复杂构造应力作用下矿山岩土工程勘察钻探工艺研究

陈 涛

（江西省勘察设计研究院，江西 南昌 330000）

在开展矿山工程相关研究的过程中发现，相关岩土工程的研究项目截至目前仍属于一项新兴项目，与之对应的相关实践工作较早时期便开始实施，后期在深入的研究中，将此方面工作项目划分为岩体研究与土体研究两个方面。在进一步的实践中，技术单位提出了地质钻探工艺，主要是指将地质钻机设备下深到地层结构（地表下层）。当地层表面形成一个钻孔后，可使用取样装置，进行地下水、不同地层土质样品的获取，在此基础上，使用专业的仪器设备，对获取的样品进行综合分析，通过此种方式，可获取不同地层深度的岩层数据，从而为矿山工程、找矿作业等复杂地质结构工程的实施，提供更加真实、可靠的数据[1]。相比其他类型的工程，钻探工程的施工难度更大、实施步骤更复杂，尽管现如今的研究成果已进行了此项技术的进一步完善，但对于复杂构造应力作用下的岩土工程，技术单位仍无法保证每次钻孔或钻探作业的有效性。尤其在下深钻孔过程中，遇到结构较为坚硬的岩层，更是无法确保钻孔方向与预设方向的一致性。为解决岩土工程勘察中的钻探问题，本文将结合钻探地质的复杂构造应力作用，提出一种针对矿山岩土工程勘察作业的全新钻探工艺，以此种方式，提高钻孔效率，实现对准确率更高层地数据获取。

1 复杂构造应力作用下矿山岩土工程勘察钻探工艺

1.1 设置钻探施工现场与钻孔结构

为满足复杂构造应力作用下矿山岩土工程勘察钻探作业的需求，应在开展相关工作前，设置钻探施工作业现场。例如，以施工区域为核心，圈定其作业区域与作业影响覆盖区域为警戒区域，将作业区域内的设备与物资按照作业标准，整齐摆放在施工区域内。使用标签或地标的方式，标注不同钻探施工设备的作用，以便于后期施工的顺利实施。同时，在物品摆放区域内放置全套的安全设备、施工作业警示牌，为施工作业区域群体提供警示作用。

在完成对施工现场的设置后，可根据矿区地质结构特征、水文地质环境，联系地区岩性与地质层特征，确定下深钻孔的结构。为确保下深的钻孔具有一定有效性，应在施工前绘制作业草图。如下图1所示。

图1 岩土工程勘察钻孔示意图

根据上述图1所示的内容，在进行岩土工程勘察作业过程中，选择φ110.0mm的钻孔设备进行矿区地质层钻孔。钻孔的深度控制在3.0mm～5.0mm范围内，当钻头穿透基层岩层后，可将钻头持续钻进，确保钻头进入地表层以下结构。同时，更换下深宽度为φ68.0mm的金刚石钻头，进行地质下层结构的持续钻进，根据预设钻进深度，对钻头持续下深。

1.2 选择矿山岩土工程勘察钻进方式

在完成上述相关研究后，考虑到大部分矿山岩土层的可钻性在7.0～9.0级之间，并且，地质层结构具有较强的研磨性[2]。因此，在钻进过程中，不仅要合理选择钻进方式，还需要根据地质层结构，进行钻头材料的合理化选择。本次研究选择的钻头材料为金刚石，硬度属于高级别（通常情况下，选择为HCR值在10.0～25.0之间的硬度材料）。为确保下深过程中不受到地质层结构的影响，应选择齿状的钻头集成在钻探设备前端，并控制钻头材料中金刚石物质占比>75.0%，每次发生钻进行为时，对应的钻进目数为55.0～85.0。

在钻进后发生钻头直径的调整后，应再次进行参数的调整。例如，在钻进过程中，控制前端的下深钻压在750.0kg～1250.0kg；控制前端钻头在转速在400.0r/min～850.0r/min范围内；调整有效泵量在25.0L/min～75.0L/min范围内。在完成基础参数的调整后，可按照预设参数与实际要求，进行钻进参数的二次调整。例如，地质层中存在软土与硬土交互结构时，地质层稳定性较差，此时应将钻数与钻压选择参数值的下限。当地质层呈现一种较为松软的状态时，适当降低转速，避免影响地质层原有结构。

1.3 复杂构造应力作用下的孔深校正与质量控制

考虑到地质层结构受到复杂构造应力的影响，因此，在下深钻进过程中，下深钻孔倾斜是岩土工程勘察钻探的主要难题。为解决与此方面相关的问题，应当以预设角度作为参照标准，进行孔深校正与钻探过程中的质量控制[3]。例如，在主矿层施工时，每下深50.0m获取一次数据，以此作为描述地质层结构的重要标识；当完成钻探作业后，需要使用钢卷尺，进行孔深、下深、孔宽的测量，控制允许偏差值在1.00%范围内，当测量结果超出允许误差范围时，删除此部分数据，并查找出现数据偏差错误的原因。

同时，在钻探过程中，出现结构层坍塌、掉块等异常施工现象时，应当及时使用设备记录此刻的钻进深度，并根据实际情况，对现场作业人员进行安全撤离，避免出现安全事故。以此种方式，实现对复杂构造应力作用下的孔深校正处理，完成对钻探工艺的研究。

2 实例应用分析

为证明本文设计的勘察钻探工艺可真实应用到矿山作业中，本章选择广西地区某复杂构造应力作用下的矿区地层作为此次实例应用分析的试点区域。选定的试验区域位于云贵高原的东部偏南地区，该地区受到地质迁移与地质结构变化的多次影响，地质结构表层已出现明显的裸露岩体。基于地质学角度分析，裸露的矿体具有间断性、规模大、品位高等特点，但相关此矿区的采矿工作一直存在受阻的问题，产生此种问题的主要原因是对地层受到造山运动的影响，地下结构的岩性较为复杂，且其中的土体变质受到影响后呈现一种不均匀变化趋势。

为获取该矿区更加精准的地质数据，选择此地区作为验证方法的试验区。在进行地质结构采样过程中，需要先进行地质层结构分析，采用检索文献的方式，综合早期地质研究成果，掌握试验区域地层结构共由九层构成，由上到下对应第一层到第九层分别为矿区地表层、泥质粉砂层、粗岩层、石英岩层、白云质灰岩层、变质粉砂岩层、片麻岩层、碳质泥岩层、地下水层。此次研究以勘察钻探的方式，进行不同地层岩性地数据采集。为确保获取的地层数据可满足后续地质找矿工作的需求，在进行找矿作业前，按照本文设计的岩土工程勘察钻探工艺流程，设计地质岩土工程勘察钻探点。此次实验共设置了7.0个钻孔点（对应每个岩层一个下深点），每个钻孔点的下深倾斜角度均不相同。钻探施工现场与钻孔结构可用下图2表示。

图2 勘察钻探钻孔点选择示意图

其中钻孔点1～钻孔点7对应的下深倾斜角度分别为90.0°、60.0°、45.0°、63.0°、72.0°、78.0°、58.0°。以钻探设备下深到指定深度后，勘察点的倾斜角度作为评估本文方法有效性的依据。即下深到指定地质层深度后，倘若钻进的倾斜角度没有发生变化，可认为本文评估方法具有较强的实用性，反之可认为本文设计的钻探方法存在钻进偏差。基于此种理论，执行此次岩土工程的钻进实验，根据集成在钻头前端传感器反馈数据，进行下深倾斜角度测量，计算实测下深倾斜角度与预设倾斜角度之差为钻进过程中角度的偏差值，完成实验反馈数据的计算后，将此次实验数据整理成表格，如下表1所示。

表1 矿山岩土工程勘察钻探工艺下深钻进倾斜角度

综合上述表格中呈现的实验结果数据可知，本文设计的勘察钻探工艺可将钻进倾斜角偏差值控制在1.0°范围内。因此，可认为此次试验项目施工选择的7.0个钻孔点均在保证质量的前提下，完成了地质勘查钻孔作业，钻孔合格率达到100.0%，实现对岩芯的高质量取样。综上所述，得出本文此次实验结论：本文设计的基于复杂构造应力作用下矿山岩土工程勘察钻探工艺，在实际应用中，可降低钻进倾斜角偏差值，提高岩芯取样的合格率，获取样本数据可作为该矿区地质环境、地层结构、水文条件的分析与决策数据。

3 结语

我国矿区具有地质结构复杂的特点，为实现对矿区地质勘查作业高质量数据的获取，本文此次研究结合钻探地质的复杂构造应力作用，提出一种针对矿山岩土工程勘察作业的全新钻探工艺。在完成对钻探流程的规范化处理后，选择广西地区某复杂构造应力作用下的矿区地层作为此次实例应用分析的试点区域，将本文设计的钻探工艺应用到地质环境中，通过实践操作的方式，获取实测下深倾斜角度。综合实验结果，得出实验结论：本文设计的钻探工艺，在实际应用中，可降低钻进倾斜角偏差值，将钻进倾斜角偏差值控制在1.0°范围内，具有更高的研究价值。