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探礦工程有時也稱勘探技術,一般泛指地質勘探工作中有關的工程技術。除鑽探和坑探兩個主要方面外,凡為了完成地質勘探工作而必須進行的其他工程,如交通運輸、修配業務、動力供配等,也都屬探礦工程的範疇。其中鑽探工程又分為地質勘探鑽進和工程技術鑽進兩種。前者根據地質設計,在預定地點,利用鑽探設備鑽穿岩層,取得岩樣、水樣、土樣等實物資料,並通過鑽孔進行地下物理測量或地下水動態觀測等,在地質勘探中應用最廣。

1工程簡介

地質勘探工作中,為探明隱伏礦體或某些特定地質體的形態、產狀、深度、規模、結構和儲量,取出有代表性的實物地質資料的工程技術。研究這一工程技術的學科稱探礦工程學或探礦工程。其內容包括鑽探工程、坑探工程和探礦機械。
隨著生產技術的發展,工程鑽進的應用不斷擴大,如水壩或其他工程建築基礎的灌漿和固結處理、礦山豎井建設中凍結孔的鑽鑿,以及地下坑道的通風孔、電纜孔等的鑽進,都屬鑽探工程的範疇。坑探工程是指勘探巷道的氣掘進,即按地質設計在岩層內鑿出一個可供人員及設備進入的通道,從中直接採集所需的實物樣品,並在其中進行觀察、描述等,從而為地質和礦產情況提供資料。根據業務工作的內容,探礦工程還分為機械設備及工藝技術兩個方面。  
第二次世界大戰後,科學技術和工業得到迅猛發展,對礦產資源的需求猛增,從而促進了地質工作的技術進步:①地質勘探從單一的地質調查發展為多工種綜合地質勘探;②地質工作從過去局部的、淺層的、定性描述階段轉向地殼的縱深方向和定量測定的新階段;③探礦工程是直接獲得大量地下實物地質資料和地球物理信息的唯一方法,並作為計算礦產儲量或提出地質體科學結論的可靠依據;④地質勘探工作要力求投資少、收效大、勘探周期短,探礦工程能加快勘探速度、縮短勘探周期。

2鑽探工程

目的
鑽孔的目的是為了探測,首先是從鑽孔中逐段取出岩(礦)心(見岩心與礦心)、岩屑、液態樣(石油、水、地熱水、礦化水、結晶水等)、氣態樣(天然氣、二氧化碳、氫、氦等)等實物地質資料,供觀察研究、物質成分化驗和物性測定,以獲得齊全的定性定量數據。
特點
地質鑽探工程的工藝流程、工藝技術和基礎理論,與石油天然氣開發鑽井工程大體相近。但鑽孔較淺、較小,設備較輕,面臨的岩礦層品種很多,採取岩(礦)心樣品等的工藝技術遠較油氣鑽探複雜。鑽孔的直徑和深度取決於礦層的埋藏深度和鑽孔的用途。①固體礦產鑽探。鑽孔直徑小(一般為46~94毫米);要全孔取岩(礦)心和礦屑;按礦種的不同,深度從幾十米到2000多米不等;中國最深岩心鑽孔為2505米,世界最深岩心鑽孔為5424米(1988,南非威斯特蘭)。②水文地質鑽探。普查孔直徑小於150毫米;勘探孔直徑一般為150~350毫米;水井直徑一般為150~550毫米,深度一般為300米左右,中國最深水井1200米。③石油天然氣鑽探。口徑大(一般開孔915毫米,終孔216毫米),較深(一般為1000~7000米),主要鑽探沉積岩,取岩心較少,以岩屑錄井為主,要用大型石油鑽機施工,為防止高壓油氣層發生井噴,井口要安裝防噴器具。④地熱鑽探。遇到的是高溫熱流體(一般為100~200°C),在沉積岩或火成岩中鑽探,鑽孔口徑、施工方法與油氣井近似,要安裝高壓耐熱防噴器,使用高溫處理劑防止鑽井液在高溫下失去穩定性,還要預防高溫熱膨脹使套管折斷。井深一般1000~3000米,世界最深井是美國索爾頓湖地熱井(1986),井深3220米,井溫高達365°C。

應用

隨著工業和建設事業的迅速發展,鑽探工程應用領域日益拓寬。地質找礦任務已轉入以區測普查能源、水資源、貴金屬和非金屬為重點,普查找礦和礦產預測規模大了,還需要探明埋藏較深的隱伏礦體。隨著航測、遙感區域的擴展,鑽探驗證工作量急劇增加。煤、地熱、水資源、貴金屬和非金屬礦產鑽探工作量也隨之增加。鑽孔口徑和孔深將向兩極發展,既要用金剛石打小口徑鑽孔,又要用大型鑽機打地熱井和1~3米大口徑基樁孔。還要為深部地質學研究施工深孔、超深孔作好前期準備。

3坑探工程

在地質勘探工作中,用來揭露和追蹤地質現象、礦體產狀,從地表或地下掘進的各類小斷面的坑、井、槽、巷工程。它是探礦工程的一個組成部分,也是採礦工程的一個分支。
作用 ①供地質人員進入坑道內直接觀察研究地質構造與礦體產狀,進行地質素描;②直接採集樣品,為探明高級儲量,以及後續的礦山設計、採礦、選礦和安全防護措施提供依據;③若干有色和稀有貴重金屬礦床必須用坑探工程驗證物探、化探和鑽探資料;④部分坑道用於探采結合。
特點 ①斷面小,機掘水平坑道一般為1.8×2.0~2.2×2.2平方米,手掘一般為1.2~1.5平方米;②坑道一般都比較短淺,因籌建、搬遷較頻繁,宜於使用小型輕便、自行式機械設備;③為防止有害氣體溢出,人畜掉入和保護礦山完整,坑探任務完成後,要充填或封閉坑道。
應用領域 坑探工程除在稀有金屬、貴金屬、有色金屬等普查勘探中發揮重要作用外,近年來也拓展到隧道、採石、小礦山採掘和砂礦探采等領域。

4探礦機械

鑽探和坑探施工設備的總稱。鑽探過程中帶動鑽具向地下鑽取樣品的專用機械,包括鑽探機、泥漿泵、動力機和鑽塔,稱鑽探機械。坑道掘進過程中使用的鑿岩、裝岩、運岩、通風排水等專用設備,稱坑探機械。探礦機械與石油開採和採礦機械相比,其特點為:①機械設備小而輕便;②礦山以壓風為動力的機械較多,而坑探短淺坑道,多以電和內燃作動力,只在深坑道才多以壓風作為動力。

5理論應用

由於探礦工程是在石油天然氣及其他礦產的鑽井和採掘工作中演變、發展起來的。因而其應用的基礎理論也與其大同小異。它既利用了前者已建立的一些理論基礎,又結合自身的特點加以應用,建立並發展了自身的一些獨特之處。
鑽探岩石力學 研究鑽探過程中孔底碎岩、保持孔壁穩定和岩(礦)心完整等機理及方法的學科。它既把石油天然氣鑽井的孔底碎岩及壓力平衡保持孔壁穩定的理論和方法應用於地質岩心鑽探及水文、工程地質鑽探等方面,又利用岩石強度抗壓大於抗剪,抗剪大於抗彎,抗彎大於抗拉的原理,發展了衝擊迴轉鑽探,及用各種單動的雙層岩心管、半合管等減少振動及磨損的方法保護了岩(礦)心的完整。
岩心可鑽性研究 在這方面是結合地質鑽探和坑探的技術條件,通過研究、發掘岩心物理力學性質與鑽探和坑探鑿岩的相關關係,把鑽探與坑探鑿岩的岩心分級,建立在岩石試驗力學與岩石可鑽性相關關係和岩石破碎理論的基礎之上(見岩石物理力學性質與可鑽性、坑探岩石分級)。
此外,在水力學應用於鑽頭設計的鑽頭水力學、膠體化學、高分子化學及流變學在鑽井液中的應用與研究,優化理論和優選法在探礦工程中的應用,遙感、遙控技術以及計算技術在探礦工程中的應用與研究等也都已有一定的開展和成果。

6發展趨勢

未來探礦工程將致力於:①開拓高技術應用,包括優化鑽進與掘進參數、建立多功能資料庫、開展「CAD」機械設計、研究新式隨鑽測量(MWD)儀器,試行鑽進水平孔、煤田氣化鑽孔體系等;②研究新一代小型輕便和高效率設備;③積極開展大陸科學深鑽(超深孔鑽探)的科研工作,研製新型深鑽設備。

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