浅谈地质勘探中的断层勘探技术

祁超

摘要：断层断裂的构造可分为是岩石的受到连续性破坏，发生裂开，分为节理和断层两大类，其中两侧的岩体发生显著位移的是断层，在地壳中极为发育，是重要的地质构造之一。断层面一般不是一个简单的面，而是由许多密集的破裂面，或者是岩石破裂移动时造成的一个岩石揉皱、切错的破碎带，即断层破碎带。其宽度从几厘米到几十米不等。了解和揭穿断层上下盘，掌握断层的地质形状要素、上下盘岩性，形成时代，无论是对固体矿床勘探中的成矿机理研究、地学中的科学钻探、地震研究、桥、隧、坝基础稳定性研究等都具有必要性和重要性。

关键词：断层地质勘探

中图分类号： F407 文献标识码： A

引言：由于断层钻探孔壁上应力与变形分析十分复杂，影响因素众多，特别是深、厚断层钻探更是如此。因此对于复杂地层钻探，要从地质与构造、钻探机具、钻孔结构、泥浆技术、套管技术、操作技能等多方面综合分析，充分准备，科学合理的措施与对策，严格的管理，才能将断层钻探工作做好。同时开展对断层层间物质的物理、力学性能研究和模拟断层钻探试验研究工作也尤为重要。

一、断层的判断

断层的定义可简述如下: 地壳上岩层或岩体受到应力作用, 当应力值超过岩石的强度极限时, 岩石破裂产生不连续面, 沿此面分割的两侧岩块平行破裂面发生明显位移时, 称为断层。断层又分为倾滑断层和走滑断层, 前者包括正断层和逆断层, 后者分为左旋断层和右旋断层。断层位移的矢量多是倾滑、走滑两种分量的合成。

出露于地表的作为断层活动标志的面状地形及线状地形因覆盖层和地震活动造成地表的崩溃与地滑而不多见。

1生产勘探法：a.在断层性质已确定，而落差不能确定的时候，采用巷探；

b.在落差和性质都不能确定的时候，在生产中又需要先查明断层的性质和落差才能确定巷道的掘进方向时，采用钻探。

2间接法。结合其他学者和自己的研究成果，在实际生产过程中确定断层的性质及落差的间接方法分为以下几种：

1）规律类推法。在小区域范围内，在同一构造应力作用下形成的成组派生小断层的性质与同生的主断层的性质相同。可以利用这些小断层的性质来预测主断层的性质。

2）作图分析法。当遇到大断层时，可充分利用各种矿图，将新揭露的断层位置点画在图上，根据断层的产状进行上下左右的对比连接，推断新断层的性质和落差及延伸长度。

3）反射波法。依据波动理论，当波在传播过程中遇见断层时，发生反射，其发射波的能量、频率和相位均发生，利用这些变化特征可以判断断层类别。

4）专家系统。专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题。

二、钻探技术

1.断层钻进孔壁破坏原因

断层形成后，地应力得以释放，内能大量消耗，受推、挤等力作用，周围岩体处于弹塑性状态，围绕破碎带重新分配地应力，达到新的平衡，而层问物质表现为松散、胶结不良、内聚力差、交叉裂隙多；颗粒及粉末状物质处于硬塑一流塑状态，遇水有极强的膨胀性，当钻孔形成后，孔壁上径向应力比孔内液柱压力大时，孔壁易径向流变，向孔内垮塌、填充。

2.断层钻探力学分析

以案例中的薄断层钻探情况模拟孔内力学情况，分析层间物质变形压力。

（1）当断层被揭穿，孔壁周围的岩层失去约束，显示出地层压力，且层间物质水化后：大钩提拉力F1≤全孔钻杆、钻具重量F2+颗粒、流塑物质对钻杆、钻具握裹力F3+部分液柱重量F4。

（2）断层层间颗粒及流塑物质对钻具产生的握裹力F3由两部分组成，一是颗粒物质对钻具产生的摩擦力，二为粉末状物质产生的遇水膨胀压力。在此案例中钻杆、钻具被提起的原因是断层厚度较薄，反复提拉摇震后在钻杆、钻具表面形成水化膜，减小了摩擦阻力。因此，一般情况下，如不采取措施，深、厚断层破碎带钻进，钻杆、钻具将会被埋死。

3. 断层与矿体的关系

早期的断裂在一定程度上对铜矿矿床的分布造成了决定性的影响。该断层面多产生擦痕以及断层泥，以逆向断层为主。该时期的断层规模不大，但断裂多成群成组产生以及出现。在铜矿化范围内部的断裂带当中，辉铜矿呈现密集散点以及细脉状产出，具有明显的矿化富集。而距离断裂越远，则铜矿的矿化也就逐渐减弱。

断裂带内发育为角砾岩以及断层泥。紫红色泥岩夹带灰绿色泥岩的透镜体，透镜体内发育有石英脉、片理化以及构造泥。则顺着断裂层发育为石英脉，压性层间滑动面上形成了石英薄膜，而张性石英裂隙当中发育为梳状的石英晶簇，具有明显的错动。多呈现星点状的黄铜矿以及黄铁矿。早期时期为铜矿初始估计成矿阶段，断裂在一定程度上影响了铜的富集。后期断裂附近具有大且富的矿体，该时期为铜矿矿体再次富集的阶段，其形成的时间要比早期近南北走向断裂要晚，实际上也是在一定程度上改造了近南北走向断裂，从而使铜矿矿体在叠加的基础上实现了富集。相应的分析可表明其形成在矿体发育之后，为后期构造的断裂体系。

4断层勘探的困难

地质构造是影响综采工作面设备效能发挥的重要因素。而断层的影响又是诸因素中的主要因素。据调查，几乎没有无断层的工作面，所以，探索过断层的方法，已经成为综采发展的当务之急。

（1）由于断层处的岩石往往比较破碎，在工作面通过时很容易造成冒顶，而且冒顶的高度都比工作面不过断层时要大。

（2）综采工作面通过断层时，由于顶、底板和采高的变化，很容易造成液压支架的倾倒和“压死”。

（3）在处理断层带的岩石时，如果方法不恰当，很容易损坏支架，输送机等机械设备。有时，通过断层后设备损害严重，不得不将设备全部升井大修，造成很大的经济损失。

（4）综采工作面通过断层时，对工作面的产量影响很大。据调查，断层落差愈大，过断层时产量下降愈多；断层与工作面的夹角对工作面产量也有很大的影响，即断层与工作面的夹角愈小，产量下降愈大。

5在岩土工程勘察中，利用物探技术来连续增加测量点以获得连续的地质界面，可以有效的规避传统钻探以点带面的地质分析方法的不足，提高对地质岩土工程的检测精度，如对地下洞穴的探测、对断层结构的探测、对不明物体的探测等，同时工程物探技术在使用成本及耗时上对地质条件的限制较少，又能够提供较高的勘探精度，为此，在合理的选择和应用工程物探技术是赢得勘察市场竞争的有效手段之一。

在实际断层工程勘察中，弹性波技术是应用比较广泛的断层工程勘察方法，它利用不同介质对弹性波的传递特性来揭示出地下的物体界面，当地下物体的界面物性发生较大变化时，就会对弹性波表现出动力学和运动学不同的异常特征，并以此来判断地下介质的物性和特点，其次电磁波技术和电法技术的应用，利用对地质进行雷达勘探和高密度电法技术，也可以实现对建设工程场地的地质条件的进行详细的动力参数分析。

在进行断层勘探技术实施时，在勘探前要充分分析拟建工程的特性和要求，对勘探中的问题进行及时沟通以促进整个勘探工作合理、便捷、准确、有效，避免误判和项目返工。在进行勘探检测时，要结合相应的操作规范和规程，采用科学有效的勘察手段和方法，从经济的角度来完成勘察任务，对勘察项目进行等级划分，以实现对地基复杂程度和重要性有一个明确的目标。确定适应的勘察基础方案，勘察方法的制定是根据工程场地实际和项目设计总体要求来制定的，勘探单位不能以自身单位利益而片面更改勘探报告的建议，应深入工程实际，确保勘探成果的顺畅、真实、有效。在采用勘探技术时要结合技术的适用性和局限性，合理确定岩土工程勘探技术，实现多种技术互补，相互验证，从而确保工程勘探质量和准确性。