矿山水文地质工程钻探关键技术研究

吕杰

（武汉中地环科水工环科技咨询有限责任公司，湖北 武汉430205）

中国矿业在实际开发和生产的过程中，地质钻探工作一直都是最不可或缺的一个环节，而在地质工程开发工作中，最重要的构成部分就是水文地质钻探工作。基于此，为了保证水文地质钻探工作的顺利进行，就要应用相应的关键技术，以矿山地下水层的实际发育特征为主要依据，进而对钻探设备的实际需求进行全面分析，提出钻探设备的优选方法，并实时设计钻孔大小和间距等施工参数。

1 钻探施工设计与设备优选

在设计钻探施工的过程中，必须要以工程水文地质资料作为主要依据，并且将其全面结合进来。在保证钻探施工条件合理性的前提下，不但要对钻孔的结构和钻孔的方法进行实时设计，还要对泥浆的体系和钻柱的结构进行全面设计。此外，还要对钻探参数的设定以及钻探设备的优选进行相应的设计，进而使钻探施工效率得以全面提高，使施工的质量得到保证，有效控制施工成本。在对钻探施工进行实际设计的过程中，工程的水文地质因素对其有着非常重要的影响，其主要的影响因素不仅有矿山地层结构、地下水和含水层岩石特性，还有岩体构造、岩石力学和矿物成分，不仅如此，还有实际的地质风化和地质构造因素。其中，在进行钻探施工设计的过程中，主要考虑的因素就是矿山地层结构。

在对钻探施工进行实际设计的过程中，还要对工程水文地质的岩石力学因素进行重点考虑。在钻探施工开展的过程中，经常会破坏原有的地下岩石结构，就会产生人工应力干预下的岩石力学特征，而对于此种岩石力学特征而言，其会严重影响到实际的钻孔工艺，与此同时，钻孔的速度和质量也与岩石的硬度和轴向应力息息相关。

对于工程地下水构造而言，其实际的构造比较复杂，不仅有含水层，还有隔水层，此外，还有顶板，而如果出现了溶解性的地下水构造，或者是破碎性的地下水构造，就会严重影响钻孔的稳定性，而且还会严重影响到孔内的清洁度。因此，在实际设计钻孔轨迹时，要将其作为主要的依据。

含水层主要的岩性特征包含岩床的分布特征、岩层的序列特征和岩石的裂隙特征。而这些特征都与钻孔的深度设计和钻具的选择有着密切的关系。在实际钻探施工的过程中，钻速不但会受到工程岩石纹理的影响，还会受到岩石种类和颗粒大小的影响，不仅如此，岩石的具体密度也会进一步影响到实际的钻速，在对钻速施工参数进行实际设计的过程中，要以其作为主要依据，进而进行科学的设计。在矿山水文地质工程钻探施工过程中，其并不会涉及到这三个要素，即便是涉及到也可以忽略不计。首先是矿物成分，其次是地质构造，最后是地质风化，因此，这里不作过多的说明。在对钻探施工进行实际设计的过程中，必须要对以上提出的水文地质特征进行充分的考虑，进而使施工设计的合理性与科学性得到根本性的保证。

在对钻探设备进行实际选择的过程中，其选择的合理与否，不但与钻探施工的效率息息相关，还与实际的钻探施工质量有着直接的关系。需要将工程的岩石条件全面结合进来，进而对钻探设备进行科学合理的选取，其中钻机选择的最主要依据就是孔深的设计深度。在钻机选择的过程中，要以实际的系数作为主要的依据，进而进行选择，而且要以该选择系数计算公式作为依据，即：

式（1）中：L为选择系数；H为在实际钻探施工设计的过程中具体的孔深；N为指钻机的能力。

选择系数要在0.5～1.2区间内选取，如果实际的工程水文地质结构非常复杂，则选择系数选取得要尽量大一些，而且取值尽量保证趋近于1.2；如果实际的工程水文地质结构相对稳定，则选择系数选取得要尽量小一些。

2 地层压力预测技术

在实际钻探的过程中，由于发生事故的程度不同，可以进一步对矿山水文地质进行分类，具体如图1所示。

图1 矿山水文地质分类

孔内实际的情况复杂程度会直接受到地层压力变化的影响，因此，应用地层压力预测技术，使矿山水文地质工程的钻探施工安全性和高效性得到根本性的保证。在对矿山地层压力进行实际预测的过程中，保证预测的精准性，可以使钻探过程中孔内压力的平衡得以保持。地层压力预测的方法有很多种，例如仪器探测法、现场水压探测法、超声探测法、密度调整法。以矿山水文地质工程的钻探需求为实际依据，采用密度调整法最为合适。该方法不但预测精准，还具备操作简单的特点，因此，被广泛地应用到矿山水文地质工程的钻探施工中来。在应用该技术的过程中，要以该计算公式作为主要的依据，即：

式（2）中：ρm为泥浆的厚度；Pt为孔内的疑似压力；H为预测层的孔深。

基于式（2），对工程地层的压力进行计算。

3 孔内事故预防与处理技术

在实际钻探的过程中，由于会破坏原本的地质结构，进而使孔内事故的发生概率进一步增加，因此，在钻探关键技术中，孔内事故预防与处理技术也是非常重要的一项技术，在实际钻探施工的过程中，采用合理的预防措施可以使孔内事故的发生概率进一步降低，进而使钻孔报废的情况得以避免，进而使钻探施工的经济损失得以减小。就以往的钻探施工经验而言，发生概率最高的事故就是卡钻，而且其实际的处理难度非常大，其发生的根本原因有沉沙卡钻、坍塌卡钻、缩径卡钻。在对该类事故进行预防和处理的过程中，要以卡钻的位置为实际的依据，应用相应的计算公式得出卡钻的位置，即：

式（3）中：H为钻柱最上的一个卡点深度；k为计算的系数，在k取值的过程中，其不但与绳索取心管的规格息息相关，还与其力学性能和材质有着密切的关联；L为没有被卡住的部分连续上提时的平均伸长；P为钻具没有被卡的部分连续上提的平均拉力。

基于式（3），计算出孔内卡钻事故发生的具体位置，进而采取具体的处理措施。在实际钻探的过程中，如果发生了卡钻事故，则要以司钻规定的吨位范围作为主要依据，进而对钻具进行活动，设法将循环建立进来，进而使卡钻的问题得以解决，使钻探的施工安全性和稳定性得到根本性的保证。

4 结语

总而言之，本文对矿山水文地质工程钻探关键技术进行了深入的研究和探讨。对于矿山水文地质工程钻探施工而言，其不但具有一定的施工难度，还具有一定的施工复杂性，因此，在矿山水文地质工程钻探施工的工程中，要以实际的施工需求作为主要的依据，进而对钻探关键技术进行深入的探究，进而使矿山水文地质工程钻探施工的安全性和稳定性得到保证，最终使矿山水文地质工程的钻探施工得到更大程度的发展。