随钻测量技术在矿业领域发展现状

钻孔和爆破是露天矿开采过程中的重要工序。对于大型露天矿山，钻孔和爆破作业的成本约占到总成本的15%，而且爆破效果的好坏还会对后续铲装、运输、破碎等环节的生产效率造成直接的影响。因此，为了优化爆破效果和降低生产成本，深入了解钻孔和爆破作业是非常有必要的。

影响钻孔和爆破效率的因素有很多，其中有些因素是可控的，如钻孔深度、孔距、炸药类型、装药量、堵塞、起爆方式；而有些因素则是不可控的，如地形、岩体性质。钻孔和爆破的目的是破碎岩体，因此掌握岩体性质是优化爆破设计，提高最终爆破效果的有效途径。

矿山开采过程中遇到的岩石性质差别很大，即使是在同一个矿区，相隔不远距离，岩石材料强度和结构也会存在较大的差异。为了获取矿区内岩体性质，传统的方法通常是钻孔采集矿区内若干区域的岩芯，然后回到实验室进行测试和分析，以获取矿区内岩石的强度和结构信息，要么则是采用地球物理方法。有限的测试数据并不能完整的反映出爆区岩体的性质，并且需要花费大量时间。因此，为了更准确的获得爆区岩体的性质，MDW(Measurement-While-Drilling, MDW)技术被引入到采矿工程领域[1]。MDW技术不仅提高了岩体信息采集效率[2]，还能够为爆破工程师爆破设计提供特定的信息，从而极大的提高爆破设计的可靠性。本文对MDW技术及其在采矿工程中的运用情况进行了一个简单的介绍。

1 MDW技术简介

早在1911年，Schlumberger将电法测井技术引入到石油工业领域，最初被称为随钻测井(logging-while-drilling, LWD),当时主要的目的是为了减少钻井作业的盲目性，从而提升对油田地质和构造特征的认识。从那时起LWD技术得到了快速的发展，并增加了一些其它功能，用于提高探测能力。这一技术在石油工业领域得到了成功的运用，并在二十世纪七十年代逐渐扩展到采矿工程领域，特别是露天开采台阶钻孔，试图在钻机钻进过程中认识地下岩体的性质，如图1所示。

图1 露天矿MWD系统

早期用笔带式记录器记录钻孔过程中的各种关键信息，当时对采集数据的分析需要花费较多时间，效率较低，并且监测系统故障频发，因此并未给矿山钻孔和爆破作业带来明显的改善。然而，随着计算机计算能力的提高，以及相应分析软件的出现，使得MWD监测数据在采矿工程领域越来越受到人们的重视。地质学家可以通过计算机快速分析并建立WMD系统监测数据同岩性之间的关系。爆破工程师也能够及时获取每个钻孔的位置、深度、倾角以及岩性等关键信息。

MWD是一种测量、监测、记录钻孔参数的数据采集系统，并根据钻机关键参数反馈钻机的运行情况。钻机工作过程中记录下钻机在钻进过程中各种参数的变化信息，如钻孔深度、时间、穿透率、转速、向下推力、扭矩、倾角等[3]，对数据进行分析，从而确定地下岩体性质[4]。整个系统通过安装到钻机各个关键位置的传感器采集钻机钻孔过程中上述参数的变化信息，如图2所示。

图2 安装在钻机各个位置的传感器[5]

传感器主要有压力传感器、运动换能器以及电磁接近探测器。其中压力传感器是将向下推力、扭矩、钻进液压值传递给监测系统；运动换能器通常安装到钻杆顶部，通过电缆与钻头相连，提供钻进速度和钻进速率信息；旋转速度则是通过安装到钻头上的电磁接近探测器获得。MWD技术的主要优势包括以下几点：

(1)减少地质和地球物理调查时间；

(2)优化钻孔，并选择最佳的钻孔参数；

(3)更好的确定煤层的厚度；

(4)优化爆破设计；

(5)改进数据报告；

(6)花费更少的时间处理监测数据。

2 MWD参数

大量的实践表明，很难从理论上定义岩石与钻孔之间的关系，现有的研究结果都是基于长期监测数据通过经验关系得出的。尽管如此，钻孔参数同岩性之间的关系已经得到了人们的共识，两者密切相关。由于岩石本身存在大量的孔隙、裂隙以及不连续面，即使在同一块岩石中取样也很难对岩石进行建模。此外，由于温度、围压、含水率、气体的外部因素的存在，其物理力学性质并不是一个常量。为此，Segui和Higgins[6]指出直接使用钻孔参数作为表征岩石材料性质的指标是不准确的。例如，尽管渗透率同岩石强度成正比，但也容易受到其它因素的影响，如岩体中是否存在不连续面、裂缝和孔隙。为了满足钻孔爆破作业的特殊需要，也为了适应数据采集和数据处理技术的进步，需要找到新的方法从MWD监测数据中提取有用的岩性和钻孔信息。这意味着深入了解钻孔过程，钻孔过程中所需要的能量，钻孔过程各个参数与岩体强度特性之间的关系。为此，Segui和Higgins提出将MWD参数分成3类，即测量参数、计算参数和推导参数。在钻机上，MWD系统可以直接测量的参数，如向下推力、转速、冲洗风量、振动等，计算参数包括渗透率、扭矩和比能等，推导参数则主要取决于实际工作条件，计算时需根据钻机设备以及局部岩体性质进行校正。

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