王鑫瑀，曹鵬飛

(河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司，河北 唐山 063000)

鉆孔和爆破是露天礦開采過程中的重要工序。對于大型露天礦山，鉆孔和爆破作業(yè)的成本約占到總成本的15%，而且爆破效果的好壞還會對后續(xù)鏟裝、運輸、破碎等環(huán)節(jié)的生產(chǎn)效率造成直接的影響。因此，為了優(yōu)化爆破效果和降低生產(chǎn)成本，深入了解鉆孔和爆破作業(yè)是非常有必要的。

影響鉆孔和爆破效率的因素有很多，其中有些因素是可控的，如鉆孔深度、孔距、炸藥類型、裝藥量、堵塞、起爆方式；而有些因素則是不可控的，如地形、巖體性質(zhì)。鉆孔和爆破的目的是破碎巖體，因此掌握巖體性質(zhì)是優(yōu)化爆破設(shè)計，提高最終爆破效果的有效途徑。

礦山開采過程中遇到的巖石性質(zhì)差別很大，即使是在同一個礦區(qū)，相隔不遠(yuǎn)距離，巖石材料強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)也會存在較大的差異。為了獲取礦區(qū)內(nèi)巖體性質(zhì)，傳統(tǒng)的方法通常是鉆孔采集礦區(qū)內(nèi)若干區(qū)域的巖芯，然后回到實驗室進(jìn)行測試和分析，以獲取礦區(qū)內(nèi)巖石的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)信息，要么則是采用地球物理方法。有限的測試數(shù)據(jù)并不能完整的反映出爆區(qū)巖體的性質(zhì)，并且需要花費大量時間。因此，為了更準(zhǔn)確的獲得爆區(qū)巖體的性質(zhì)，MDW(Measurement-While-Drilling, MDW)技術(shù)被引入到采礦工程領(lǐng)域[1]。MDW技術(shù)不僅提高了巖體信息采集效率[2]，還能夠為爆破工程師爆破設(shè)計提供特定的信息，從而極大的提高爆破設(shè)計的可靠性。本文對MDW技術(shù)及其在采礦工程中的運用情況進(jìn)行了一個簡單的介紹。

1 MDW技術(shù)簡介

早在1911年，Schlumberger將電法測井技術(shù)引入到石油工業(yè)領(lǐng)域，最初被稱為隨鉆測井(logging-while-drilling, LWD),當(dāng)時主要的目的是為了減少鉆井作業(yè)的盲目性，從而提升對油田地質(zhì)和構(gòu)造特征的認(rèn)識。從那時起LWD技術(shù)得到了快速的發(fā)展，并增加了一些其它功能，用于提高探測能力。這一技術(shù)在石油工業(yè)領(lǐng)域得到了成功的運用，并在二十世紀(jì)七十年代逐漸擴(kuò)展到采礦工程領(lǐng)域，特別是露天開采臺階鉆孔，試圖在鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中認(rèn)識地下巖體的性質(zhì)，如圖1所示。

圖1 露天礦MWD系統(tǒng)

早期用筆帶式記錄器記錄鉆孔過程中的各種關(guān)鍵信息，當(dāng)時對采集數(shù)據(jù)的分析需要花費較多時間，效率較低，并且監(jiān)測系統(tǒng)故障頻發(fā)，因此并未給礦山鉆孔和爆破作業(yè)帶來明顯的改善。然而，隨著計算機(jī)計算能力的提高，以及相應(yīng)分析軟件的出現(xiàn)，使得MWD監(jiān)測數(shù)據(jù)在采礦工程領(lǐng)域越來越受到人們的重視。地質(zhì)學(xué)家可以通過計算機(jī)快速分析并建立WMD系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)同巖性之間的關(guān)系。爆破工程師也能夠及時獲取每個鉆孔的位置、深度、傾角以及巖性等關(guān)鍵信息。

MWD是一種測量、監(jiān)測、記錄鉆孔參數(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并根據(jù)鉆機(jī)關(guān)鍵參數(shù)反饋鉆機(jī)的運行情況。鉆機(jī)工作過程中記錄下鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中各種參數(shù)的變化信息，如鉆孔深度、時間、穿透率、轉(zhuǎn)速、向下推力、扭矩、傾角等[3]，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而確定地下巖體性質(zhì)[4]。整個系統(tǒng)通過安裝到鉆機(jī)各個關(guān)鍵位置的傳感器采集鉆機(jī)鉆孔過程中上述參數(shù)的變化信息，如圖2所示。

圖2 安裝在鉆機(jī)各個位置的傳感器[5]

傳感器主要有壓力傳感器、運動換能器以及電磁接近探測器。其中壓力傳感器是將向下推力、扭矩、鉆進(jìn)液壓值傳遞給監(jiān)測系統(tǒng)；運動換能器通常安裝到鉆桿頂部，通過電纜與鉆頭相連，提供鉆進(jìn)速度和鉆進(jìn)速率信息；旋轉(zhuǎn)速度則是通過安裝到鉆頭上的電磁接近探測器獲得。MWD技術(shù)的主要優(yōu)勢包括以下幾點：

(1)減少地質(zhì)和地球物理調(diào)查時間；

(2)優(yōu)化鉆孔，并選擇最佳的鉆孔參數(shù)；

(3)更好的確定煤層的厚度；

(4)優(yōu)化爆破設(shè)計；

(5)改進(jìn)數(shù)據(jù)報告；

(6)花費更少的時間處理監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2 MWD參數(shù)

大量的實踐表明，很難從理論上定義巖石與鉆孔之間的關(guān)系，現(xiàn)有的研究結(jié)果都是基于長期監(jiān)測數(shù)據(jù)通過經(jīng)驗關(guān)系得出的。盡管如此，鉆孔參數(shù)同巖性之間的關(guān)系已經(jīng)得到了人們的共識，兩者密切相關(guān)。由于巖石本身存在大量的孔隙、裂隙以及不連續(xù)面，即使在同一塊巖石中取樣也很難對巖石進(jìn)行建模。此外，由于溫度、圍壓、含水率、氣體的外部因素的存在，其物理力學(xué)性質(zhì)并不是一個常量。為此，Segui和Higgins[6]指出直接使用鉆孔參數(shù)作為表征巖石材料性質(zhì)的指標(biāo)是不準(zhǔn)確的。例如，盡管滲透率同巖石強(qiáng)度成正比，但也容易受到其它因素的影響，如巖體中是否存在不連續(xù)面、裂縫和孔隙。為了滿足鉆孔爆破作業(yè)的特殊需要，也為了適應(yīng)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的進(jìn)步，需要找到新的方法從MWD監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取有用的巖性和鉆孔信息。這意味著深入了解鉆孔過程，鉆孔過程中所需要的能量，鉆孔過程各個參數(shù)與巖體強(qiáng)度特性之間的關(guān)系。為此，Segui和Higgins提出將MWD參數(shù)分成3類，即測量參數(shù)、計算參數(shù)和推導(dǎo)參數(shù)。在鉆機(jī)上，MWD系統(tǒng)可以直接測量的參數(shù)，如向下推力、轉(zhuǎn)速、沖洗風(fēng)量、振動等，計算參數(shù)包括滲透率、扭矩和比能等，推導(dǎo)參數(shù)則主要取決于實際工作條件，計算時需根據(jù)鉆機(jī)設(shè)備以及局部巖體性質(zhì)進(jìn)行校正。

MWD技術(shù)中最為常見的測量參數(shù)主要是時間、深度、扭矩、向下推力、鉆速和轉(zhuǎn)速，其他參數(shù)如振動、沖洗介質(zhì)壓力或流速有時針對不同的研究需要也會被包括在內(nèi)。這些參數(shù)可分為兩種類型，可控的和不可控的。向下推力和鉆速屬于可控參數(shù)，因為這兩個參數(shù)通常是由鉆機(jī)操作人員來控制。滲透率和扭矩屬于不可控參數(shù)，但卻能更好的反映地質(zhì)情況。

滲透率是巖石分類中最常用的參數(shù)，也是MWD技術(shù)中最為感興趣的參數(shù)，早期階段，甚至單獨使用滲透率做為巖石分類指標(biāo)。根據(jù)簡單的物理學(xué)原理，鉆頭能更快的穿透較軟的巖石，因此得到鉆速可以作為表示巖石強(qiáng)度的指標(biāo)。此外，選擇滲透率作為參數(shù)也是由于它易于測量和分析。Scoble[7]等人在對加拿大一個煤礦進(jìn)行鉆孔監(jiān)測研究時發(fā)現(xiàn)，滲透率的變化能夠很好的反映出煤矸石和廢煤之間的界限。扭矩也被認(rèn)為是能反映地質(zhì)情況的參數(shù)。有研究表明，扭矩會隨著巖石強(qiáng)度的增加而增加，回歸分析顯示，扭矩和抗壓強(qiáng)度之間有很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。

向下推力作為可控參數(shù)，一般不會作為巖石分類的指標(biāo)，經(jīng)常會沒人們所忽略。然而，有研究表明向下推力[8]會隨著巖石強(qiáng)度的增加而增加。與向下推力一樣，轉(zhuǎn)速也并不常用作為巖石類型的指標(biāo)。

3 鉆孔與巖體之間的關(guān)系

使用MWD技術(shù)識別巖石性質(zhì)最常用的方式就是利用Spercific Energy方程。1965年R.Teale[9]提出了“比能(Specific Energy, SE)”的概念,其主要表示的是破碎過程中能量和體積之間的關(guān)系，定義為挖掘單位體積巖石需要的能量。一般可以表示為：

(1)

式中，F(xiàn)為向下推力，T為扭矩，N為轉(zhuǎn)速，A為開挖面積，u為滲透率。Teale的研究結(jié)論是，在所有巖石類型中，最小SE都是恒定的，并且它與抗壓強(qiáng)度之間存在很好的相關(guān)性。Jain[10]和Dunn[11]都在工程中使用SE作為巖石抗壓強(qiáng)度和可鉆性的評價標(biāo)準(zhǔn)，并獲得了較好的效果。此外，很多研究人員還使用SE來表征巖體性質(zhì)。美國礦業(yè)局的一項研究也表明，鉆孔SE的變化與巖石條件的變化具有較好的相關(guān)性。

另一個同樣重要的巖體指標(biāo)參數(shù)也是基于過去一些研究人員的研究結(jié)論，他們?yōu)檠垒嗐@機(jī)系統(tǒng)提供的一些鉆進(jìn)公式。研究表明，鉆速隨鉆頭重量和鉆速的增大而增大，隨巖石強(qiáng)度的增大而減小。1975年，Mathis[12]計算得出施加在鉆頭上的重量(W)與滲透率(PR)之間的比值，這一比值稱為巖石的質(zhì)量系數(shù)(Rock Quality Index, RQI)，一般用來反映巖石的質(zhì)量。

RQI=W/PR

(2)

對于RQI來說，輸入?yún)?shù)的準(zhǔn)確性是RQI[13]作為巖石表征指標(biāo)參數(shù)的關(guān)鍵。大量實測結(jié)果表明，相鄰鉆孔的RQI變化率大多在25%～40%之間，這些變化不僅是由于巖石質(zhì)量的變化，還取決于現(xiàn)場技術(shù)人員在記錄作業(yè)參數(shù)時嚴(yán)謹(jǐn)性。為了消除人為干擾和不確定性，研究人員使用鉆孔參數(shù)記錄儀作為估算RQI的工具。值得注意的是，盡管鉆頭制造商聲稱正常情況下，鉆頭在使用壽命結(jié)束前不會出現(xiàn)任何滲透率下降的情況，但實測RQI結(jié)果否定了這一說法?？紤]到鉆頭磨損和鉆頭類型，必須慎重計算RQI數(shù)據(jù)。研究人員對在煤礦和硬巖礦山服役的一些鉆機(jī)進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)果表明RQI不僅能夠?qū)@機(jī)性能與巖性變化聯(lián)系起來，而且還與爆破中的能量因子有關(guān)，RQI值增大，能量因子也隨之增大。

通常，礦山會將巖石識別軟件輸出的可爆性指數(shù)與礦山現(xiàn)有地層模型進(jìn)行比較。如果礦山地層模型與可爆性指數(shù)相匹配，則會將巖石類型分配到相應(yīng)的層位。如果不匹配，則將WDM數(shù)據(jù)分析得出結(jié)果替換原有地層參數(shù)，從而對模型進(jìn)行更新。這樣基于WMD技術(shù)的巖性識別數(shù)據(jù)就可以取代傳統(tǒng)的地球物理測試方法。

4 MWD技術(shù)應(yīng)用

隨著MWD技術(shù)引入到采礦工程領(lǐng)域，其最初的目的是在爆破作業(yè)前對巖體性質(zhì)進(jìn)行表征，從而提高作業(yè)效率。將物探數(shù)據(jù)、地質(zhì)記錄數(shù)據(jù)和MWD監(jiān)測數(shù)據(jù)集成到一起，就能夠生成巖體地下結(jié)構(gòu)和地質(zhì)力學(xué)信息。一旦獲得這些資料，就能夠在礦山開采的各個階段對遇到的問題進(jìn)行分析。因此，MWD技術(shù)在礦體輪廓圈定、巖體性質(zhì)評估、爆破優(yōu)化、支護(hù)設(shè)計、礦山規(guī)劃、設(shè)計和生產(chǎn)控制等方面都有著廣闊的應(yīng)用前景。

Schoble[14]采用MWD技術(shù)監(jiān)測某露天煤礦爆破孔鉆進(jìn)過程中的鉆機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)，并使用SE與礦區(qū)原始地層信息進(jìn)行了比較。他們的研究結(jié)果表明向下推力與巖石性質(zhì)的變化有很好的相關(guān)性，向下推力在鉆速和扭矩不變的情況下起著關(guān)鍵作用。對鉆進(jìn)過程相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)測，為爆破設(shè)計前獲得詳細(xì)的地質(zhì)信息提供了一種新的途徑。

牙輪鉆頭由于其成本效應(yīng)高，因此在采礦工程中得到了廣泛的應(yīng)用。然而在收集現(xiàn)場、井下信息方面可能存在一定問題，包括地質(zhì)變化、提鉆、卡鉆、鉆頭磨損和鉆機(jī)操作不當(dāng)，缺乏這些信息會導(dǎo)致鉆孔效率下降。Naganawa[15]提出監(jiān)測鉆頭軸向振動來反映牙輪鉆頭工作狀態(tài)，他們發(fā)現(xiàn)隨著鉆頭磨損，鉆頭振動頻率的峰值會逐漸向高頻范圍移動。在此基礎(chǔ)上，建立了牙輪鉆頭軸向振動動力學(xué)模型用于評價鉆頭的磨損情況。其中，包括鉆頭運動的動力學(xué)模型和鉆頭巖石相互作用模型。通過鉆頭軸向振動模擬結(jié)果與現(xiàn)場實驗結(jié)果的對比，驗證了該模型的有效性。從而確定鉆頭的合適更換時間，保證鉆機(jī)高效運行。

Copper[16]提出了一種鉆頭磨損程度的評估方法，通過對鉆頭實際鉆進(jìn)性能和理論性能的比較，基于鉆頭狀態(tài)，來認(rèn)識現(xiàn)場工作條件和計算巖石強(qiáng)度。他們認(rèn)為如果MWD系統(tǒng)能夠?qū)崟r的采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并計算得到巖石強(qiáng)度，就能和此前測井得到的巖石強(qiáng)度進(jìn)行比較。

Vardhan[17]研究采用鉆孔過程中的產(chǎn)生的聲音信號估算巖石的抗壓強(qiáng)度。他們在室內(nèi)使用小型氣動式鉆機(jī)進(jìn)行試驗，結(jié)果顯示由于地層的差異，同類型鉆機(jī)產(chǎn)生的噪聲也不同。因此，聲級變化可以反映巖石類型，基于此可以選擇合適的炸藥類型并改進(jìn)爆破設(shè)計。研究發(fā)現(xiàn)，低頻范圍內(nèi)的聲級是由活塞與鉆具以及鉆具與巖石之間相互左右引起的。鉆機(jī)排氣產(chǎn)生的聲級頻率范圍為125Hz～2kHz。此外，他們還發(fā)現(xiàn)再噪聲頻譜中高頻段推力和聲級之間存在直接關(guān)系。但是，他們的實驗是在實驗室內(nèi)進(jìn)行的，現(xiàn)場環(huán)境條件下，會有其它聲音信號進(jìn)行干擾，聲音信號是否能夠反映現(xiàn)場實際情況，還需要進(jìn)一步的研究。Schunesson[18]在研究中為了建立MWD數(shù)據(jù)與某種類型巖石性質(zhì)之間的關(guān)系，在MWD數(shù)據(jù)中剔除了工作人員和鉆孔控制系統(tǒng)的影響。他們嚴(yán)格的對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，即采用鉆孔取芯、切割分析、地球物理記錄、鉆孔電視以及目測的方式。在獲得可靠的數(shù)據(jù)后，采用統(tǒng)計的方法確定巖石邊界，甚至根據(jù)校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)確定裂縫位置，其目的是把礦石邊界與廢石區(qū)分開。然而，他們在使用統(tǒng)計學(xué)方法分析MWD海量數(shù)據(jù)以區(qū)分不同的巖石類型時，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中只有最堅硬的巖石清晰可見，其它類型巖石混合在一起，很難準(zhǔn)確識別。Beattie[19]使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也得出了相似的結(jié)果。研究表明適用于硬巖環(huán)境下的巖石分類并不適用于軟巖環(huán)境。

Thompson[20]為了評價鉆頭性能，比較了鉆孔監(jiān)測參數(shù)和地層性質(zhì)，繪制出爆區(qū)巖體軟、硬區(qū)域，并以此調(diào)整爆破設(shè)計炸藥能量分布。Schunesson[21]嘗試使用MWD監(jiān)測數(shù)據(jù)來對隧道工作面進(jìn)行RQD分類。盡管表征土壤特性需要大量的參數(shù)，一些研究人員已經(jīng)開始嘗試使用鉆孔參數(shù)來確定土壤特性。

5 結(jié) 語

隨著MWD技術(shù)采礦工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，特別是在露天礦山鉆孔過程中MWD技術(shù)普及，不僅提高了鉆機(jī)生產(chǎn)率，為后續(xù)爆破設(shè)計提供了依據(jù)。MWD技術(shù)在不影響礦山正常生產(chǎn)的情況下，能夠快速、合理、經(jīng)濟(jì)的認(rèn)識和描述巖體的性質(zhì)。MWD與傳統(tǒng)測試方法相比，MWD技術(shù)非常適合鉆機(jī)基本性能監(jiān)測、消耗品追蹤以及鉆機(jī)維護(hù)。

盡管在許多情況下，鉆孔過程中的SE與巖石性質(zhì)的變化密切相關(guān)，但如果要了解巖石的相對強(qiáng)度值，使用SE作為表征參量在一定條件下是可行的。RQI是表征巖體性質(zhì)的一個有用的指標(biāo)，但是RQI不僅對于巖體性質(zhì)的變化敏感，還受到人工操作和鉆頭條件的影響。

利用現(xiàn)有地球物理和地質(zhì)解釋技術(shù)，并將它們與WDM數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)，可以為快速、高分辨率地反映巖體狀況提供一種新的途徑。WDM技術(shù)在頂板條件、礦體輪廓確定、煤巖界面驗證、地質(zhì)填圖、區(qū)域巖石強(qiáng)度探測和爆破設(shè)計等領(lǐng)域已經(jīng)取得了成功的應(yīng)用。然而，在此基礎(chǔ)上，將WDM技術(shù)全面用于礦山規(guī)劃和設(shè)計，從而提高生產(chǎn)率還需要對MDW數(shù)據(jù)更好的解釋。