地質礦產勘查及綠色勘查技術創新研究

王 燕，劉 林

（江西省地質局第九地質大隊，江西 吉安 343000）

2022年2月各地區礦產開發單位，針對安全生產工作給出了各項管理部署，創建“第一課”項目，有序開展各項安全培訓，選派專人以工程安全為主體，有效梳理綠色勘查的各項工藝內容，給予專業的技術指導，保證人員配備的齊全性，建立完整的生產制度，加強戶外生產的安全性，給出具體的應急措施，以“安全”“生態”為中心，塑造工人安全思想，有序推進各項地質勘查生產活動。

1 合理選擇采樣方法

礦產勘探期間，應選擇合理的采樣方法。巖心鉆探生產活動，需采取巖礦分割處理，一半巖礦用于生產樣品，另一半巖礦物資用于存儲。樣品的持續性開采，主要選擇礦化位置，每個樣本的長度介于1m至2m。開闊區域﹑山地等項目進行采樣活動時，含有刻槽﹑剝層﹑打眼等多種形式。刻槽工藝具有較高的使用頻率，以礦體為基礎，按照特定規格進行長槽生產。多數情況下，長槽的長邊參數取5cm，短邊參數取2cm，深度參數取10cm。刻出的物資均制作成樣品。樣品應具備一定代表性，采取橫切礦體工法，選擇穿脈坑道位置，在一壁﹑兩壁等位置設計1至2m長度的樣品，橫向持續進行采樣操作。剝層工法是以礦體為主體，從上至下進行礦石剝層處理，將剝層獲得的物資制成樣品。全巷工法選擇目標礦體結構，進行坑道掘進生產，按照目標進尺方法，將全數礦石均制成樣品。

2 地質礦產勘查的關鍵工藝

2.1 磁法勘探

礦產勘探項目的各項工作，多數位于戶外環境，極易受到地磁場的干擾，礦產與巖石將會發生磁化反應。在特定工況中，會引起礦石受到磁場干擾問題，使礦石攜帶一定磁性。如果磁性與地磁環境出現相互反應，將會發生磁性異常情況。工人可采取檢測形式，關注磁性變化與礦石的內在關聯。參照理論內容，梳理礦石分布特點，研究地質構造的具體特點。例如，鐵礦勘查任務，可使用磁法勘探工藝，對比各處礦石的磁性強度，判斷鐵礦含量，找出礦石分布規律。磁法勘查可用于多種勘探任務，并能夠保證礦石探測的全面性。如表1所示，是磁法勘查的區域比例規范﹑磁測操作要求。

表1 磁法勘查的區域比例規范、磁測操作要求

2.2 電法勘探

電法勘探工藝的操作理念較為復雜，借助巖石內部各類電子化反應﹑電化學屬性，有序執行勘測任務。工藝實踐期間，可將“電子化”“電化學”兩種反應差異表現出來，分析天然電磁場的內在特點，參照空間分布的具體情況，探尋多種類別的礦產，保證地質勘探工作進展的順暢性。各類礦體﹑巖層結構層表現出的導電﹑導磁能力，具有一定的差異性，對巖層﹑礦體的物化屬性進行對比研究，可獲得各類礦體的屬性，掌握礦體的分布特點，給出相應的找礦方案。電法勘探使用多種類型的物理參數，比如電阻比例p﹑導磁能力u﹑人工體極化比例η﹑區域極化能力λ﹑環境極化電位變化△ε﹑介電常數ε。電磁勘測數據的采集能力較強，單個測點的數據采集時間介于2s至5s。

2.3 X射線熒光

勘測地質礦產項目時，可利用X射線熒光進行探查。探測期間，使用X射線測定土層﹑巖層處分布的元素類型，采取定量/定向等分析措施，有效搜查礦區位置。X射線探查工藝，適用性較強，可用于金屬找礦項目，可以保證勘測結果的可用性，降低采礦人員的找礦難度，增強整體找礦生產的高效性。X射線熒光工藝使用期間，含有特征X射線，并未使用持續性X射線，射線發出等級有“原級”“1級”“2級”，對應產出“1級”“2級”“3級”的熒光。

2.4 GPS感應

GPS感應工藝是通過使用定位技術進行找礦，實測信息回傳至接收站，結合區域實況﹑礦產方位開展找礦分析，在采礦活動中表現出較高的技術優勢，可降低人們找礦的困難性。比如，使用手持GPS設備，測定礦產的具體位置信息，在現有測點位置校準參數，定位用時5min左右。對比礦區現有的定位測點﹑GPS可獲得定位的測點，進行合理的參數優化處理，可提升手持GPS設備的定位信息精確性至少5m，順應“1∶2000”﹑“1∶10000”各類較高比例規格的礦產測量工作，保證礦產定位信息的準確性。如圖1所示，是全球定位技術的框架圖。

圖1 全球定位技術的框架圖

2.5 地球化學

地球化學工藝是借助先進科技，綜合分析地質勘測信息的可用性。有效采集各類價值資料，開展相應的數據分析，結合分析結果，篩選可用信息，增強勘測資料的準確性。在地球化學實測期間，技術人員可使用先進工藝，測定沙漠范圍內的礦物資源，結合探測資料追尋礦體信息，找出可溶性物質，作為地球化學的探測結果。地球化學工藝的測定信息級別較高，引入了“納米尺寸”思想，可對1nm至100nm的礦物進行探測。如圖2所示，是使用地球化學掃描金屬礦石的圖像。

圖2 地球化學掃描金屬礦石的圖像

當礦物資源的粒度處于納米層次時，顆粒度較小，會使納米資源表現出較高的比表面積。比如，二氧化硅的粒徑發生變化時，初期粒度為36nm，變化至7nm，其比表面積會從初期的75m2/g，轉變成360m2/g。納米顆粒與其他物質的反應能力﹑顆粒擴散能力相應增強，表現出更強的吸附作用，降低了顆粒熔點值。利用納米級變化的各類化學規律，進行找礦分析，可保障礦產探測結果的精確性[1]。

3 創新綠色勘查的工藝體系

3.1 建立綠色開采工藝的動力體系

國內多數研究人員以技術新穎性為出發點，以動力體系為研究方向，給出了收益性較高﹑動力較強的采礦函數：

公式（1）為采礦函數的動力分析模型，R表示技術更新的收益量，Re表示工藝創新后的預期收益量，βi表示開采工藝更新后的采礦風險可能性，C表示工藝創新的資金投入量。

3.2 構建清潔型開采方案

3.2.1 水源保護

對地質礦產開展的水源保護工作，可稱為“保水工藝”。此技術能夠保證地質開采活動秩序，積極防控滲流突變問題，有效降低礦區突水事故的發生概率。采礦前期，全面掌握區域水資源分布的特點，結合地質礦產的探勘數據，精準判斷采礦位置。對于含水﹑隔水各個地質位置，給出有效的動態分析。保水工藝使用時，積極融合采礦﹑注漿等工藝內容，利用巖層運動的控制措施，建立隔水層，防止導水裂隙形成問題。

例如，神東礦區制定采礦方案時，引入了“采煤保水工藝”思想，分別從“條帶開采”“膏體填充”“ZKD高水速凝回填”等方面，進行了保水工作。其中，ZKD型速凝用料含有多種類型的添加劑，用料摻水比例不小于95%，可有效控制固體用料比例，作為充填用料的首選。

3.2.2 充填減沉

以清潔思想開展礦產開采活動，應側重保護礦產周邊建筑，使用充填減沉工藝，對采空位置進行有效回填。使用條帶﹑充填等開采方式，可有效降低地面沉降問題，積極防控巖層沉降帶來的不利作用，切實維持地表體系的平穩性。

3.2.3 共采工藝

采礦期間可將有害物資﹑目標礦物資源均作為開采主體，以此降低有害氣體的傳出量，積極應對環境污染問題。使用共采工藝可有效提升礦產開采能力，保證有害氣體資源的開采能力，保證能源開采的多樣性。在實踐開采活動中，有害氣體分布在礦產結構中，會增加共采工藝的操作困難性。共采工藝的實操期間，可將有害物資從鉆孔位置傳送至目標礦層位置。合理判斷采區勘測資料，查看有害氣體的具體數量，合理分布懸空﹑隔離等設施，保證礦產資源的清潔性。

3.2.4 廢料利用

采礦期間使用了數量較多的矸石廢料，是引起礦源環境受到污染的關鍵因素。結合地區生態性的規劃需求，使用矸石為回填用料，將其填充至采空位置，以此提升矸石廢料的利用效率，補充開采工藝的可用材料，構建清潔型采礦工藝體系[2]。

4 綠色開采工藝的實證分析

為驗證綠色開采工藝的有效性，采取實證分析形式，測定新型開采工藝的設計效果。驗證目標：分析綠色開采工藝的技術能效，判斷綠色生產工藝可能產生的不利作用。驗證方法：選定一處待開發的礦產項目，作為實證分析的主要項目，試驗與參照兩個項目的初期勘查技術一致，將目標采礦工程劃分成礦區，使用各類開采工藝，對比開采能效，分析減排效果。測定開采技術效率的具體方式，是有效測定礦產資源的開采數量w，開采用時t，則開采效率p=w×t-1。實證分析結果如表2所示。

表2 實證分析結果

由表2實證資料可知：借助綠色開采工藝，顯著提升了技術效率，礦產開采量從6.8t增加至7.2t，采礦時間從4d縮減至3d，水污染范圍從703.4m3縮減至665.2m3，水污染濃度從0.08g/m3降至0.04g/m3，土地污染區域從568.7m3降至530.4m3，空氣污染得到有效改善。由此推斷：綠色開采工藝在開采量﹑采礦用時兩個技術方面，表現出較高的技術優勢，在水污染范圍﹑土地污染范圍﹑水污染濃度﹑空氣質量等方面，表現出優異的生態性優勢，可進行開采技術推廣[3]。

5 充填減沉工藝應用的實例分析

5.1 J項目概況

J項目的礦井項目規格達到了千萬噸級別，初期設定的原生產規格為640t/a，礦井實際生產能力達到了1080萬t/a。J井田共含有三個組成，井田規格為76.4m2，井田礦層共有15層資源，開采層集中于3層﹑15層。對3層進行采掘作業，3層與15層的直線距離約為85m，礦層資源厚度介于4.46m至8.73m之間，層厚平均值為6.30m。此次開采任務以綜采為主，采礦面離地大約850m，礦層底板高度參數為420m，作業面的傾角參數設計為3°，礦層厚度平均值為6.2m。使用機械設備，進行綜合開采，保證采礦效率。

5.2 編制充填開采方案

對作業面進行鉆孔處理，使用注漿充填工藝，對采礦形成的巖層分離層，進行高壓回填處理。采空區域內設定壓實操作區，創建結構平穩的承載體系，有效防控地表塌陷問題，對矸石山體形成全面保護，以此延長礦山的可采時間，增加礦產資源的開采能力。使用矸石回填方法，達到綠色生產目標。

5.3 測定注漿層位

合理選定注漿巖層的具體位置，可保障巖層隔離回填處理質量。如果注漿層與礦產資源的間距較大，會縮小漿液的擴散區域，高壓漿液就難以有效處理采空位置，導致殘存部分裂隙帶。注漿處理完成，巖層整體結構會繼續下沉。如果注漿位置不高，注漿層正處于以裂隙帶為主，注漿處理會發生跑漿問題，增加漿液用量，無法保障生產秩序。為此，注漿層位應選定在裂隙的上層位置，防止控制層出現斷裂問題，以此達到地表下沉的控制目標。

如果將首層巖層設定為控制層，此層應可以有效控制m個巖層。如果巖層上方m+1層位置設為控制層，則有qm+1＜qm的關系。其中，qm表示m層位置巖層承受的豎直方向應力，qm+1表示m+1層位置巖層承受的豎直方向應力。逐一確定J項目采礦任務的各個覆巖位置，共計選出7個控制層。參照周邊采礦面的裂隙帶高度測定數據，采礦任務裂隙帶的實測高度，等同于采礦區高度的11倍，具體測定結果為68.2m。首層﹑次層的控制層設計，選在導水裂隙區域內。第三層的控制層方位，與采礦面頂板相距115m。注漿斜面孔位的布設方法，如圖3所示。

圖3 注漿斜面孔位的布設方法

5.4 開采效果

結合J項目的實際地質特點，使用UDEC模擬程序，梳理注漿巖層的下沉規律。案例項目采礦作業面的整體傾斜角度不大，項目模擬期間，可將各巖層轉變為水平方向，采礦面共設7個控制層，模型依據采礦面長度沿線進行切面處理，模型規模為：短邊長為1500m，高度參數為520m，模型頂部設計為結構松散層，厚度參數選取120m，各巖層模擬時均引入固定約束條件，保證模型底面位置的平穩性。左右邊界控制時，有效控制模型向X軸的移動量。采礦面整體長度設計為300m，正處于模型正中位，引入del命令進行開采模擬，注漿孔分布于第三層的控制層下方位置，執行pfix命令，開展注漿活動。

模型頂面位置的測點統計﹑測點位置改變情況，如表3所示。

表3 模型頂面位置的測點統計、測點位置改變情況

參照建筑損壞層次的具體規范，地表結構形變的傾斜參數i不足30mm/m時，可判定為輕微損壞層次。結合表3的實測結果，推斷J項目使用注漿回填工藝開展的采礦作業，使地表形變值不大，能夠保持矸石山結構的平穩性[4]。

6 結論

綜上所述，應對礦產資源進行的各項開采活動，以綠色工藝為主要內容，保證企業生產技術體系的全面性，發揮技術支持生產的積極作用。建立新型綠色開采工藝體系，能夠降低采礦生產形成的環境污染問題，切實提升采礦有效性，營建生態型采礦環境。