钻孔找矿技术在矿山工程地质钻探中的应用研究

杨 坤

（安徽省煤田地质局第三勘探队，安徽 宿州 234000）

矿山工程地质钻探是矿山工程地质勘查的主要方式，近年来受到相关部门的密切关注。根据前人总结的勘查数据资料，全方位研究矿山工程地质钻探工作过程。

矿山工程地质钻探的设计坐标由矿山在施工现场实测后确定。工程质量要求如下:矿山工程地质钻探完成后，入直缝焊管，工作管与外壁之间采用水泥浆固井;开孔完毕后，提供准确的孔底坐标，位移偏差不大于2.5m;套管接头经过焊接加固，确保密封性能;工作管、护壁管的选择和安装必须符合质量要求。本工程中两个瓦斯抽放钻孔的结构、套管规格、质量、技术要求相同，施工工艺基本一致。为实现矿山工程地质钻探高精度的需求，传统矿山工程地质钻探方法在实际应用中存在钻探偏移系数的问题，主要由于对于矿山工程地质钻探的定位不准[1]。钻孔找矿技术作为新一代测量方法，以其高精度、低成本的特点，一经推出便立即受到多个领域的广泛应用。本文以此为研究依据，将钻孔找矿技术应用在矿山工程地质钻探中，通过基于钻孔找矿技术设计矿山工程地质钻探方法，致力于提升矿山工程地质钻探精度，降低矿山工程地质钻探偏移系数，为矿山工程地质钻探的持续发展提出专业的技术指导。

1 基于钻孔找矿技术的矿山工程地质钻探方法

1.1 基于钻孔找矿技术定位矿山工程地质钻探位置

在矿山工程地质钻探中，必须预先基于钻孔找矿技术定位矿山工程地质钻探位置，确保矿山工程地质钻探精度[2]。通过钻孔找矿技术的环形构造反映隐伏岩体在地表盖层中的位置，发现地质中的隐伏岩体。通过测定岩石中的异常性质，包括：地质岩土介质局部变化的地球物理场变化情况进行掌握放射性元素在岩浆岩中的分布规律，从而真实反映形成侵入岩体的地质条件。在此基础上，综合地质的构造特征以便很好的理解成矿类型及成矿位置。基于钻孔找矿技术表明，地质找矿磁场变化一般情况下处于正极负极磁场交界处，通过侧向垂直异常布置能够确定地质矿产资源在地表的出露位置。假定基于钻孔找矿技术定位矿山工程地质钻探位置的近似程度可用拟合系数来表示，设拟合地质空间矿山工程地质钻探位置定位计算表达式为C，则有公式（1）：

公式（1）中，i指的是地质空间预测点位；

zi指的是在地质空间找矿点位上得到的观测值；指的是在地质空间找矿点位上得到的趋势值；指的是地质空间找矿定位趋势的预测平均数值。通过公式（1），可以得出拟合后的矿山工程地质钻探位置。

1.2 计算矿山工程地质钻探降斜作用力

在基于钻孔找矿技术定位矿山工程地质钻探位置后，还需要进一步计算计算矿山工程地质钻探降斜作用力，进而设定科学的矿山工程地质钻探参数[3]。首先，计算矿山工程地质钻探工具自身的重力与钻头之间的降斜力，设其计算表达式为G，则有公式（2）。

公式（2）中，w指的是所处地层的倾斜角度；t指的是矿山工程地质钻探预计深度；α指的是矿山工程地质钻探面积。通过公式（2），计算得出矿山工程地质钻探工具自身的重力与钻头之间的降斜力，在此基础上，可推导出矿山工程地质钻探降斜作用力的计算公式，设其为Gk，则有公式（3）。

公式（3）中，指的是矿山工程地质钻探速度。通过公式（3），判断矿山工程地质钻探降斜作用力，以此为矿山工程地质钻探关键参数，为下文确定矿山工程地质钻探轨迹提供数据支持。

图1 矿山工程地质钻探轨迹示意图

1.3 确定矿山工程地质钻探轨迹

以上文计算得出的矿山工程地质钻探降斜作用力为依据，确定矿山工程地质钻探轨迹，矿山工程地质钻探轨迹示意图，如图1所示。

结合图1所示，为矿山工程地质钻探轨迹。由此可见，在矿山工程地质钻探过程中，其钻探轨迹会发生变化，为保证矿山工程地质钻探精度，需要确定矿山工程地质钻探前提条件。本文设定的前提条件为矿山工程地质钻探泵吸入口的压力必须大于大气压，也就是必须保证矿山工程地质钻探过程中能够达到的真空状态，通过公式可表达为：

公式（4）中，P0指的是大气压，通常情况下为100kPa；ΔP2指的是矿山工程地质钻探钻杆内外重度差；ΔP1指的是钻渣混合液流经钻杆长度，单位为cm；mγ指的是矿山工程地质钻进泵汽化的压力，单位为kN/m3；U2指的是钻杆内外重度差，单位为m；g指的是损失水头，单位为m；ΔI1指的是钻杆内外重度差，单位为m；hz指的是反循环单位长度，单位为m。通过公式（4），在满足前提条件的基础上，确定矿山工程地质钻探轨迹。

1.4 选择矿山工程地质钻探冲洗液

确定矿山工程地质钻探轨迹的基础上，在矿山工程地质钻探时需要根据开采区特点，采用钻孔找矿技术的工艺流程，所以钻孔的孔壁外侧环形位置和钻杆横截孔径区域中间的间隔狭小，对孔底进行冲洗液灌注时在压力作用下难免会出现损失液体的情况，钻孔深度不断加深，泵压也随之增大，这一情况会对矿山工程地质钻探快速施工造成严重影响。根据矿区的实际地质特征选择适合的冲洗液，常用冲洗液大概分为两种即含有磺酸基的磺化沥青无固相冲洗液、聚丙烯酰胺（PAM）无固相冲洗液。含有磺酸基的磺化沥青无固相冲洗液的具体操作方式如下：找到地质钻探第三钻孔位置，将套管下设到指定位置上，将几种类型处理剂适量加入泥浆中，使用设备对泥浆进行均匀搅拌，硫化沥青中添加一定量的清洗液，添加冲洗液的目的是可确保矿山钻探工程深孔内有一个清洁环境，为钻探工作提供安全保障。选用聚丙烯酰胺（PAM）无固相冲洗液与线状非高分子聚合物进行有效结合，杂质物质可被清除。泥浆中的固体颗粒物质得到转化后，颗粒物质得到分散，在进行矿山工程钻探时可保证地层中水花稳定，避免地层出现造浆的情况。该种类型的冲洗液应用方式为：选择在第一定向钻孔、第二定向钻孔区域，将套管下入，在清水中加入一定数量的聚丙烯酰胺，使用设备将其搅拌均匀，得到可以使用的PAM冲洗液，钻探施工中使用此种冲洗液，钻孔内的废渣可被清理干净。而含有磺酸基的磺化沥青无固相冲洗液，是在水中加入了多种泥浆处理剂得到的一种液体，将其注入到钻孔中出现膨胀现象后，出现裂缝地方可被封堵住，有效避免钻孔施工时孔壁脱落问题发生。上述两种类型的冲洗液均可以满足矿山工程地质钻探工作实际需求。

1.5 实现矿山工程地质钻探

通过上述分析，在利用钻孔找矿技术进行矿山工程地质钻探时，要具备一定针对性的，设计合理的矿山钻探钻孔结构。结合钻孔找矿技术，当矿山工程地质钻探到地表30m左右的位置时，或矿山钻孔设备下设到规定区域时，将表层套管下入底部，为了避免进行矿山工程地质钻探时受到复杂地层的影响。另外，注入一定量冲洗液在钻孔下部位置，避免发生深孔堵漏的现象。在矿山工程地质钻探工作进行中最关键点是进行钻探深孔结构设计、降低钻探成本、提升钻探工作效率。以此，实现矿山工程地质钻探。

2 实例分析

2.1 实验准备

本次实验选择某矿山作为实验对象，该矿山正处于地质钻探工程开展中，钻探施工区域地下深度最深可达1500m，岩层倾向156°~186°，倾角在56°~69°左右。首先使用本文基于钻孔找矿技术设计钻探方法进行矿山工程地质钻探，通过matalb测得其钻探偏移系数，记为实验组；再使用传统钻探方法进行矿山工程地质钻探，同样通过matalb测得其钻探偏移系数，记为对照组。由此可见，本次实例分析选取对比指标为钻探偏移系数，钻探偏移系数越低，证明其钻探精度越高。设定实验次数为10次，并记录实验结果。

2.2 实验结果分析

证明实验结果，如下表1所示。

表1 实验结果对比表

通过表1可知，本文设计方法地质钻探偏移系数明显低于对照组，对于矿山工程地质钻探精度更高，更具实际应用价值，有必要在现实应用中加大使用力度。

3 结束语

本文通过实例分析的方式，证明了设计钻探方法在实际应用中的适用性，以此为依据，证明此次优化设计的必要性。因此，有理由相信通过本文设计，能够解决传统矿山工程地质钻探中存在的缺陷。但本文同样存在不足之处，主要表现为未对本次地质钻探偏移系数测定结果的精密度与准确度进行检验，进一步提高地质钻探偏移系数测定结果的可信度。这一点，在未来针对此方面的研究中可以加以补足。与此同时，还需要对矿山工程地质钻探工具的优化设计提出深入研究，以此为提高矿山工程地质钻探的综合质量提供建议。