矿山地质条件分类及地质钻探方法研究

地质勘探
G eological prospecting
矿山地质条件分类及地质钻探方法研究
夏清阳，施健雄
摘要：随着我国经济和社会的高速发展，对各种矿产资源的需求量持续增加，各种矿产资源开采工程不断增加。

在各种矿产工程作业过程中，矿山地质分类和地质钻探工作发挥着非常重要的作用，一旦出现相关工作没有做到位的现象，就难以保证矿产开采质量。

为此，笔者将要在本文中对矿山地质条件分类及地质钻探方法进行研究，希望对促进我国矿产开采事业的发展，可以起到有利的作用。

关键词：矿产地质条件分类；地质钻探；方法研究
水文地质钻探是地质勘探的重要组成部分。

在我国当前的发展过程中，水文地质钻探技术发展非常迅速。

只有持续不断发展水文地质钻探技术，才能为资源勘探工作的正常进行，奠定一个非常好的基础。

本文中将对地质钻探技术现状进行简单的介绍，然后直接引出地质钻探技术的发展情况，对水文地质钻探技术进行有效的分析介绍，然后对该技术的发展，进行一定的展望。

另外，在文章的前部还需要对矿山地质条件进行分类，针对不同的矿山地质，采用不同的矿产开采作业方法，最大程度保证作业效果。

1 矿山地质条件的分类
1.1 简单矿山地质条件
在矿山当中，百分之七十的矿层位于地下水位以上，矿坑进水边界条件相对比较简单，冲水层含水层富水性差，地下水集中径流，与地表水联系不是非常密切，矿坑的正常涌水量小于3000m3/d，地下采矿区域冲水层的破坏相对较小。

矿床围岩主要以巨厚层状整体结构为主，岩溶裂隙带发育情况不够理想，岩石存在弱风化的问题，采空区距地表残积层的距离要小于5m，矿层顶底板稳固性好。

矿山地质构造相对比较简单，矿层和矿床围岩倾角要小于36°，断裂构造不发育，断裂带对采矿活动开展影响相对较小。

地貌单元类型相对比较单一，地形条件可以让百分之七十以上的开采都可以自然排水。

1.2 中等复杂程度地质条件
其中70%矿层体位于地下水位线以下，矿坑的进水边界条件中等，充水含水层和构造破碎带、岩溶裂隙发育带富水性较为中等。

矿坑正常涌水量保持在3000m3/d～10000m3/d，地下采矿工作开展过程中容易导致充水含水层破坏情况的发生。

矿床围岩岩体以薄-厚层状结构为主，蚀变带、岩溶裂隙发育情况中等，局部存在软弱岩层，采矿区距地表残坡积层、基岩风化破碎带大约5m～10m，矿层顶底板和矿床围岩稳定性较好。

矿山地质构造相对比较简单，矿层和矿床围岩岩层倾角在36°～55°，岩层产状变化相对较大，导水断裂带的导水性较差，对井下采矿安全，构成了一定的影响。

地貌单元类型集中在2个～3个，地形条件可以让30%～70%开采矿体都能够正常排水，主要硐口斜坡与岩层斜交。

1.3 高复杂程度地质条件
其中70%矿层体位于地下水位以下，矿坑进水边界条件相对比较复杂，充水水源数量相对较多，充水含水层和构造破碎带、岩溶裂隙发育带的富水性较强，老窖水威胁相对较大，矿坑的正常涌水量会超过10000m3/d，地下采矿容易导致含水层破坏现象的发生。

矿床周围岩体结构以碎裂结构、散体结构为主，岩石风化现象比较严重，采空区距地表残坡积层、基岩风化破碎带的距离大于10m，矿顶底板和矿床围岩稳固性相对较差，矿山工程场地地基稳固性较差。

地质构造相对比较复杂，矿层和矿床围岩岩层倾角会超过55°，岩层产状变化相对较大，导水断裂带切割矿层围岩、覆岩和主要含水层，对井下采矿安全，构成了非常直接的威胁。

地貌单元的数量会超过3个，地形条件可以让30%以下矿体开采过程中可以自然排水，主要硐口斜坡与岩层倾角相同。

2 地质钻探技术现状及意义
当前，地质钻探在地下水研究过程中，是一种非常有效的研究手段。

因此，各种地质钻探方法和技术越来越受到水文工作的重视。

尽管地质钻探技术在地质勘探中应用非常广泛，但由于设计技术不能得到及时的更新，导致整体技术水平相对较低。

例如，在实际作业过程中，需要依赖进口动力钻头，金刚石绳索钻探取芯虽然在国内得到了广泛的应用，但相关操作技术还相对比较落后。

虽然一些新的地质钻探技术逐渐在勘探工程中进行应用，但涉及范围还相对较窄。

国家在钻探地质技术研究中已经投入了较大的力量，但国内钻机研制能力与国外相比，还有着较大的距离，导致地质钻探过程中各种问题相对较多。

因此，应该在地质钻探技术的研究中，投入足够多的力量，通过对先进技术的应用，来缩小与国外钻探技术的差距。

地质钻探技术涉及范围相关较广，其中经常会包括矿产资
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源、地质状况和地下水开发等。

因此，在地质钻探技术发展过程中，对人们的生活和生产造成了不少的影响。

地质钻探在各种地质试验中的应用相对较多，是开展地质测绘、物探成果检测的重要手段。

伴随着地质钻探作业的不断发展，地质钻探工作在矿产勘察中的作用越来越明显。

各种地质钻探设备的非常沉重，各种施工技术应用非常复杂，直接导致矿产地质勘察项目的投资相对较多，需要认真做好地质钻探技术的研究工作。

3 地质钻探技术与方法
在实际开展地质钻孔的过程中，经常会遇到各种硬度的岩层，需要根据不同的岩层合理对钻进方法进行选择。

其常用的钻进方法包括正循环钻进、反循环回转钻进、冲击回转钻进、机械冲击钻进等。

（1）正循环回转转进主要包括钻机就位、初钻、钻进速度、泥浆性能及孔位置准确性。

在实际设定钻进速度过程中，需要根据土层性质来进行调整，例如在粘质土钻进过程中，由于泥浆粘性较大，需要在正循环钻进过程中，使用尖底钻锥、中等转速、大泵量和稀泥浆钻进。

在实际作业过程中，需要认真做好以下的工作：①根据钻孔直径和深度认真做好相关钻具的选择工作，并按照GB9808-9812标准来选择钻具规格、质量和相关技术。

钻进过程中，应该及时对钻杆进行更换，浅孔可以直接在轴上换下，深孔可以采用抽中间换两头的方法交替进行使用。

如果需要钻孔换径，可以使用异径导向钻进行钻进，导向钻具长度应该保持在3m～5m。

在大口径钻进过程中，如果孔内冲洗液的上返速度达到了0.1m/s，应该在钻具当中增加粉管，并在钻进结束后，及时开展冲孔捞渣处理。

钻进过程中，应该紧密关注孔内情况的变化，如果出现了回转阻力增加、负荷突变、泥浆压力不足、憋泵等问题，应该及时采取措施进行处理，如果处理效果不良，就需要及时提钻检查。

如果需要停钻，则钻具不得停放在孔底，必须将钻具提升到孔外。

②在牙轮钻进技术参数调整过程中，应该能够达到岩石破碎强度相关要求，并结合设备能力和钻具强度合理进行选择。

钻头的线速度应该保持在0.8m/s～1.5m/s，如果遇到了卵砾石层，可以将其降低到0.6m/s。

如果地层情况相对比较完整、硬度较低，应该适当提升钻头线速度。

（2）反循环回转钻进。

反循环回转钻进是指携带岩屑的钻探介质经过钻杆内孔返回地面的钻进方法。

其与常规循环方式相比，反循环钻进上返速度会更快，携带岩粉的能力更强，在孔底被钻下的岩石可以被快速返回地表。

（3）冲击回转钻进。

在冲击回转钻进的过程中，其是利用冲击及回转两种方式来同时对岩石进行钻探，需要在回转钻柱下端及取芯钻具之间安装潜孔冲击器，从而能够实现冲击脉冲、轴向钻头压力、钻杆回转扭矩，能够同时实现钻进和采取岩心。

该技术在实际应用过程中，能够有效保证硬岩层转速及回次进尺的长度，降低钻孔弯曲变形量，进一步减少钻探成本。

（4）地质观测。

在开展地质观测工作过程中，主要是对钻探中各种地质资料进行记录。

其详细的内容包括监测钻孔水位变化、冲洗液漏失情况、涌水位置、出水量、水温异常、大裂隙、流砂以及钻具突然掉落。

在实际开展观测工作中，应该做好以下的工作：①观测水位变化。

在开展水位观测工作中，经常会遇到以下两种情况，一种是清水为冲洗液，需要间隔五分钟对钻后、下钻前水位量进行测量，如果出现了严重的漏水现象，应该采用近似稳定水位观测法。

另外一种采用泥浆为冲洗液，钻孔作业过程中不必观测水位变化情况，其主要测量方法是在冲洗液钻进过程中，应该对孔内水位变化情况进行判断。

②观测冲洗液消耗情况。

在开展水文地质钻探工作过程中，冲洗液变化量可以直接反映透水性变化情况，需要认真做好冲洗液观测工作。

如果钻孔穿透含水层底板，一旦出现了冲洗液大量消耗及漏失的现象，就需要每隔10min～30min对冲洗液消耗量以及漏失情况进行观测。

③观测地质构造活动。

对于那些地质活动活跃地区，为了对断层位移和地应力场变化情况进行监测，可以使用精密水准仪来测量大地的变形量，并对垂直活动断层带，定期进行短水测量，同时设置必要的地震台网，对地震活动进行监测，从而有效对区域构造稳定性进行分析。

4 认真做好钻探作业管理工作
4.1 建立更加完整的组织管理机构
现场管理是一项非常系统的工作。

在实际管理的过程中，往往会遇到多方面的因素，例如施工人员、财、工程质量等。

在实际进行管理的过程中，需要建立严格的管理体系和制度，严格落实相关人员的管理内容和职责，保证各项钻探施工管理工作可以有效落实到位。

4.2 认真做好对施工人员的培训工作
在开展水文地质钻探施工的过程中，施工人员发挥着非常重要的作用，一旦其人员素质不能得到保证，就会直接影响到施工效果，这就需要认真做好施工人员的培训工作，并认真做好以下三点：①保证形式的多样化程度。

②应该对各种方法灵活进行应用。

③保证所有成员都能参与其中，在每个人的脑海当中都应该形成良好的质量意识，保证其能够有效适应各种施工任务。

4.3 认真做好施工组织工作
由于施工现场的特殊性，施工环境往往比较复杂，如果对这些施工因素不能进行良好的控制，就容易导致施工混乱情况的发生。

因此，管理人员应该充分做好施工组织工作，根据施工进程的实际情况，来进行针对性的调整，按照标准要求来完成每个工序施工，最大程度保证工程施工质量。

4.4 加大监督力度，加强工程施工整改力度
人是工程施工的重要因素，建立一支高素质的施工队伍是
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非常关键的。

在开展工程施工队伍的建设过程中，管理人员应该尽量建立一种荣辱与共的工作氛围，让所有员工都应该感受到团队的凝聚力。

对于表现突出的管理人员，应该及时进行奖励，将工程监督的作用充分发挥出来，充分保证工程施工质量。

4.5 做好孔深校正施工，将孔深误差控制在合理的范围之内
施工人员应该充分做好深孔的校正工作，在深孔钻达到五十米之后，或者遇到了主岩层，就需要合理使用钢卷尺等钻具，认真做好孔深的校正校验工作。

在校正检验结果出来之后，一旦发现孔深误差超过了千分之一，就需要施工人员及时采取相应的措施。

为了保证施工质量，应该保证施工人员所使用的铁尺等工具满足相关质量要求，如平整度等，能够定期开展校正工作。

认真做好封孔质量控制，保证地质钻孔施工效果。

在开展封孔施工作业过程中，施工人员应该认真做好以下的工作：①详细了解设计书的实际情况，明确工程设计和封孔施工的相关要求，能够合理选择合适的水泥开展封孔作业，并在孔口处设置相应的标志，直接标明孔号、孔深、施工日期等参数信息。

②在使用冲洗液的过程中，应该遵循自上而下的顺序，并认真做好封闭孔段的清洗作业。

施工人员应该选择强度等级高的架桥材料，并将其固定在预定的孔深，从而发挥必要的隔离作用。

水泥与清水应该采用合理的比例进行搅拌，并使用泵送的方式来进行冲洗。

5 当前水文地质钻探技术的发展方向
随着时代的不断发展，水文地质钻探技术发展非常迅速，一些先进的技术不断应用到施工过程中。

5.1 液动冲击回转钻探技术
在这种技术的应用过程中，进一步加强了洗井液的驱动作用，并在回转技术的基础上增加了潜孔锤的使用效率，将潜孔锤的潜能更进一步发挥了出来。

通过这种技术的应用，进一步增加了钻探动力，提升了钻探技术应用效率，在实际工程中的应用不断增加。

5.2 绳索取芯钻探技术
通过对这种地质钻探技术的应用，可以有效提升岩心的提取率，可以在很大程度上减少设备的提升次数，降低了设备的损坏率，技术的适应性也相对比较强，在很多地质条件下都可以进行使用。

5.3 空气钻探技术
在这项技术的应用过程中，其是以压缩空气作为介质的，然后直接冲洗来钻出空洞，然后在该基础上增加了钻探中破碎岩石的力量，这对提升钻探工作效率，是非常有益的，可以有效缩短钻探过程所需时间。

5.4 反循环钻探技术的应用
钻探冲洗液自孔口经钻杆与孔壁间，或双壁钻杆的内外管之间的环状空间向下行，到达孔底后又从钻杆或双壁钻杆内管上返到地表的一种相反方向循环方式的钻探和取样技术。

冲洗液介质可以是水、泥浆或空气。

在该技术的应用过程中，其主要采用水力反循环和空气反循环，需要根据介质的不同，合理对技术进行选择。

在空气反循环钻孔的过程中，经常采用空气介质，空气在这个过程中，容易出现膨胀的现象，并产生冲击力，这样就可以驱动孔底的潜孔锤进行运动，岩石在潜孔锤的作用下，会产生岩屑，并在空气的带动作用下，岩屑就会通过钻杆中心返回到地面，方便勘探人员及时对这些岩屑进行收集、分析处理。

在水力反循环钻孔的过程中，其采用泥浆或者水作为介质，但是相对于空气反循环技术，其对资源的消耗会更多一些。

这两个技术在地质勘探取样中的应用比较多，如在锚固施工、松软塌陷表层以及水文水井地质勘探当中。

5.5 其它钻探技术
除了上面提到的钻探技术之外，还有比较多的新材料和新工艺。

例如，为了有效在水资源缺乏地区开展钻探，就可以采用节水钻探技术，其在具体的应用过程中，能够进一步减少对水资源的使用。

此外，还可以认真做好新钻头的开发工作，例如可以使用超声波技术来制作金刚石钻头，这样可以有效保证生产效率，进一步提升钻头的使用寿命。

该钻头和普通的地质钻探钻头相比，其钻进速度可以提升百分之二十以上。

此外，通过在钻进过程中使用新型冲洗液，可以很好解决冲洗液在钻杆内部产生的污垢问题，进一步延长钻头的使用寿命。

当前泥浆材料技术发展非常快，通过对这些先进泥浆体系的应用，能够进一步提升钻进的效率，降低工程施工成本。

6 结语
随着时代的不断发展，对开展矿产开采工程，提出了更高的要求。

为了保证钻探作业质量，应该认真做好矿山地质分类和地质钻探技术方法研究工作，根据矿山地质的实际情况，合理对相关钻探技术进行研究，保证钻探作业工作开展效率和质量，避免各种钻探安全生产质量事故的发生。

另外，还应该进一步加强对先进钻探技术的研究工作，充分保证钻探工作效果。

（作者单位：中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司）
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