矿山采空区地质勘查中大口径钻探技术应用效果分析

刘森峰

（江西省地质局第八地质大队，江西 上饶 334000）

近年来，伴随经济社会的快速增长，在矿产资源方面的需求量日渐增大，矿产资源被不断开采和利用，浅层地表的矿产资源已不能满足目前发展的需要，矿产开采活动向更深部延伸，为社会经济发展带来了巨大的效益[1]。然而，随着开采规模的不断扩大，矿产的过度开采已在地下形成了大量采空区，它们分布不均且规模不同，导致诸多地区地表塌陷，土地受到了严重破坏，影响了地面建筑物的安全，给矿山周边人民的生活及矿产开采活动安全形成了极大的威胁，对矿产资源的回收带来了一定的困难，不利于国家持续环保可持续的经济发展，使生态环境进一步恶化，为矿山造成了巨大的损失。因此，勘查矿山采空区的地质情况，能够有效防止塌方等事故的发生，此问题受到了诸多学者和勘查人员的广泛关注。由于采空区的形成时间、埋深、围岩岩性及地下构造都各有不同，需要采取较为有效的物探勘查技术。大口径钻探技术具有钻孔质量好，钻进效率高的特点，能够满足矿山勘查的实际需求，因此广泛应用于对矿山地质体的勘查。通过大口径的扩孔钻进技术，完成扩孔任务，钻进设备不需要二次钻进，在一定程度上简化了钻进过程。本文在对矿区地质钻探技术方法进行分析的基础上，基于大口径探技术对矿山采空区进行勘查，为今后的矿山采空区勘查工作提供了一定的参考，具有一定的现实意义。

1 地质工程勘查和钻探技术的相关概述

（1）地质工程勘查。此项工作主要主要是对地质因素进行勘察研究并获取相应报告，借助勘察工作来对岩体断层以及水体具有研究意义的资料信息进行获取，进而对地质规律相关信息进行了解，同时充分研究分析此类信息，为后续工程工作有效实施将相关依据提供出来。

（2）钻探技术。该项技术是通过钻机应用于地表部位进行钻孔，同时逐步破碎孔底部为坚硬岩体技术工艺措施，此项技术能够对地质研究样品进行有效获取，还能对矿产资源展开详细计算，针对矿石品质进行评价，还能科学探测地下岩土层获取相应的信息资料进而为相关研究工作的开展奠定坚实的基础。至我国，新中国成立至今。我国地质工程勘察工作当中相应的技术设备有了巨大提升，而且钻探技术水平也有了很大发展，工程技术体系越发完善。同时，国家对于地质勘察工程方面的发展也十分重视，在此方面投入大量的人力、物力以及财力推动地质勘查工作的高效开展，使得钻探技术构建出较为完善的技术体系，并在此前提下，在地质勘查技术方面涌现出很多新的技术手段，特别是绳索取芯钻探技术、液压潜孔锤钻探技术和反循环钻探技术、空气泡沫钻探技术、组合钻探工艺技术等多个方面都获得了非常大的发展。

2 钻探技术的重要性

地质钻探技术在长期发展进程当中发挥的作用非常重要，人们通过地质钻探技术应用来对自然奥秘进行探索，并以此为前提对自然资源有效获取。我国的土地面积非常辽阔，同时也有着十分丰富的矿产资源，特别是在地下潜藏的矿产资源，只有运用现代化的钻探技术才能将其探明。除有效勘察地下矿产资源之外，同时在探测地下水以及工程地质方面也发挥着十分重要的作用。所以在人们生产生活实际以及经济社会发展进程当中，地质钻探技术都发挥着无可替代的作用，虽然地表有着十分丰富的矿产资源，然而经过长期开采，资源已经濒临枯竭，深部矿产资源成为重要的发展方向因此，更需要进一步加强地质勘查技术及钻探技术的研究工作，这样才能探寻更加丰富的矿产资源满足社会发展需求。而如若地质勘察和钻探技术不适应现代矿产资源开发利用发展需求，不仅会阻碍矿业持续稳步发展，对我国经济社会也会造成较大影响，降低社会主义建设步伐。当前为了有效解决矿产资源不足的问题，国家在矿产资源勘查方面扶持力度也在逐步增强，因此，对于地质钻探技术重视程度也越来越高，特别是进入新时代之后，地质钻探技术将会获得更好更快的发展。

3 地质工程勘查中主要的钻探技术方法

3.1 绳索取心技术

在目前地质工程勘察领域当中，绳索取芯钻探技术作为一种先进的技术手段，将此项技术作用优势最大程度发挥出来，可以大幅提高地质工程勘探效率，而且应用此项技术手段也能获取更高质量的岩心。同时，该项技术手段能够大幅增强钻探效率及其质量，避免钻具施工过程当中频繁升降导致的时间浪费。然而具体应用时，需要运用专用带钢丝绳的打捞器进行打捞，进而有效衔接孔底管，才能将其提取到地面之上。打捞器设计的主要目的是为了控制于减少堵塞情况的发生，进而避免转感出现磨损。地质工程勘察工作实际应用绳索取芯钻探技术，在工程机械技术方面有着很高的要求，同时可以大幅减少施工工作人员的劳动强度，特别是对于深部构造来讲，其复杂程度较高，需要运用绳索取芯，钻探技术开展勘查工作，并对内因、外因等各种因素加强研究。仔细分析获取的岩心，并与地理环境以及专业理论充分结合，并通过自身经验准确的做出判断。而且在勘查工程实施之前，还应当构建更加全面的应急方案来防止错误性操作的出现。

3.2 反循环钻探技术

此项技术手段又有水力反循环钻探技术以及空气反循环钻探技术之分，这两类技术手段是依照介质进行区分的，该循环方式和正循环正好相反。水泥浆以及空气通过钻具环空后到达孔最底层，在运用钻头，钻具返回至地表，反循环钻探技术当中无论哪项技术手段，各自都有自己的优势和缺点。在水资源探测过程当中，水利反循环钻探技术应用较多，但是对于干旱以及无水地区应用此项技术手段会有很大的限制存在。而且应用水力反循环技术过程当中，能够更高质量的对岩体样品进行获取，提高岩心质量。还能精准的判别岩层，然而，转进速度方面相对较慢，工作效率相较于空气反循环钻探技术相对较低。而空气反循环技术在探测水资源方面不是非常适宜，此项技术应用过程当中信息获取不是非常精准，而且还会阻碍到后续资源勘察工作的顺利实施。然而，空气反循环技术成本投入相对较低，工作人员在应用过程当中，也不必投入较高的劳动强度，具有很高的钻探效率。因此，要与实际地质环境充分结合，来对反循环钻探技术合理选择。

3.3 液动潜孔锤钻探技术

此项技术手段是一种非常先进的技术手段，在其运用过程当中通过潜孔锤以及冲洗液发生作用，使钻头以及潜孔锤产生相应的反应，导致钻头头以及岩体产生较大的冲击力，进而对勘察资料进行获取，此项技术应用实际，钻头应当和岩体持续性的进行撞击。所以此项技术手段针对一些坚硬的地质环境比较适宜，而且运用此项技术手段，可以大幅提高钻探效率，保证钻孔质量，还能控制和减少成本方面的投入，在一些复杂地层钻探方面十分适宜。为了控制和减少潜孔锤出现的磨损，冲洗液配送过程当中，应当保证泥浆粘稠度相对较低，对冲洗液含沙量合理限制，增强其润滑作用。

3.4 组合钻探技术

顾名思义此项技术手段，就是联合几种钻探技术各自优点，结合起来创造的综合性钻探技术手段。如将绳索取芯技术以及空气反循环技术还有水力反循环钻探技术充分的结合在一起形成的一种融合状态技术手段，此项技术手段应用过程当中，需要合理的运用液体循介质才能更高质量的开展钻探工作。对于一些干旱地区，缺水或者无水地区，岩心钻探存在较大难度的，利用此项技术手段进行勘察，可以可以大幅提高勘查效率，此项技术研发至今，在五国很多地区都已得到了普遍应用，并发挥了十分重要的作用，相较于传统勘探技术，工作成效有了五倍以上的提升，还大幅控制了成本投入，所以此项技术应用前景广阔。

4 矿山采空区地质勘查中大口径钻探技术应用

4.1 基于采空区特征布设测网

本文以某地矿山采空区为研究对象，该研究区域内共分布采空区24个，该区域内部分采空区发生过坍塌，在该区域西部和北部有两个矿山开采场，矿山已经过十余年的开采，采空区围岩在形成一段时间内，会发生变形、破碎坍陷等情况，诸多空区贯通，部分已贯通地表，对地表各种施工作业及生活安全存在着较大的隐患，威胁着生态环境，采空区地表一般分为两种，当开采深度较大，地表移动在时空中有连续性的变化，并具有一定的规律。采空区范围在不断扩大的过程中形成了移动盆地，盆地会在范围不再扩张后形成裂缝为采空区边界。非连续性变形最常见的为地表裂缝，其一般平行于采空区发展，在地表浅层裂缝较大，逐渐向深部收窄。考虑到研究区域的实际条件，在布设测网时，为避免进一步破坏地层，将不在较薄地层处进行技术套管，而采用一次性成孔的方式一径到底，测线的布设尽可能垂直于采空区边界走向，经过野外实地勘查，部分区域受电磁干扰严重，其采集的数据没有参考性，因此不将此类区域作为勘查地点，不设置测线及测点，测线在布设上应与其他钻孔勘探线一致，在采空区边界将点距和线距的距离缩小，进行测网控制。将测线点距设为18米，线距设为50米，布置测点120个，测线布设15条，覆盖整个研究区域。

4.2 大口径钻探勘查地质

大孔径地质勘查有着不同的的取芯技术，在勘查地质前首先要进行钻头的选择，不同钻头所实施的钻进工艺也有所区别，直接影响着钻进效率，也是取芯的关键。本文选用牙轮钻头进行滚动碾压冲击碎岩，钻孔环状间隙大，利于取芯。由于破岩断面较大，要求钻机动力大，转速低，因此在钻探设备的选择上选择粗径钻杆，保证钻机钻进的稳定。在每次钻进结束后，将钻杆升至上次钻深位置更浅处，再缓缓将钻杆放至孔底，判断岩性是否为自然断裂，同钻杆连接取芯装置，确定岩芯到达楔块位置后进行记录，再将钻杆提升，再下放，以取芯装置的楔块冲击岩芯使岩芯折断，钻杆突然下降代表着岩芯已经折断，最后取出岩芯[2]。岩性能够真实反映岩石的自然存在状态，在地层较厚地区如果打井开孔发生孔斜，没有校正位置的空间时，可以分级换孔校正钻孔角度，根据取出岩芯的完整程度确定大孔孔深，利用岩芯管和钻杆外径相同的径的导向作用防止径孔倾斜，逐渐扩孔。随着钻孔深度的不断加深加入孔底钻具组，加大钻压和校正钻具，保证技术套管的孔底孔口的密封性，防止出现溜砂事故。采取合理的钻具结构，实行满眼钻具钻进，充分利用孔壁校正作用，扶正器是钻具的重要组成，具有耐磨的特点，同时有较多的支撑面，利于泥浆的循环。在钻探施工结束后，对采集的样本数据进行解译与分析。

4.3 数据的解译与分析

在数据的处理中力求能够真实地反映地层参数，将野外采集的数据输入到计算机内，建立有点、线、视电阻率等内容的数据文件，生成了深度电阻率数据，运用专业绘图软件绘制反演电阻率断面图，进行数据的编辑和校正，为下一步的数据解译打下基础[3]。反演电阻率断面图会产生诸多数据，提取不同深度的电阻率数据，进一步分析电阻率分布，以视电阻率等值线等值的变化反映矿山采空区地下地质体的变化情况，若等值线分布均匀，起伏不大，则表示地质体变化较小，若等值线分布不均匀，有一定程度的变形，形成了一定的高阻则说明地下地层岩性变化较大，存在不均匀的地质体。结合研究区域已有的地质数据和钻孔数据，生成富水性分布。根据钻孔资料对各测线的反阻率断面图进行标定。该图能根据测线方向上地层的电性变化特征，详细地反映地下构造及各种地质现象，可以大致推测采空区在该测线的平面位置及深度范围。本文在15条测线中选取了具有代表性的6号测线，将其进行解译并进行反演，具体断面图情况如下图1所示。

图1 反阻率断面图

由图1可知，上部反演电阻率较低，电阻率值较小，图中反阻率自下而上逐步递减，反映出其矿山地质的电性规律。该断面图中有4条断层，有两个采空区，其中在东部的采空区电阻率值和电阻率相对较低，分析认为该地区富水性相对较强，另一采空区位置未见明显电阻异常，分析此位置的采空区富水性较弱。

5 大口径钻井技术的应用及应用效果分析

由于矿山采空区地质环境较为特助，钻进施工时选用φ311mm硬质合金钻头开工，钻进过程中遇砂卵石层，换用更加坚硬钻头。钻进至200m处测斜，钻孔顶角发生变化，采用纠斜措施后，钻孔顶角变大。为防止钻进至卵砾石层出现掉块卡钻现象，套管上下部位均用水泥砂浆固定。水泥凝固后采用大口径钻探技术继续施工。经过对矿山采空区实际勘查，钻探施工最大孔深为350m，施工口径400~800mm。具体钻进过程：使用冲击钻机，确定钻口径为400mm，钻进至300m后确认已穿过卵砾石层，使用水泥砂浆封堵钻孔，更换钻头继续施工，直至终孔。钻机钻进20~30m，用带导向的φ311m扩孔牙轮钻头扩孔（需预留5m，方便下一回合纠斜），扩孔后用随钻仪测控，直至钻孔达到规定要求。

通过本文钻探获得的地质勘查数据，结合已有的研究区域的地质资料，将本次研究区域区分为三个部分，本次大口径钻探技术在采空区应用的成果如图2所示。

图2 勘查成果图

由图2可知，采空区范围较大，位于研究区域的西北部，采空区埋深约200米，从北至南的埋深逐步递增，根据充水性划分了采空区和采空积水区，采空区南部边界线为1200等高线。高阻异常区位于研究区域的南部，推测造成高阻异常的原因为上覆高阻岩层屏蔽的影响。非采空区在研究区域的东部和西南部各有分布，其东部矿产埋深更深，深度范围在310米-350米之间，该区域地质未受到开采和破坏。本文通过研究区域内的矿山开采地点进行验证，在矿山开采地点的调查中发现，位于研究区域西部的矿产开采地点的开采深度达200米-300米，积水深度达330米-350米，位于采空积水区，具体钻孔实测结果如表1 所示。

表1 采空区内矿山开采地点实测结果

由表1可知，本文在矿山开采区域进行验证，其验证结果与实际地质资料相符，验证结果与本文勘查成果图分析一致，说明本文方法具有有效性。

6 结语

本文将大口径钻探技术应用于矿山采空区的勘查中，通过验证结果表明了本文方法勘查效果较好，能够满足工作需求，取得了一定的研究成果。但由于时间和知识水平的局限性，还有诸多问题有待于深入研究，如数据资料的采集范围应该更加全面，收集更多的动态和静态资料，对不同的岩体设置不同的岩性介质力学参数。由于条件的限制，本文没有将研究区域内的所有采空区进行实测，所形成的数据还有待于在日后的勘查中不断修改与完善。随着大口径钻探技术的不断发展，未来的矿山勘查工作质量及效率将有很大程度地提高。