礦山地質(zhì)探礦工程勘探技術分析

楊 錦

(貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一〇五地質(zhì)大隊，貴州 貴陽 550018)

0 引 言

礦山地質(zhì)探礦工程勘探任務主要是服務于后續(xù)礦山開采、生產(chǎn)和運營工作，是一套循序漸近展開的工作，初期勘查主要的目標是對巖土資料進行勘探收集，完成基礎資料的收集之后，對相關數(shù)據(jù)進行分析和整理，詳細勘查工作與簡單勘察得到的數(shù)據(jù)比較而言，在準確性和全面性方面具有一定的優(yōu)勢[1]。新時期，在現(xiàn)代科學技術的快速發(fā)展下，礦山地質(zhì)工程勘查施工技術得到了極大的提高，不僅能提升勘查施工的質(zhì)量與效率，還能減輕工作人員的負擔，確保勘查施工的有序進行[2-3]。不同階段勘查目的不一樣，隨著社會科技的發(fā)展，勘查手段也越來越豐富，勘探技術更加具專業(yè)性，例如深部探測，定向探測，綜合勘探等，從而勘探任務也具有明確的專題性，例如礦產(chǎn)資源勘查、礦山地質(zhì)災害勘察、水文地質(zhì)勘察等。

1 國內(nèi)主要能源礦產(chǎn)現(xiàn)狀

根據(jù)2021年中國礦產(chǎn)資源公報報告，截至2020年底，中國已發(fā)現(xiàn)173種礦產(chǎn)，其中，能源礦產(chǎn)13種，金屬礦產(chǎn)59種。非金屬礦產(chǎn)95種，水氣礦產(chǎn)6種，國內(nèi)主要地質(zhì)能源礦產(chǎn)儲量見表1、表2[4]。

表1 2020年中國主要能源礦產(chǎn)儲量

表2 2020年中國主要金屬礦產(chǎn)儲量

由表1-2可知我國主要能源礦產(chǎn)以煤礦、石油和天然氣等資源為主，鐵礦、錳礦和鉻鐵礦等金屬礦產(chǎn)為主要礦產(chǎn)資源。2020年，中國地質(zhì)勘查投資871.85億元，較上年下降12.2 %。其中，油氣礦產(chǎn)地質(zhì)勘查投資710.24億元，下降13.5 %；非油氣礦產(chǎn)地質(zhì)勘查投資161.61億元，下降6.1 %，與2019年相比降幅有所擴大。非油氣礦產(chǎn)勘查中以煤炭、金礦、鉛鋅礦、銅礦為主，占全國非油氣礦產(chǎn)勘查投資的51.7 %[5]，見圖1。從非油氣礦產(chǎn)資源投資結(jié)構(gòu)來看，對礦產(chǎn)勘查投資比例最重，所以對探礦工程勘探技術的研究具有重要的工程意義，一方面專研勘探技術對攻克艱難勘查地質(zhì)環(huán)境條件有攻堅意義，另一方面對提升技術水平和提高勘查效率角度來看，對探礦工程勘探技術的研究對節(jié)約勘查投資成本起到一定的積極作用。

3 礦山地質(zhì)勘探技術分析

雖然中國地質(zhì)勘查投資一直具有較高的投入，但是有部分回落，2019年來降幅都在10 %左右，主要改變呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)性優(yōu)化調(diào)整。西部地區(qū)開發(fā)，和熱點礦種依舊是投資熱點，投入比例持續(xù)增加，鉆探工作量逐步下降[6-8]。不過當下地質(zhì)工作的主要任務依舊是地質(zhì)找礦，社會發(fā)展應運而生的非常規(guī)能源和新型材料礦產(chǎn)需求保持向上生長勢頭。

3.1 鉆探技術

地質(zhì)鉆探是地質(zhì)調(diào)查和礦產(chǎn)勘查工作中最直接有效的手段，地質(zhì)鉆探行業(yè)受經(jīng)濟形勢和國家宏觀調(diào)控影響，分析地質(zhì)鉆探現(xiàn)狀行情，對鉆探裝備投資規(guī)劃和鉆探技術研究分析非常有必要。

(1)繩索取芯技術。繩索取芯鉆探是一種幾乎不用或者很少次數(shù)提鉆的鉆探方法，其技術特點是取巖心時不用過提出鉆孔內(nèi)部的鉆桿，而是用帶有鋼絲繩的打撈器通過孔內(nèi)鉆干中心孔將巖心從管底提到地面。繩索取芯技術關鍵在于其內(nèi)部由鋼絲繩、打撈器和打撈矛頭組成，具有效率高、鉆頭壽命長、節(jié)約人力的優(yōu)點。

(2)反循環(huán)鉆探技術。反循環(huán)鉆進技術指的是鉆孔沖洗介質(zhì)是由孔壁和鉆具字間的空間流入孔底，攜帶巖屑的沖洗介質(zhì)再從鉆孔底部經(jīng)過鉆具內(nèi)孔返回地面。反循環(huán)鉆探的沖洗介質(zhì)通常有2種：空氣和水，分別對應空氣反循環(huán)鉆技術和水反循環(huán)鉆技術。二者的區(qū)別在于水反循環(huán)鉆探技術主要是通過水攜帶泥漿發(fā)生循環(huán)，逐步把巖心提升到地面，而空氣反循環(huán)指的是運用雙臂鉆桿的力量，通過空氣沖擊力的作用達到膨脹效果，通過潛孔錘沖擊碎巖屑。

(3)液動潛孔錘技術。液動潛孔錘技術是利用泥漿泵中供給的沖洗液能量驅(qū)動液動錘形成往復的運動，從而對下部鉆具施加一定頻率的沖擊荷載。液動潛孔錘鉆探是對常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆探的進一步優(yōu)化，該技術方法利用堅硬巖體脆性大，抗剪強度低不耐沖擊力的特點，是可以有效解決堅硬巖層和復雜巖層工況的鉆探技術。

3.2 3S技術

3S代表3種技術手段指的是GIS、RS和GPS，其技術內(nèi)涵為地理信息系統(tǒng)(Geography information systems，GIS)、遙感技術(Remote sensing，RS)和全球定位系統(tǒng)(Global positioning systems，GPS)。3S礦山地質(zhì)勘查技術的綜合利用，是傳感技術、衛(wèi)星定位、空間技術以及計算機技術等多維度技術手段的現(xiàn)代信息技術的集成[9-10]。

(1)地理信息系統(tǒng)(GIS)。該技術發(fā)源于加拿大，GIS是一種專門用于地理信息管理的計算機軟件系統(tǒng)，在地質(zhì)礦產(chǎn)勘查中GIS可以用來管理礦產(chǎn)資源、有效加快數(shù)據(jù)處理的速度和提升處理結(jié)果質(zhì)量，有效的按照不同礦鏟資源要素分門別類的分級分層的進行管理，用于礦產(chǎn)資源的直接顯示和更新。還可以分析礦產(chǎn)與其他地理要素的潛在聯(lián)系，有利于資源信息的進一步開發(fā)。GIS聯(lián)合遙感數(shù)據(jù)庫、地球物理化學數(shù)據(jù)庫、地理數(shù)據(jù)庫、地質(zhì)礦產(chǎn)數(shù)據(jù)庫以及GPS定位信息等構(gòu)成的空間信息系統(tǒng)，用于礦產(chǎn)資源綜合評價。

(2)遙感技術(RS)。該技術是指從高空或外層空間接收來自地球表層各類地物的電磁波信息，并通過對這些信息進行掃描、攝影、傳輸和處理，從而對地表各類地物和現(xiàn)象進行遠距離控測和識別的現(xiàn)代綜合技術[11-14]。RS技術可以有效識別地質(zhì)構(gòu)造，結(jié)合地質(zhì)學原理的基本理論，從遙感圖上可以標繪識別出各種地質(zhì)構(gòu)造的特點，分布規(guī)律和空間關系，重點分析關鍵構(gòu)造總結(jié)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征。礦產(chǎn)成礦過程中會與圍巖產(chǎn)生蝕變反應，反應產(chǎn)物引起的吸收光譜變量或者反射波段具有特定的特征，由于RS是接受電磁波從而反演出地物標識，所以該技術可以通過已知的礦產(chǎn)礦點分析控礦因素，建立二維或者三維遙感地質(zhì)礦產(chǎn)模型，在尋找礦藏提供依據(jù)。此外，由于RS的地表攝影面積大，信息豐富有利于對周邊環(huán)境的監(jiān)測，對保障作業(yè)人員和地質(zhì)環(huán)境有重要意義。

(3)全球定位系統(tǒng)(GPS)。GPS系統(tǒng)是美國于20世紀70年代開始研制的，具有海陸空三維導航和定位的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。GPS測量技術是在礦山地質(zhì)勘查中最廣泛的應用之一，GPS測量有效減少了控制測量的環(huán)節(jié)，降低了成本，提升了工作效率，1～2人就可以完成測繪工作，減輕了地質(zhì)工作者的勞動強度。工作人員只需要收集相關的地理信息，通過無線電傳輸把信息和數(shù)據(jù)發(fā)送到地面接站，然后運用GPS同步衛(wèi)星信號來傳送全部收集的帶有位置屬性的信息，最終對信息整理分析即可。

對3S技術耦合應用在礦山勘查工作上也有很多工程實例，例如對礦山開采沉降監(jiān)測時可以通過GPS和InSAR耦合億獲得精確數(shù)據(jù)消除誤差[15]。利用GPS和GIS技術結(jié)合可以有效全面系統(tǒng)的土地利用進行監(jiān)管。而GIS技術和RS相結(jié)合可以通過遙感影像分析礦山土地利用情況的演變情況[16]。

3.3 物理勘查技術

(1)重力勘探技術是利用組成地殼中各種不同的礦物密度分布而引起重力變化而進行地質(zhì)勘查的方法。這種方法主要使用于埋深小地形起伏小的情況。結(jié)合已有的區(qū)域地質(zhì)資料，對重力異常區(qū)域進行分析，推測覆蓋層一下礦體和巖層的分布規(guī)律，找出礦床位置和分析地質(zhì)構(gòu)造情況。

(2)磁力勘探技術，類似于重力勘探技術，其原理為利用巖石礦物中不同探測對象的磁性差異，在地球磁場為外部磁場的環(huán)境下，分析由巖石礦產(chǎn)生的局部磁場差異，進而研究地質(zhì)構(gòu)造或地質(zhì)礦產(chǎn)分布規(guī)律的一種物理方法。

(3)電法勘探技術，與磁力勘探技術有一定關聯(lián)的勘探技術，根據(jù)巖體礦物中的電磁學特性例如導電性、介電性質(zhì)以及電化學特征等的差異，通過天然電場，或者人工通電，研究電場、電磁場的空間分布規(guī)律特征，以期探明地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)和目標礦產(chǎn)分布。

3 礦山地質(zhì)勘查技術發(fā)展趨勢

在礦山地質(zhì)勘查工作當中，地質(zhì)條件調(diào)查工作往往相伴而行，地質(zhì)調(diào)查不僅僅服務于前期的找礦工作，其對礦山的發(fā)展具有長期的影響，地質(zhì)勘查技術也有著重要的作用。體現(xiàn)在礦山勘查技術的發(fā)展要貼合現(xiàn)有的勘查模式，在勘查階段要充分考慮資源開采后可能產(chǎn)生的影響，對開采過程中遇到的資源合理分配，考慮水文地質(zhì)調(diào)查情況，解決礦區(qū)水資源時空分布矛盾，防止地下水害同時合理配置地下水去向，確保礦區(qū)生態(tài)呈良性發(fā)展。

礦山地質(zhì)勘查工作處理需要滿足對常規(guī)地質(zhì)條件調(diào)查的需求，同時加強對地質(zhì)災害的防止工作，確保礦山在運營期間安全生產(chǎn)。加強對地質(zhì)災害的調(diào)查和預測工作，詳盡調(diào)查區(qū)域內(nèi)潛在地質(zhì)災害風險，重復了解潛在地質(zhì)災害的發(fā)育程度和空間分布，確保礦產(chǎn)資源開采工作順利進行。

近些年隨著網(wǎng)絡化的發(fā)展，深度學習，人工智能技術逐漸應用到礦山開采和運營當中。礦山地質(zhì)勘查技術想要發(fā)展，需要結(jié)合實地勘查和結(jié)果數(shù)字化方向發(fā)展，結(jié)合大數(shù)據(jù)平臺管理進行信息深度開發(fā)以及綜合管理?？傊V山勘查技術需要向網(wǎng)絡傳輸化和網(wǎng)絡化的方向發(fā)展，提高數(shù)據(jù)傳輸能力、分析能力和管理能力，提升地質(zhì)勘查人員的工作效率。

4 結(jié) 語

該文從國內(nèi)礦產(chǎn)資源現(xiàn)狀開始分析，總結(jié)目前國內(nèi)能源礦產(chǎn)以煤、石油和天然氣為主，非油氣礦產(chǎn)勘查以煤炭、金礦等礦產(chǎn)資源為主。從地質(zhì)勘探投入來看，國內(nèi)地質(zhì)勘查任務還以找礦為主，勘查地區(qū)以西部為主。對目前通用勘查技術進行分析，目前常用的礦山地質(zhì)勘探手段主要有鉆探技術、3S技術和物理探測技術。鉆探技術是通過采取巖心直接獲取礦區(qū)地層信息的有效手段。3S技術借助傳感衛(wèi)星，空間技術和計算機技術提高了勘探范圍和勘探數(shù)據(jù)管理效率。物理探測技術針對某一特定區(qū)域，利用探測對象物理性質(zhì)差異，分析數(shù)據(jù)異部位，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料推測地下巖體構(gòu)造和礦體位置?？辈榧夹g發(fā)展向地質(zhì)勘探結(jié)合地質(zhì)災害預測工作協(xié)同完成，地質(zhì)勘查智能化信息化發(fā)展的趨勢，礦山地質(zhì)探勘技術向高效化、智能化和綜合化協(xié)調(diào)發(fā)展。