矿产勘查工程的设计与施工管理

1.地质条件和矿产特征

缓倾斜的，埋藏不深的地表矿多适用于浅井勘查；残余、残坡积及砂矿多适用于浅井或浅钻勘查；中等-较陡产状的矿体地表适合于槽探勘查，深部适合于钻探勘查：矿体产状较陡-直立的矿体适合于坑道工程查；对于矿化极不均的贵金属及稀有金属、含量极低的宝石和特种原料矿、颗粒粗大的伟晶岩矿多适合于坑道勘查。

2.自然地理条件

自然地理条件系指工作区的地形地貌、气候、水系发育程度、基岩的剥蚀发育程度第四系覆盖层的发育程度等。这些条件在某些时候往往是影响勘查方法选择的主要因素。

1）高山区：地形复杂，地势较高，切割强烈，基岩出露较广，水系发育，交通困难。该区适合的勘查工程主要为坑探工程（槽探和坑道）。

2）大面积覆盖的平原区：第四系覆盖面积大且厚，基岩露头很少见到，地势平坦交通方便。可选用轻型山地工程和钻探工程。

三个影响条件在矿产勘查中必须综合考虑，才能获得最佳勘查工程选择方案。

勘查工程设计主要包括地表坑道工程、地下坑道工程及钻探工程的设计。

1.地表坑探工程设计

在揭露接近地表的矿体时，要设计地表坑探工程（槽探、浅井）和浅钻。这时需要注意和深部工程配合。如第一个探槽或浅井、浅钻等，一般都设计在矿体的中部，然后根据所确定的距离（如探槽间距离）向两边扩展，布置其他与其平行的探槽。在向两边扩展时，如遇矿体露头，一般用剥土代替。当矿体成群成带出现时，要设计主干探槽，其位置要选择可能遇到平行矿体机会最多的位置。对地表覆盖层下面的倾斜状矿体或矿脉，确定探槽位置要考虑“V”字形法则，判断矿层可能出现的位置（图6-8）。

图 6-8  探槽布置的“v”字形法则

1）探槽（TC）。是从地表挖掘的一种槽形坑道，其横断面为倒梯形，探槽深度一般不超过3~5m，探槽断面规格（表6-1）视浮性质及探槽深度而定。探槽的布置应垂直矿体走向或平均走向（根据目的和意义不同还有走向槽和十字槽）。探槽有两种，即主干探槽和辅助探槽。主干探槽应布置在工作区主要的剖面上或有代表性的地段，以研究地层、岩性、矿化规律、揭露矿体等。而辅助探槽是在主干探槽之间加密的一系列短槽，用于揭露矿体或地质界线，可平行主干探槽，也可不平行。所有探槽适用于浮土厚度不大于3m，当地下水面低时，覆盖层厚达5m时也可使用探槽。槽探施工长度和深度根据实地情况，达基岩一定深度和设计要求目的实际所需长度，如揭穿矿层（体）上、下界线或蚀变带等所需的地质目的便可竣工。

表 6-1  探槽断面规格参考

2）探井。探井包括圆井和浅井。圆井主要用于地质填图中遇到第四系覆盖，而槽探又达不到地质目的时，用以了解第四系厚度及下伏基岩岩性。因其施工方便，在矿区勘查中经常使用。浅井主要用于覆盖区揭露矿化、蚀变带、矿层和物化探、重砂异常。①圆井（YJ）：圆井的设计施工深度一般不超过5m，但如果第四系稳定性好、井下不充水或少水，经安全人员实地查看批准，在有预防措施的条件下，圆井深度可适当加深。圆井揭露至基岩0.3~0.6m深度即视为达到地质目的。当施工条件有利，而且矿层厚度较小，在允许的施工深度内可以揭穿矿层时，圆井可起到浅井的探矿作用。②浅井（OJ）：浅井的施工深度较大，为便于井壁支护，一般设计成方井，有时也设计成长方形井。它是由地表垂直向下掘进的一种深度和断面均较小的坑道工程。浅井深度一般不超过20m，断面形状可为正方形、长方形，断面面积为1.2~2.2m浅井的布置由于矿体规模产状不同，其布置型式也不同。当矿体产状较陡时，在浅井下拉石门或穿脉，当矿体产状较缓时，浅井应布置在矿体上盘（图6-9）。浅井主要用于揭露松散层掩盖下的矿体，深度一般不超过20m。对某些矿床如风化矿床，浅井是主要的勘探手段，对于大体积取样的金刚石砂矿或水晶砂矿来说，只能用浅井来勘探。

图 6-9  浅井布置型式图

A一缓倾斜浅井布置；B一陡倾斜浅井带石门；C一陡倾斜带岔浅井

1一残积层；2一围岩；3一矿体

2.地下坑道工程设计

由于地下坑道工程施工技术复杂，工程量大，物质消耗也大，投资费用多，所以设计时必须有充分的地质依据和明确的目的。要提出不同的设计方案，进行地质效果和经济效果的比较，选择最优方案进行设计。

（1）设计原则

①勘查坑道的设计必须考虑以后开采时利用的可能性。为此，必须了解该矿床的开采方法和开拓方法，以及开采中段的高度。而开采方法又决定于矿体的埋藏条件、矿体顶底板的稳定程度以及矿体本身的物理机械性质，因此，应与开采设计部门共同研究，在满足地质勘查要求的前提下尽量考虑开采时可利用原有的原则进行布置。②水平坑道间的垂直距离要和中段高一致，或为其整倍数。一般急倾斜矿体厚度大时，中段高为50~60m，厚度不大，中段高30~40m；而缓倾斜的矿体，中段高度为25~30m。③同属一个开采系统的同一水平层的勘查坑道标高应当一致。上述与开采块段或开采中段相一致的勘查坑道系统，可作为采准坑道，这种坑道的断面可以小些。如果勘查时用于通风的水平坑道，其断面形状与大小、坡度、通风支护方式等设计要与开采要求相一致。这种坑道多开在矿体附近的围岩中，以免保留大量的保安矿柱而造成矿石的损失。④在地表有直接出口的平坑口应有比较开阔的场地，以便建筑附属车间，并堆放废石。坑口标高应高于历年的最大洪水位。

（2）地下坑道工程类型及设计

平硐（PD）：从地表向矿体内部掘进的水平坑道（图6-10a）。断面形状为梯形或拱形。主要用于揭露、追索矿体，可供行人、运输、通风、排水之用。在地形条件有利时应优先使用平坑道。

石门（SM）：在地表无直接出口与含矿岩系走向垂直的水平坑道（图6-10b）。石门常用来连接竖井和沿脉，揭露含矿岩系和平行矿体等。

沿脉（YM）：在矿体中沿走向掘进的地下水平坑道（图6-10c），用以了解矿体沿走向的变化，在矿体之外的沿脉坑道，可供行人、运输、通风、排水之用。

图 6-10  地下坑探工程

穿脉（CM）：垂直矿体走向并穿过矿体的地下水平坑道（图6-10d）。穿脉用以揭露矿体厚度、圈定矿体，了解矿石组分及品位，查明矿体与围岩的接触关系等。

各水平坑道的断面规格：矿车与坑道一侧的安全间隔为0.2~0.25m，人行道宽度为0.5~0.7m；其形状一般为梯形或拱形，坑道净高不小于1.8m；水平坑道应有3%~7%的坡度：弯道曲率半径应不小于矿车轴距7~10倍。

暗井（AJ）、天井（TJ）：在地表设有直接出口的垂直向上或向下的井。在坑道中垂直向下的叫暗井、垂直向上的称天井。断面一般为长方形，规格为1.5mx2.5m。主要用于揭穿矿体上下界线，追索和圈定矿体。

上山（SS）或下山（XS）：在地下坑道中倾斜施工的斜井称上山或下山（图6-10g）。上山或下山用于在地下坑道中向上或向下勘探矿体，追索圈定被错断的矿体、贯通相邻中

断水平坑道。斜井（XJ）：是在地表有直接出口的倾斜坑道（图6-10）适用于探产状稳定倾角小于45°的矿体。斜井与竖井相比，可减少石门长度，但斜井长度比竖井深度大。斜井断面形状有梯形和矩形，净高不低于1.6m。

竖井（SJ）：是直通地表且深度和断面都较大的垂直向下掘进的坑道（图6-10e）。

坚井是人员出入、运输、通风、排水的主要坑道，竖井在矿床勘探和采矿时均可应用，采矿竖井有主井、副井及通风井之分。竖井应布置在矿体的下盘，以确保采矿时使用安全也可减少矿量损失，保证其他地下坑道的稳固。坚井断面面积有4、4.5、5.5、6、6.5、7m²等。设计竖井不宜过多，一般情况，多在矿山开采中使用，一个矿床设计1~2个为宜。

布置竖井时要求：①井简应布置在矿体下盘，而且在开采后所形成的地表移动带范围之外，以确保井筒的安全，并避免维护井筒而保留大量的矿柱。②井简要避开断层地带流沙层及含水量较大的破碎带，或者厚度大而又非常坚硬的岩层（如花岗岩、石英岩等）。③井筒位置不宜在湖沼、低地、河谷或易被洪水淹没的山谷中，井口标高要高出历年最高水位。④井口附近有良好地形条件，便于建筑，排水和堆放废石及运输等。⑤开采时地下石门要最短。

地下坑道工程，由于成本高，施工困难，因此多用于矿床勘探阶段，在使用时应考虑矿床开采时的需要。

向深部延伸的竖井、斜井以及石门，主要用于运输，勘探阶段较少应用。但对筒状巢状、囊状等形状复杂或产状较陡、变化较大而价值高的矿床常用竖井配合一系列水平坑道进行勘查。勘查竖井一般在开采时被用来作通风或其他用途的副井。因此，勘查竖井的位置与开采竖井要相适应。

3.钻探工程的设计

钻探工程设计包括确定钻孔截穿矿体的部位、开孔位置及钻孔的技术要求和钻孔理想柱状图的编制。

（1）钻穿矿体部位的确定

首先要根据勘探线（或勘探网）和地质资料编制勘探线剖面图，然后以地表矿体出露位置或已施工探矿工程截穿矿体位置为起点，沿矿体倾斜方向按选定的工程间距，根据矿体倾角大小，沿矿体中心线测出钻孔截穿矿体的位置。勘探线工程间距为斜距，勘探网为水平或缓倾斜矿体，工程间距为水平距离。

若矿体成群分布，钻孔穿过矿体的位置则以含矿带的底板边界为准；若有数个彼此并行、大小不等的矿体时，则以其中主矿体为依据：若为盲矿，则以第一个见矿钻孔位置为点，按选定的工程间距沿矿体的上下两端定出钻孔截穿矿体的位置。

（2）钻孔的孔口位置和钻孔倾斜角度及深度的确定

孔口位置根据勘探线剖面设计钻孔后确定高程，再投影到设计平面图上便可确定平面坐标。设计的钻孔孔位要有便于施工的场地，要避开陡崖、建筑物、道路等。否则要移动孔位或改用其他勘查工程手段，允许移动的距离视所探明的储量/资源量级别确定，一般在勘探线上可移动10~20m，在探线两侧可移动数米。

钻孔倾角是指钻孔轴线与水平面的夹角，天顶角是钻孔轴线与垂线之间的夹角，其倾角根据设计直接测量。

孔深根据地质要求确定，钻孔穿过矿体后在围岩中钻进1~2m即可，若矿体与围岩界线不清或有平行矿体，则要继续向下钻进，并以相邻钻孔之资料或参考开采深度来确定终孔深度。

（3）钻孔技术要求

①岩心和矿心采取率要求岩心平均采取率不低于65%~70%（具体按相应矿种规范执行），矿体及顶底板3~5m内的围岩、近矿岩带、控矿构层的采取率不低于80%；若连续有两个回次（或厚大矿体中连续5m以上）采取率低于80%时，必须采取补救措施。②保持岩心原状，对回次进尺长度应提出要求，对穿矿孔径要提出最低要求（满足取样），一般要求不低于65mm。③钻孔弯曲度要求直孔每钻进100m测量一次，当顶角超过5°时，测斜距离按斜孔对待；斜孔每钻进50m测量一次。钻孔顶角要求：金刚石钻进直孔<1°/100m，斜孔<2°/100m；钢粒钻进直孔<2°/100m，斜孔<3°/100m。特殊情况可根据矿区实际情况确定最大允许偏离范围。④孔深测量要求每钻进100m或见主矿层、重要标志层、下套管前和终孔后均需测量井深。孔深校正最大允许误差为1/1000超出时要及时消除。⑤简易水文观察，观测孔内静止水位、冲洗液消耗量、涌水位置、涌水量及水头高度、漏水位置和漏失量等。⑥原始记录报表，由专人负责，做到及时、准确、详细和整洁，终孔后成册、归档。⑦封孔，凡要封孔的钻孔，要求机台认真执行，并埋设孔口标志。

（4）在勘查设计过程中钻孔通过矿体时要求

钻孔尽可能地沿矿体的厚度方向及钻孔轴线与矿体表面相垂直。在难以满足上述要求时，则钻孔与矿体表面的夹角不得小于25°~30°，以防止钻孔不能通过矿体而发生孔斜事故；钻孔尽可能在矿体的上盘方向穿过矿体，极少钻孔从下盘穿过矿体。

（5）钻孔类型

根据矿体和围岩的产状、物理技术性质及钻探技术可能，钻孔按其角度和方位有以下几种类型：①直孔。钻孔沿垂直方向钻进，适用于倾角不大于45°时产状平缓的矿体、均质无层理的火成岩，以及较厚的松散沉积层中。这是一种施工方便、常采用的钻进类型。②斜孔。钻孔与铅垂线成一定夹角钻进，一般适用于产状较陡（45°~60）的矿体和岩石，以保证钻孔沿着或近似地沿着厚度方向钻进，斜孔的方向一般向下，向矿体倾斜方向的相反方向钻进，但在坑道中的地下钻孔，可以任何角度进行钻进，其中包括斜孔和水平钻孔，而斜孔也有向上钻进的。③定向孔是钻孔在施工所允许的弯曲范围内，随着深度的变化有规律地将倾角变化，使钻孔以理想的角度穿过矿体。定向孔的施工技术更加复杂，设计前要有足够的地质资料，如岩层与矿层的厚度深度、倾角、硬度变化等。定向钻孔一般用于倾斜大于60°，且片理发育软硬相间的地层，或者是上部平缓、下部变陡的地层中，使钻孔按一定深度间隔，以θ₁、θ₂、θ₃......进行钻进（图6-11）。避免直孔与岩层或矿体表面夹角过小或用斜孔造成进尺太长的缺点。定向孔的方向和斜孔一样，要求与岩层走向垂直。

图6-11钻孔的人工弯曲

6）编制钻孔理想状图

钻孔理想柱状图是钻孔技术设计和施工的地质依据，是根据地质设计剖面图编制的比例尺一般为1：500~1：1000。内容包括由上而下的岩性分层、各层钻进的起止深度、矿层（矿体）起止深度、钻孔的技术要求及钻孔施工中应注意的事项（如岩层破碎、坍塌涌水、流沙、溶洞等）。

钻孔设计完成后，再将钻孔编号、坐标、方位角、开孔倾角、设计孔深、施工目的施工顺序等列表归总，提交审批和提交钻探部门。

上面所讲的勘查工程的设计，是涉及不同种类、不同位置、不同深度、不同技术要求的一大批工程，这些工程不可能也不允许全部同时开工，而需要先后逐步地进行，因而,就涉及施工的顺序问题。施工顺序遵循由已知到未知、由浅到深、由近及远、由稀到密的原则。

1）由已知到未知。是把首先施工的工程放在地质情况最清楚、最有把握的地段上然后，再根据它的结果去推测下一个工程的情况，这样依次进行。

2）由近及远。是指首批施工的工程应当是靠近已知矿体中心地段的工程，然后，逐渐扩展到未知的地段。

3）由浅到深。是指先施工地表和浅部的工程，然后再逐渐向深部扩展。

4）由稀而密。是指首先应当概括地了解矿床的全貌，迅速圈定矿床、矿体的大致分布范围，然后再了解各部分的细节。所以开始的工程间距要大，逐渐加密，逐渐提高可靠程度。

5）工程的施工可以依次进行，也可以分批进行，还可以两者结合起来，既依次而又并列进行。

以上1）、2）3）原则实质上是把首批工程放在地质情况最熟悉、最为有利、矿化较好、厚度较大、矿体延深最有把握的地方，这样比较稳妥，第一批工程为第二批工程提供施工依据，可以避免浪费。

一个矿床应当按什么样的顺序进行勘查除遵循上述原则外，也要考虑勘查设备的情况，以及国家对该矿种的急需程度，还要考虑对矿床地质规律的掌握情况。一般设备较多、力量较强就可以采用分批按次方式进行施工；如果国家急需该矿产时，为了加快勘查的速度，可以采用并进的施工方式；在对矿床的地质规律尚不十分清楚的情况下，不宜过急地并列进行勘查。此外还要考虑到钻机搬迁是否方便。总之，要根据具体条件进行分析，采用合理的施工顺序。