進行驗證,其驗證結果與 實際地質資料相符, 驗證結果與本文勘查成果圖分析一致, 說明 本文方法具有有效性。

            6  結語

            本文將大口徑鉆探技術應用于礦山采空區的勘查中,通過 驗證結果表明了本文方法勘查效果較好, 能夠滿足工作需求, 取 得了一定的研究成果。但由于時間和知識水平的局限性, 還有諸 多問題有待于深入研究,如數據資料的采集范圍應該更加全面, 收集更多的動態和靜態資料,對不同的巖體設置不同的巖性介 質力學參數。由于條件的限制, 本文沒有將研究區域內的所有采 空區進行實測,所形成的數據還有待于在日后的勘查中不斷修 改與完善。隨著大口徑鉆探技術的不斷發展, 未來的礦山勘查工 作質量及效率將有很大程度地提高。

            參考文獻

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