一种基于GGD理念的深部智能采矿方法与流程

本发明属于深部矿产资源开发领域，具体涉及一种基于GGD(Geology Geophysics Drilling)理念的深部智能采矿方法。

背景技术：

随着技术的进步、经济建设的快速发展，中国常用大宗矿产资源的短缺形势日益凸显。目前，能够产出25种主要金属矿产的415座大中型矿山中，192座(占46.2％)面临不同程度的资源危机。所以，亟需加强矿山深部和外围的找矿工作，发现新矿床，寻找接替资源，以延长矿山寿命，缓解资源供需矛盾，保证国家经济发展。

当进行深部矿产作业时由于地下矿井环境更加复杂，而传统开采方式的技术条件远远不能适应矿产资源的开采要求，也导致一方面深部矿产资源得不到充分利用，另一方面在开采时事故频发。另外，传统采矿方式会导致两种恶劣的环境问题：一是在矿山开采过程中地表破坏导致环境问题，二是污染地下水造成环境问题。并且机械化施工占有比例十分的少，采矿效率严重低下。从整体水平上而言，我国在改革开放后，采矿技术有了跨越式的发展，但是机械化施工所占有的比例十分的少，这样在很大程度上限制了我们国家的采矿效率。

研究国内外已有的先进技术表明：近年来在一些实际应用中取得了良好效果的富有创新的地质勘探技术；利用现代技术实现钻头精确击穿目标点的地质导向技术；基建投资少、建矿周期短、成本低、安全、高效、环境污染小的钻孔水力开采技术；采矿技术革新迅速、成果卓著的矿渣回填设备；因此，亟待结合已有的最新技术，加快推进GGD的技术方法，为相关的从业企业提供新的钻探设备设计与制造思路，指导钻探行业在工业4.0时代的向着智能化、标准化、效率化的方向迈进。并以此解决地下矿体开发的地表植被破坏和环境破坏问题、坑道生产安全问题、成本的优化问题。

因此，为了研究现有技术条件下深部矿产资源智能化采掘的技术流程，需要进一步研究各技术模块的具体实施方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于GGD理念的深部智能采矿方法，采用远程智能化采矿技术提高钻探效率和质量，同时减少安全事故及其所衍生出的环境污染问题，节约矿山开发成本；其理念可为矿产行业的未来发展指明方向，带动传统矿山制造业的升级。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于GGD理念的深部智能采矿方法，包括如下步骤：

S1、按照基础地质的研究理论，进行找矿的普查、详查；

S2、部署探井、测井，进行2-3D的地震勘探，获取勘探区域地层的物理性质、矿体层位信息；

S3、3D地质建模，圈定矿体3D空间展布与储量计算；

S4、设计钻井方案，利用地质导向技术优化井迹；

S5、采用和采选矿、矿浆反排、矿渣回填配套的钻井采掘技术，完成整个深部矿产从开采到回填的智能化流程。

按上述方案，所述步骤S3具体为：基于步骤S2获取的地层的物理性质、矿体层位信息，结合基础地质资料，通过3D地质建模将钻井分层数据、井位坐标、钻井轨迹、测井曲线、测试资料、地震解释成果等数据加载到计算机内，建立一个完整的基础资料和成果数据库模型，从数据库模型中随时提取各种地质研究和油藏开发所需要的数据，然后进行圈定矿体的3D空间展布与储量计算，以及对地层精细对比、落实精细的构造分析。

按上述方案，所述步骤S4中设计钻井方案具体包括：根据步骤S3中3D地质建模所建立的数据库模型，结合地震、地质、测井多学科数据完成轨迹优化；根据3D地质建模的数据，观察分析矿体分布、地质构造、地表状况多方面信息，合理设计靶点位置；利用设计的靶点位置，设计合适的钻孔轨迹击中靶点。

按上述方案，所述步骤S4中利用地质导向技术优化井迹具体包括：

①校对初步设计的钻孔轨迹，利用狗腿度、起钻点参数优化轨迹；

②对于3D地质建模所建立的模型中的相邻钻井运行间隙分析扫描，确定相邻钻井间的间隙的相互关系；

③利用邻井间隙分析扫描结果，观察钻孔设计整体情况，验证其合理性(寻找出相邻钻井间的高危碰撞区域，并进行标记，修正参数直到所有高危碰撞风险被消除)。

按上述方案，所述步骤S4设计钻井方案还包括步骤：利用3D地质建模所建立的模型，结合地层、地质构造、岩体性质相关信息，设计合理的钻具、钻柱组合，具体过程细分为：

①结合钻孔轨迹设计情况，设计合理的井段和套管间隔，确保合理性；

②利用已设计的钻具组合，计算并确定钻具组合的屈曲问题；

③观察分析屈曲问题，并相应调整钻具组合，更新钻具组合后，重新计算屈曲问题，从而改善或消除屈曲问题；

④校对已设计的钻具、钻柱组合，确认钻具、钻柱下到井底；校对钻井设计方案，对仍然存在的曲屈问题进行实时调整，直至完成钻井方案整体设计。

按上述方案，所述步骤S2中，使用深部钻进的第三代钻机，准确探测地层和流体边界位置(同时以电磁测量技术为基础的实时信息交互随钻测量技术提升钻进效率，为后续水力采矿技术提供保障)。

按上述方案，所述步骤S5中，采选矿使用基于钻孔技术和水力学原理的钻孔水力采矿方式，具体包括：

①在钻孔内安装水力采矿钻具，该钻具与水管和气举提升系统连接；

②从地表水池抽来水，用水泵压送到破碎矿层的孔内水力采矿钻具内，把形成的含水矿浆提到地表，含水矿浆用自流方式或利用抽泥器处理后送去选矿，水经过处理后返回储水池。

按上述方案，所述水力采矿钻具在喷头处结合机器人，钻孔周边扩孔，由小变大由浅入深，向前节节推进。

按上述方案，所述步骤S5中，矿浆反排至井口上的粗矿通过选矿设备进行分选加工，余下的矿渣通过矿区末端的钻孔及输送设备运送至采空区进行矿渣回填。

按上述方案，所述步骤S5中，和采选矿、矿浆反排、矿渣回填配套的钻井采掘技术，具体采用计算机监督控制系统，实时有效地完成收集作业信息、分析数据资料、传送施工命令、反馈落实结果的工作步骤并建立钻井系统的基础条件；同时配备有地质信息库，掌握当下钻井开采项目的具体情况；最后完成整个深部矿产从开采到回填的智能化流程。

本发明的工作原理：结合现有的技术条件，利用地质(Geology)和地球物理技术(Geophysics)形成3D地震勘探技术，精确描述地下矿藏的赋存形态，并实时对钻井(Drilling)井迹进行精确导向，通过钻井采掘破碎矿体，反循环采选矿矿渣，矿渣回填技术实现了深部矿产的自采自选，加工提炼，自动回填的一体化智能化钻采掘。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、将地质找矿理论、地球物理技术、钻井设计、地质导向技术、钻孔水力采矿、三维地质建模、矿浆自动返排技术等多项技术学科交叉在一起，提供一种集找矿、采矿、矿渣回填于一体的机械化、智能化、标准化的绿色环保的全新采矿流程，其理念可为矿产行业的未来发展指明方向，带动传统矿山制造业的升级；该技术理念与采掘机械业各个元素中进行协同创新，提升技术领域的整体水平与创新能力；并高效整合业内各要素，解决采掘机械业所暴露出来的生产成本问题、安全问题和环境问题，带动采掘机械业的转型升级；可实现深部矿产高效、安全、环保的智能化施工，亦可针对相关从业企业提供新的钻探设备设计与制造思路，采用GGD的技术理念对其进行深部矿产开采的评价研究；

2、现代化的地质导向技术以及录井技术自动分析钻探数据，修改钻探方向，实现了钻掘的自动化；

3、以钻井行业广泛应用且效果良好的钻孔水力采矿技术为基础，结合水力切割喷头和机器人控制技术，实现钻孔周边的智能化扩孔，由小变大由浅入深，向前节节推进，实现一次钻孔就能轻松高效的采掘地下分布的所有矿产；创新的采选矿技术可以解决地下矿体开发的地表植被破坏和环境破坏问题、坑道生产安全问题和成本的优化问题；

4、及时高效的分析井下条件，提供最优的泥浆配比和技术参数；取出的矿产经过地上工厂的提炼加工，废渣又随着采矿区末端延伸至地表的钻孔向下回填，整个过程循环进行，实现矿区边采边填的绿色智能采矿；利用成熟的矿浆返排技术加快矿浆的排出效率以及提升清孔率；

5、利用庞大的计算机网络和信息交汇处理系统，对地下井迹进行最优规划设计、碰撞危险分析、钻具组合设计、完钻分析等一系列流程的可控化智能化操作，实现钻孔的精准化、安全化、廉价化，保证质量，提高效率，降低成本。

附图说明

图1为本发明基于GGD理念的深部矿产智能开采方法的流程示意图；

图1中，A——矿体勘探阶段，B——建模与钻井设计阶段，C——钻井采掘阶段；

图2为本发明基于GGD理念的深部矿产智能采掘和回填的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进一步的描述，所举实例只用于解释说明本发明，并非限定本发明的应用范围。

如图1所示，本发明实施例所述的基于GGD理念的深部智能采矿方法，包括如下步骤：

S1、按照目前基础地质学科的前沿研究理论以及一手地质资料库，进行初步找矿的普查、详查，以确定探测范围；

S2、根据前期确定的探测范围在合理勘探区域部署探井、测井，运用聚焦电阻率、自然伽马、人工伽马、声波、井径、中子孔隙度等测井技术，以及固体矿床多分量的感应测井响应模拟的矢量有限元法和转换波地震勘探技术等来进行2-3D的地震勘探，获取勘探区域地层的物理性质、矿体层位信息；使用深部钻进的第三代钻机，准确探测地层和流体边界位置，同时以电磁测量技术为基础的实时信息交互随钻测量技术提升钻进效率，为后续水力采矿技术提供保障；

S3、3D地质建模，圈定矿体3D空间展布与储量计算，具体为：基于步骤S2获取的地层的物理性质、矿体层位信息，结合成熟详尽的基础地质资料，通过3D地质建模技术将钻井分层数据、井位坐标、钻井轨迹、测井曲线、测试资料、地震解释成果等数据加载到计算机内，建立一个完整的地下空间地质环境的基础资料和成果数据库模型(三维可视化模型)，从数据库模型中随时提取各种地质研究和油藏开发所需要的数据，然后进行圈定矿体的3D空间展布与储量计算，以及对地层精细对比、落实精细的构造分析；

S4、设计钻井方案，利用地质导向技术优化井迹；

设计钻井方案具体包括：根据步骤S3中3D地质建模所建立的数据库模型，结合地震、地质、测井等多学科数据完成轨迹优化；例如利用Paradigm等类似软件进行分析，根据3D地质建模的数据，观察分析矿体分布、地质构造、地表状况等多方面信息，合理设计靶点位置；利用设计的靶点位置，设计合适的钻孔轨迹击中靶点；

设计钻井方案还包括步骤：利用3D地质建模所建立的模型，结合地层、地质构造、岩体性质等相关信息，设计合理的钻具、钻柱组合，具体过程细分为：

①结合钻孔轨迹设计情况，设计合理的井段和套管间隔，确保合理性；

②利用已设计的钻具组合，计算并确定钻具组合的屈曲问题；

③观察分析屈曲问题，并相应调整钻具组合，更新钻具组合后，重新计算屈曲问题，从而改善或消除屈曲问题；

④校对已设计的钻具、钻柱组合，确认钻具、钻柱可以下到井底；校对钻井设计方案，对仍然存在的曲屈问题进行实时调整，直至完成钻井方案整体设计；

利用地质导向技术优化井迹具体包括：

①校对初步设计的钻孔轨迹，利用狗腿度、起钻点等参数优化轨迹；

②对于3D地质模型中的相邻钻井运行间隙分析扫描，确定相邻钻井间的间隙的相互关系；

③利用临井间隙分析扫描结果，寻找出相邻钻井间的高危碰撞区域，并进行标记，以便后期观察是否被修正；

④反复修正参数，并运行上述两个步骤②～③，直到所有高危碰撞风险被消除；

⑤再次对相邻钻孔轨迹运行间隙分析扫描(此时高危碰撞危险已被消除)，观察钻孔设计整体情况，验证其合理性；

S5、采用和采选矿、矿浆反排、矿渣回填配套的钻井采掘技术，完成整个深部矿产从开采到回填的智能化流程；

采选矿使用基于钻孔技术和水力学原理，具体包括：

①在钻孔内安装水力采矿钻具，该钻具与水管和气举提升系统连接；水力采矿钻具在喷头处结合机器人，钻孔周边扩孔，由小变大由浅入深，向前节节推进，实现一次钻孔就能轻松高效的采掘地下分布的所有矿产；

②从地表水池抽来水，用水泵压送到破碎矿层的孔内水力采矿钻具内，把形成的含水矿浆提到地表，含水矿浆用自流方式或利用抽泥器处理后送去选矿，水经过处理后返回储水池；

矿浆反排至井口上的粗矿通过选矿设备进行分选加工，余下的矿渣通过矿区末端的钻孔及输送设备运送至采空区进行矿渣回填。

如图2所示，前期在地表搭建好钻塔、分矿选矿工作区、矿渣回填工作区，依据前述基础地质研究资料、三维地质建模数据，将钻孔精准打入目标矿层，通过钻孔水力采矿技术破碎矿层，由矿浆返排技术将破碎矿层压送到破碎矿层的孔内水力采矿钻具内，把形成的含水矿浆提到地表的分矿选矿区，返排至井口上的含水矿浆(粗矿)用自流方式或利用抽泥器处理后得到目标矿体，余下的矿渣经矿渣回填工作区由矿区尾端的钻孔及输送设备运送至采空区进行回填。

在图2中，在井下采矿，井口选矿到矿渣回填的整个钻井采掘过程中，钻井采掘技术采用计算机智能化监督控制系统，实时高效地完成收集作业信息、分析数据资料、传送施工命令、反馈落实结果等一系列工作步骤，并建立钻井系统的基础条件，同时配备有地质信息库，有效的掌握当下钻井开采项目的具体情况；最后完成整个深部矿产从开采到回填的智能化、绿色化以及高效化的深部采矿流程。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之类，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。