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矿山水文地质工程钻探关键技术研究

发表时间：2020/8/19 来源：《基层建设》2020年第10期作者：刘玉

[导读] 摘要：在地质找矿中，钻探技术作为地下信息探寻、圈定矿物体量、评估品位的唯一技术手段，在我国拥有长久历史。

        核工业井巷建设集团有限公司浙江湖州 313000
        摘要：在地质找矿中，钻探技术作为地下信息探寻、圈定矿物体量、评估品位的唯一技术手段，在我国拥有长久历史。钻探取芯可帮助了解特定地区水体、土质、岩体等方面力学和地质变化参数，及固体矿产、金属信息等。随着我国经济的快速发展，对于自然资源的需求，逐年上升。由于我国的资源储备位于地下深层，所以钻探技术显得尤为重要。本文围绕钻探技术类型和它在水文地质中的实际应用展现将做相应讨论。
        关键词：地质钻探；钻探技术现状；钻探方法与应用
        1引言
        虽然我国在地质勘探上有悠久的历史，但是因为技术条件和设备水平等原因，勘探工作仍有很多问题。目前状况而言，我国大部分钻探工作使用机械为上个世纪八十年代普及的XY系列钻机。另外，这种钻机虽经过多次改善但还是呈现指示表简易、精确度差等问题。大多数常用钻探机器缺少监测功能，使操作人在机械应用中，不能有效精确操控。随着绿色勘探的践行，模块式全液压钻机逐渐在矿山施工中得于实现，有效解决以上在钻探施工中出现的问题。
        2矿山常见钻探技术
        2.1绳索取心钻探技术
        绳索取心基本原理着重于不提取钻杆取岩芯。在岩矿心堵塞或岩矿心充满钻具内管的情况下，利用绳索打捞岩芯，免除钻探过程中，孔内钻杆提出地表的步骤，减少升降频率，提高钻探效率。这种技术减少了工人劳动强度，改善劳动条件，降低成本，减少施工机械损耗与动力消耗，在固体矿产钻探、工程地质钻探、石油天然气钻探等都普遍使用。
        2.2液体潜孔锤钻探技术
        液体潜孔锤技术专题研究始于1958年，历时25年，将研究成果YZ54Ⅱ型、射流式SC54型等液动锤分别通过所属部门鉴定，并投入施工应用得以推广。其机动原理是基于回转钻探上，安装在钻杆与钻头之间，利用配套泥浆泵，输送冲洗液驱动液动潜孔锤，增加钻头冲击负荷达到高效率钻进。且潜孔锤对于泥浆要求颇高，需保证泥浆润滑性能佳、含沙量不大于0.1%、密度在1.1g/cm3。新一代SYZX75和SYZX95型绳索取心液动潜孔锤，创新性地使用约束变形理念，简化钻具结构，保证其传功密封效果，极大程度上提高自身可靠性和工作寿命。同等条件下，与普通绳索取心钻具相比，新型绳索取心液动潜孔锤将完整地层回次满管率调高至95%以上，破碎地层回次长度调高至70%以上。
        2.3反循环钻探技术
        反循环钻探技术可通过水力或空气两种介质循环所产生的冲击力，获取岩芯。具体而言，水力反循环技术主要使用泥浆或清水作为循环介质，利用双壁钻杆将介质经管隙输送至孔底，再将钻头提升，把所提取的柱状岩芯由内管中携至表面。空气反循环技术是使用压缩后空气作为介质，利用双壁钻杆，使空气经内外管隙运输至孔底，利用压缩空气膨胀产生的巨大负荷击碎岩矿心，再将岩碎经双壁钻杆中返至地表。这种技术可根据地质差异性，进行单一或多种介质反循环钻探，克服了技术自身局限性并扩大适用范围。
        3矿山水文地质工程钻探关键技术控制
        针对矿山地下水层发育特征，对矿山水文地质工程钻探施工对钻探设备的需求进行了分析，提出钻探设备优先方法，并且对钻孔大小、钻孔间距等钻探施工参数进行设计；然后针对矿山地下水含水层、隔水层等地质结构特征，对含水层压力进行预测，为后续的泥浆技术开展提供数据依据；最后针对矿山水文地质工程钻探技术实施过程中可能会出现的事故进行预防，并对其进行科学处理，以此完成此次矿山水文地质工程钻探关键技术的研究。

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        3.1钻探施工设计与设备优选
        钻探施工设计与设备优选是钻探施工的基础，要实现矿山水文地质工程科学钻探，首先必须要对钻孔、钻具、钻孔间距等钻探施工参数进行合理设计，对提高钻探效率、减少钻探施工事故率具有重要作用，所以钻探施工设计和设备优选是钻探关键技术的首要内容。
        （1）在对钻探施工设计时必须要结合工程水文地质资料，在保证钻探施工条件合理的前提下，通过对钻孔结构、钻柱结构、泥浆体系、钻孔方法、钻探设备优选、钻探参数设定等设计，实现对钻探施工效率、施工质量以及施工成本的有效控制。
        （2）工程的水文地质因素对钻探施工设计具有重要影响。矿山地层结构是钻探施工设计的主要考虑因素，地层结构因素可以为钻探施工设计提供待钻进区域的水文地质岩性单元的构造和分布特征。由于工程的地层岩性特征会影响到钻探施工的取心率和钻孔作业，其中包括工程地层的岩石种类、岩石硬度、轴向压力等，所以在钻探施工设计中要综合掌握工程地层结构，为钻孔设计和钻孔操作提供指导依据。
        （3）钻探施工设计时要重点考虑工程水文地质的岩石力学因素。钻探施工过程中由于会对原有地下岩石结构造成破坏，会产生人工应力干预下的岩石力学特征，这种岩石力学特征会对钻孔工艺产生影响，其岩石硬度和轴向应力直接关系到钻孔速度和质量。工程地下水构造因素包括含水层、隔水层、顶板等，破碎性和溶解性的地下水构造会影响到钻孔稳定性以及孔内清洁度，所以在对钻孔轨迹设计时要以其作为依据。含水层岩性特征包括岩床分布特征、岩层序列特征以及岩石裂隙特征等，这些特诊主要关系到钻孔深度设计以及钻具的挑选。
        （4）工程的岩石纹理、岩石种类、颗粒大小以及岩石密度等岩体构造特征会影响到钻速，在对钻速施工参数设计是要重点以其为依据。矿山水文地质工程钻探施工中不涉及到矿物成分、地质构造以及地质风化等因素，所以在此不对其进行过多说明。在对钻探施工设计要充分考虑到以上提出的水文地质特征，以此保证施工设计的科学性和合理性。
        3.2地层压力预测技术
        地层压力变化会影响到孔内情况复杂化，所以地层压力预测技术是矿山水文地质工程钻探施工安全、高效完孔的关键技术，通过精准地预测矿山地层压力有助于钻探过程中保持孔内压力平衡。地层压力预测方法有很多，其中包括仪器探测法、现场水压探测法、超声探测法以及密度调整法等，根据矿山水文地质工程钻探需求，采用密度调整法作为合适，该方式操作简单、预测精准，具体预测过程如下：将泵以2L/s左右排量进行启动，向钻孔内注入泥浆，在该过程中要记录不同时间的孔内压力以及泵量。
        3.3孔内事故预防与处理技术
        由于钻探过程中会对原本地质结构造成破坏，容易发生孔内事故，所以孔内事故预防与处理技术也是钻探关键技术之一，在钻探施工过程中通过采取合理预防措施，可以有效降低孔内事故发生几率，避免钻孔报废发生，从而减小钻探施工经济损失。在以往钻探施工经验中，卡钻是发生几率最高，处理难度做大的孔内事故，该事故发生的原因主要是沉砂卡钻、坍塌卡钻、缩径卡钻等。对此类现象，相关人员应事先计算出孔内卡钻事故将会发生的具体位置，进而采取相应的处理措施。如果在钻探过程中出现卡钻事故，需要对司钻规定的吨位范围进行上提、下放、转动活动钻具等，设法建立循环，以此解决卡钻问题，保证钻探施工安全稳定进行。
        4结束语
        针对矿山水文地质工程钻探施工需求，开展钻探关键技术研究，充分结合了国内外先进钻探经验，从钻探施工设计与设备优选、地层压力预测与处理技术等方面开展具体研究，此次研究成果对矿山水文地质工程钻探施工方面具有一定的指导作用。在地质钻探过程中，尤其是中、深孔的施工，对钻探设备，施工工艺的选择等都要求较高。各班组对钻进参数的掌控要控制在一定的范围之内，当然，对施工材料的选择也很关键。同时，在不同的地层施工时，可以把绳索取心、液动潜孔锤、反循环钻探技术根据钻探的需要相结合，可以更好地提高矿区钻探施工效率。因此，加强新型钻探设备的研究及钻探技术的规范化、标准化是发展地质钻探技术的主攻方向。
        参考文献：
        [1]赵志杰,刘永,刘宪国,宁少杰,刘亚溪.三河煤矿采空区地面塌陷地质灾害调查钻探技术[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2018,45(02):77-80.
        [2]李忠,和新,李艳丽,李晋锐.雄安新区工程地质勘察标准钻孔技术控制及施工实践[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2019,46(05):8-12.