复杂地层煤炭资源勘查绳索取芯钻探技术应用与绿色勘查实践研究

王 红

（贵州省煤田地质局水源队，贵州贵阳 550081）

资源开采利用的历史过程都是从人员集中地开始，资源开采均由近至远，由浅至深，由容易到困难，由简单到复杂的过程。煤炭资源开采利用亦遵循这样的原则，在浅层和易采煤炭资源即将告罄的今天，深部煤炭资源的勘查和开采工作已经提上了议事日程。以贵州省2021 年全省重点矿产资源大精查工作而言，深部煤炭资源勘查工作已经受到省政府、省自然资源厅高度重视，最大勘查深度已经超过1300m。

1 研究区地理位置及交通概况

1.1 地理位置

研究区行政区划隶属贵州省六盘水市盘州市鸡场坪镇和淤泥乡，位于盘州市北部，距市政府驻地红果新城约52km，北起余家沟—绵羊坡—大沟边一带，南至箐龙湾—大槽子—杞山林一带，西起磨石沟，东至梨材林，东西长约5.00km，南北宽约0.90km，研究区面积为4.5368km2。盘州市内沪昆高速公路G60 镇胜段、G320国道、S314 省道、S317 省道、S217 省道、S318 省道横穿东西，S77水盘兴高速公路、G246国道、S218省道、S314省道纵贯南北。

1.2 交通概况

研究区距G60 沪昆高速公路30km，距S77 水盘兴高速公路10km，距G246 国道3km，“五横四纵一环线”公路网和100min 县域经济圈基本建成。沪昆高铁、贵昆铁路盘西支线、威红铁路、水红铁路在红果交汇，盘兴高铁正在建设，勘查区距红果火车站约50km。勘查区距离鸡场坪镇约5km，有镇村简易公路相连，基本形成了村村通、组组通的交通网络。交通十分便利。

2 研究区区域地质概况

2.1 地层特征

研究区出露的地层有：泥盆系中、上统、石炭系、二叠系、三叠系、第三系及第四系。缺失地层：上三叠统上部、侏罗系及白垩系。研究区地层分布复杂且岩性多变，成为引发煤炭资源钻探事故发生的决定性因素。

2.2 煤层特征

研究区内的含煤地层为二叠系上统龙潭组（P3l）和二叠系上统峨眉山玄武岩组（P3β）第二段，其中龙潭组（P3l）：地层厚309.65～360.22m，平均341.0m。含煤47～66层。含煤总厚37～47m，含煤系数12%。含可采煤层17 层，可采总厚23.86，可采含煤系数7.1%。可采煤层主要分布在含煤地层上段和中段的上部、下段的下部。煤组上段的可采煤层为薄—中厚层，结构一般较简单，煤层厚度及其间距多数比较稳定；这段可采煤层为中厚煤层，结构较简单—较复杂，煤层厚度及其间距有一定变化；下段可采煤层多为薄煤层，结构复杂，煤层间距比较稳定、而煤层厚度变化较大。二叠系上统峨眉山玄武岩组（P3β）第二段：根据邻区松河井田资料，此组厚4.50～39.00m，平均16.60m。含煤0～7 层，煤层厚度有一定变化，结构较复杂。

2.3 区域构造特征

区域构造整体上位于羌塘—扬子—华南板块（一级分区，Ⅳ）扬子陆块（二级分区，Ⅳ-4）上扬子地块（三级分区，Ⅳ-4-1）威宁隆起区（四级分区，Ⅳ-4-1-1）威宁穹盆构造变形区（五级分区），控制本勘查区的北西向土城向斜（与之平行同时同组形成的还有如白央坪背斜、照子河向斜等），走向北西60°，其往西北延伸渐转向北，有复合于南北向构造带上之势；往东延伸则往南又往北东，转了一个大弯再往北翘起。显然是威宁穹盆构造变形带影响的结果，也是影响后期煤炭资源钻探深度的主要因素。

3 复杂地层煤炭资源勘查绳索取芯钻探技术选用原理

纵观我国煤矿行业发展，煤炭资源开采属于重要问题，难度比一般的工程要高，同时开采实施的过程中还要结合复杂多变的地质环境。因此，进行煤炭地质勘探工作实施的过程中会遇到各种问题，最为严重的就是深孔钻探。所以说在煤炭地质钻探过程中对于选用合理钻探技术的研究是极为重要的。

绳索取芯是当前岩芯钻探中最普遍的钻进方法之一，这是在钻进过程中，当岩芯管装满岩芯或岩芯堵塞时，不需要把孔内钻杆提出地表，只需要钢丝绳连接专用打捞工具，就可以把内岩芯管从钻孔柱内取出。可以减少对孔壁的扰动，有利于孔内安全和快速钻穿复杂地层。因此绳索取芯钻探技术具有操作简单、钻进效率高、劳动强度低、岩芯采取率高、具有较好的稳定性等优点，适合深部煤炭资源勘查工作的开展。

结合研究区地层分布复杂且岩性多变、煤层厚度及结构较复杂，区域构造较复杂的特征，在研究区煤炭资源勘查项目中使用绳索取芯钻探技术合理，能满足项目开展需求。

4 复杂地层煤炭资源勘查技术应用

4.1 钻孔布置

充分利用已有勘查线及钻孔资料，坚持一孔多用，兼顾施工条件，在满足规范要求的前提下，合理地确定终孔层位，减少钻探工作量，本次收集利用了附近的煤层气钻孔，以此为基础按照垂直地层走向的原则布设勘查线，以此勘查线为基线按基本线距和孔距向勘查区两边分别布置工作量。按勘查线垂直地层走向，由北往南、由西向东在勘查线1～8 线上布置钻孔9 个，初步设计总进尺9980m，研究区深部煤炭资源勘探设计钻孔设计见表1。

4.2 钻孔设备选型

研究区计划投入8 台套钻机设备，其中4 号钻机完成2 孔（101 孔、501 孔）钻探施工，设备经过专家论证，选用的设备满足经济性、安全性要求，根据钻探工程布置情况及布置的钻孔深度分布情况，本次勘查尽可能采用可拆卸的模块化工器具，本工程拟采用的钻机装备为XY-44、XY-5 机型。勘查钻机主要设备见表2。

4.3 钻探事故预防

安全钻进及预防事故的意义在煤田地质钻探施工过程中常常会遇到一些水敏性强的岩层，裂隙、岩溶、断层、松散易坍塌的岩层，以及第四纪冲积层等复杂地层。处理深部煤炭资源勘查钻探事故尤其重要，孔内事故一旦发生，就要积极采取处理措施，力争尽快排除，迅速恢复正常钻进。尽管岩层条件多样化，孔内情况各异，孔内事故的种类繁杂，事故性质和具体情况错综复杂，处理方式不同，但处理事故有其共同的原则，归纳起来有以下几条：

（1）机上余尺要记清楚。在正常钻进中，若发生孔内事故，就要及时量准机上余尺，确定发生事故的孔深和具体位置，并要清楚孔内情况和发生事故前的征兆。

（2）要清楚事故头。在正常钻进中，如发生钻杆折断事故，应根据提出孔外钻具和其他有关标志，设法摸清事故头的位置上、断头形状、孔内留存钻具数量等以便于确定处理方案和打捞工具。

（3）要摸清孔内情况事故发生后，要分析事故发生的原因和性质并弄清楚孔内情况，如钻孔结构、孔壁稳定性、有无坍塌掉块层段、冲洗液循环等。

（4）班报记录一定要清楚准确事故的处理过程，必须要指定专人做好班报记录工作。班报记录准确与否，直接关系到确定事故的处理方案和应采取处理措施的成功与否，因而在处理过程中，一定要把钻具数量、结构、规格、打捞工具以及处理过程中所发生一切现象，一一记录清楚，同时做好交接班工作。

4.4 技术应用效果

研究区钻探工作严格按照钻探管理规范要求标准化管理，并在安全方面、质量方面严格把关，从钻机进场到开孔以至后期钻进过程中原始资料记录等都全面介入管理。对钻孔验收严格按照《矿产地质勘查规范煤》(DZ/T0215-2020)及《固体矿产地质勘查规范总则》GB/T13908-2020执行。钻孔钻进过程到钻进结束，在监理监督管理下完成编录采样等工作，钻机进尺。钻孔施工深度超过1300m 的孔有三个，平均施工日小于两个月，证明绳索岩芯钻探技术在深部煤炭资源勘查中具有独特的优势。

5 绿色勘查实践研究

5.1 绿色勘查实施目标

研究区严格执行绿色勘查规范，为保障勘查过程与结果达到规范要求，对参与勘查工作人员进行了相应的绿色勘查规范学习培训，野外初步踏勘阶段、场地平整阶段、钻探设备搬迁、施工场地布置、复垦复绿等均达到绿色环保。确保全勘查流程符合绿色勘查要求和规范，绿色勘查施工现场如图1所示。

图1 绿色勘查施工现场照

5.2 绿色勘查实施方案

为达到绿色勘查目标，研究区采用绿色勘查方案为：

（1）钻机搬迁路线的确定：搬迁路线的确定原则是“少破坏，少砍伐”。搬迁路线确定时由施工部邀请钻孔所在地村委会、土（林）地所有人共同参加，制定最优方案；

（2）修路：修路宽度按够用的原则进行修建，若钻机搬迁过程中对原有道路有压坏、压坑等情况，必须将道路进行加固或填平，恢复到钻机搬迁前的状态；

（3）钻机平场：在钻孔位置确定后，机场所处位置有林木，则根据林木所有人意见砍伐或移栽，平场前在施工区域设置警示牌，并用彩条布划定警示区域；开始施工后，采用分层挖掘，地表腐植层、粘土层、小块碎石层、大块碎石分开堆放；

（4）场地防污处理：场地平好之后先用土工布布铺在最下层吸油污，尤其是柴油机和钻机动力设备下面应做加厚处理；

（5）水池挖掘：所有钻孔全部采用水池底部铺彩条布进行防漏处理，清水池中放置稻草或者活性炭等吸附渗漏油污；

（6）钻机用电：钻机用电一般采用柴油机发电，不使用时要关闭，减少排放及噪音污染；

（7）钻孔洗孔：钻孔洗孔尽量采用清水，遇有需要使用护孔剂时报钻探施工部备案，经同意后方可使用；

（8）钻机场地：钻机场地原则上能小则小，尽量将材料堆放区合理利用，减小植被破坏面积，钻孔施工完成经地质人员验收合格后，进行钻机拆卸及岩芯搬运，机场铺垫用砂石必须回收做下一个钻孔使用，彩条布根据使用情况回收或做废物处理。机场根据原有用途做恢复处理；

（9）水池回填：水池回填先回填大块岩石，再填小块碎石然后再回填粘土，待水池填平后用原有腐植土层覆盖，种树或撒草籽，若为耕地，回填要邀请土地所有人一起验收；

（10）垃圾处理：钻孔施工完成后，必需将所有垃圾分类集中处理，废水根据污染情况由钻探项目部制定处理方案；

（11）噪音处理：钻机机场施工进行必要的减噪措施，尽量降低对周围生物及附近居民的影响，共建和谐生态；

（12）固废运转：要求施工结束后将钻井液尾浆回收，外运到就近的固废处理中心集中进行处理；

（13）环境恢复：结合施工前的土地类型，恢复为原土地类型或者是高于原土地类型。根据研究区踏勘结果，401、502、601钻孔所在位置为耕地，602、801钻孔所在位置为草地，101、501 为林地、301、302 为坟地，钻孔施工土地复绿措施具体详见表4，钻孔施工前、中、后绿色勘查效果展示如图2所示。

图2 绿色勘查钻孔施工前中后效果图

表4 钻孔施工土地复绿措施一览表

5.3 绿色勘查实践效果

为适应国民经济发展的需求，合理开发、利用矿产资源，同时顺应习近平总书记“绿水青山就是金山银山”的环境保护理念。依据相关法律法规和资源环境各类标准，运用先进的找矿手段、方法、设备和工艺，采取一系列优化、防护、限制和恢复治理措施，使煤炭勘查活动对生态环境的扰动控制最小化。绿色勘查可以做到对环境影响控制在最小化；根据实地踏勘情况优化施工部署，控制和减少对原地貌、地表植被、水系的扰动和损坏，保护原地表植被、表土及皮层，减少占用水、土资源，提高资源利用效率；做好岩土渣、各类材料围护、边坡管控等，防治扩散以造成对土地压占并引发灾害；对施工人员及技术管理人员进行环境保护知识、技能培训，增强环境保护意识，切实落实绿色勘查要求；施工结束后，应按景观相似原则进行场地恢复治理，达到环境、生物修复一体化建设。

6 结论与建议

（1）煤炭地质钻探过程中，选用钻探技术的研究是极为重要的，结合研究区复杂的地层结构及煤层多而薄的特点，绳索取芯钻探技术具有钻进效率高、取芯率高、减轻劳动强度、打捞速度快等优点，适合深部煤炭资源勘查工作的开展。

（2）研究区9 个钻孔中，钻孔施工深度超过1300m的孔有3个，平均施工日小于两个月，证明绳索取芯钻探技术在深部煤炭资源勘查中具有独特的优势。

（3）煤炭资源勘查保证绿色勘查的实施，可以做到对环境影响控制在最小化、控制和减少对原环境的扰动和损坏、达到保护环境、生物修复一体化建设。

（4）提升装备整体现代化和信息化服务水平，是新时代地质勘探工作可持续发展的必由之路，是践行“绿色发展、绿色勘查”的重要体现，是新时代自然资源管理的新要求和未来发展趋势，是新时代地勘行业转型、高质量发展的内在需求。