本發(fā)明屬于深部礦產(chǎn)資源開發(fā)領(lǐng)域，具體涉及一種基于GGD(Geology Geophysics Drilling)理念的深部智能采礦方法。

背景技術(shù)：

隨著技術(shù)的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，中國常用大宗礦產(chǎn)資源的短缺形勢日益凸顯。目前，能夠產(chǎn)出25種主要金屬礦產(chǎn)的415座大中型礦山中，192座(占46.2％)面臨不同程度的資源危機(jī)。所以，亟需加強(qiáng)礦山深部和外圍的找礦工作，發(fā)現(xiàn)新礦床，尋找接替資源，以延長礦山壽命，緩解資源供需矛盾，保證國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

當(dāng)進(jìn)行深部礦產(chǎn)作業(yè)時(shí)由于地下礦井環(huán)境更加復(fù)雜，而傳統(tǒng)開采方式的技術(shù)條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)礦產(chǎn)資源的開采要求，也導(dǎo)致一方面深部礦產(chǎn)資源得不到充分利用，另一方面在開采時(shí)事故頻發(fā)。另外，傳統(tǒng)采礦方式會導(dǎo)致兩種惡劣的環(huán)境問題：一是在礦山開采過程中地表破壞導(dǎo)致環(huán)境問題，二是污染地下水造成環(huán)境問題。并且機(jī)械化施工占有比例十分的少，采礦效率嚴(yán)重低下。從整體水平上而言，我國在改革開放后，采礦技術(shù)有了跨越式的發(fā)展，但是機(jī)械化施工所占有的比例十分的少，這樣在很大程度上限制了我們國家的采礦效率。

研究國內(nèi)外已有的先進(jìn)技術(shù)表明：近年來在一些實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果的富有創(chuàng)新的地質(zhì)勘探技術(shù)；利用現(xiàn)代技術(shù)實(shí)現(xiàn)鉆頭精確擊穿目標(biāo)點(diǎn)的地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)；基建投資少、建礦周期短、成本低、安全、高效、環(huán)境污染小的鉆孔水力開采技術(shù)；采礦技術(shù)革新迅速、成果卓著的礦渣回填設(shè)備；因此，亟待結(jié)合已有的最新技術(shù)，加快推進(jìn)GGD的技術(shù)方法，為相關(guān)的從業(yè)企業(yè)提供新的鉆探設(shè)備設(shè)計(jì)與制造思路，指導(dǎo)鉆探行業(yè)在工業(yè)4.0時(shí)代的向著智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、效率化的方向邁進(jìn)。并以此解決地下礦體開發(fā)的地表植被破壞和環(huán)境破壞問題、坑道生產(chǎn)安全問題、成本的優(yōu)化問題。

因此，為了研究現(xiàn)有技術(shù)條件下深部礦產(chǎn)資源智能化采掘的技術(shù)流程，需要進(jìn)一步研究各技術(shù)模塊的具體實(shí)施方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于GGD理念的深部智能采礦方法，采用遠(yuǎn)程智能化采礦技術(shù)提高鉆探效率和質(zhì)量，同時(shí)減少安全事故及其所衍生出的環(huán)境污染問題，節(jié)約礦山開發(fā)成本；其理念可為礦產(chǎn)行業(yè)的未來發(fā)展指明方向，帶動傳統(tǒng)礦山制造業(yè)的升級。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于GGD理念的深部智能采礦方法，包括如下步驟：

S1、按照基礎(chǔ)地質(zhì)的研究理論，進(jìn)行找礦的普查、詳查；

S2、部署探井、測井，進(jìn)行2-3D的地震勘探，獲取勘探區(qū)域地層的物理性質(zhì)、礦體層位信息；

S3、3D地質(zhì)建模，圈定礦體3D空間展布與儲量計(jì)算；

S4、設(shè)計(jì)鉆井方案，利用地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)優(yōu)化井跡；

S5、采用和采選礦、礦漿反排、礦渣回填配套的鉆井采掘技術(shù)，完成整個(gè)深部礦產(chǎn)從開采到回填的智能化流程。

按上述方案，所述步驟S3具體為：基于步驟S2獲取的地層的物理性質(zhì)、礦體層位信息，結(jié)合基礎(chǔ)地質(zhì)資料，通過3D地質(zhì)建模將鉆井分層數(shù)據(jù)、井位坐標(biāo)、鉆井軌跡、測井曲線、測試資料、地震解釋成果等數(shù)據(jù)加載到計(jì)算機(jī)內(nèi)，建立一個(gè)完整的基礎(chǔ)資料和成果數(shù)據(jù)庫模型，從數(shù)據(jù)庫模型中隨時(shí)提取各種地質(zhì)研究和油藏開發(fā)所需要的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行圈定礦體的3D空間展布與儲量計(jì)算，以及對地層精細(xì)對比、落實(shí)精細(xì)的構(gòu)造分析。

按上述方案，所述步驟S4中設(shè)計(jì)鉆井方案具體包括：根據(jù)步驟S3中3D地質(zhì)建模所建立的數(shù)據(jù)庫模型，結(jié)合地震、地質(zhì)、測井多學(xué)科數(shù)據(jù)完成軌跡優(yōu)化；根據(jù)3D地質(zhì)建模的數(shù)據(jù)，觀察分析礦體分布、地質(zhì)構(gòu)造、地表狀況多方面信息，合理設(shè)計(jì)靶點(diǎn)位置；利用設(shè)計(jì)的靶點(diǎn)位置，設(shè)計(jì)合適的鉆孔軌跡擊中靶點(diǎn)。

按上述方案，所述步驟S4中利用地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)優(yōu)化井跡具體包括：

①校對初步設(shè)計(jì)的鉆孔軌跡，利用狗腿度、起鉆點(diǎn)參數(shù)優(yōu)化軌跡；

②對于3D地質(zhì)建模所建立的模型中的相鄰鉆井運(yùn)行間隙分析掃描，確定相鄰鉆井間的間隙的相互關(guān)系；

③利用鄰井間隙分析掃描結(jié)果，觀察鉆孔設(shè)計(jì)整體情況，驗(yàn)證其合理性(尋找出相鄰鉆井間的高危碰撞區(qū)域，并進(jìn)行標(biāo)記，修正參數(shù)直到所有高危碰撞風(fēng)險(xiǎn)被消除)。

按上述方案，所述步驟S4設(shè)計(jì)鉆井方案還包括步驟：利用3D地質(zhì)建模所建立的模型，結(jié)合地層、地質(zhì)構(gòu)造、巖體性質(zhì)相關(guān)信息，設(shè)計(jì)合理的鉆具、鉆柱組合，具體過程細(xì)分為：

①結(jié)合鉆孔軌跡設(shè)計(jì)情況，設(shè)計(jì)合理的井段和套管間隔，確保合理性；

②利用已設(shè)計(jì)的鉆具組合，計(jì)算并確定鉆具組合的屈曲問題；

③觀察分析屈曲問題，并相應(yīng)調(diào)整鉆具組合，更新鉆具組合后，重新計(jì)算屈曲問題，從而改善或消除屈曲問題；

④校對已設(shè)計(jì)的鉆具、鉆柱組合，確認(rèn)鉆具、鉆柱下到井底；校對鉆井設(shè)計(jì)方案，對仍然存在的曲屈問題進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，直至完成鉆井方案整體設(shè)計(jì)。

按上述方案，所述步驟S2中，使用深部鉆進(jìn)的第三代鉆機(jī)，準(zhǔn)確探測地層和流體邊界位置(同時(shí)以電磁測量技術(shù)為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)信息交互隨鉆測量技術(shù)提升鉆進(jìn)效率，為后續(xù)水力采礦技術(shù)提供保障)。

按上述方案，所述步驟S5中，采選礦使用基于鉆孔技術(shù)和水力學(xué)原理的鉆孔水力采礦方式，具體包括：

①在鉆孔內(nèi)安裝水力采礦鉆具，該鉆具與水管和氣舉提升系統(tǒng)連接；

②從地表水池抽來水，用水泵壓送到破碎礦層的孔內(nèi)水力采礦鉆具內(nèi)，把形成的含水礦漿提到地表，含水礦漿用自流方式或利用抽泥器處理后送去選礦，水經(jīng)過處理后返回儲水池。

按上述方案，所述水力采礦鉆具在噴頭處結(jié)合機(jī)器人，鉆孔周邊擴(kuò)孔，由小變大由淺入深，向前節(jié)節(jié)推進(jìn)。

按上述方案，所述步驟S5中，礦漿反排至井口上的粗礦通過選礦設(shè)備進(jìn)行分選加工，余下的礦渣通過礦區(qū)末端的鉆孔及輸送設(shè)備運(yùn)送至采空區(qū)進(jìn)行礦渣回填。

按上述方案，所述步驟S5中，和采選礦、礦漿反排、礦渣回填配套的鉆井采掘技術(shù)，具體采用計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)有效地完成收集作業(yè)信息、分析數(shù)據(jù)資料、傳送施工命令、反饋落實(shí)結(jié)果的工作步驟并建立鉆井系統(tǒng)的基礎(chǔ)條件；同時(shí)配備有地質(zhì)信息庫，掌握當(dāng)下鉆井開采項(xiàng)目的具體情況；最后完成整個(gè)深部礦產(chǎn)從開采到回填的智能化流程。

本發(fā)明的工作原理：結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)條件，利用地質(zhì)(Geology)和地球物理技術(shù)(Geophysics)形成3D地震勘探技術(shù)，精確描述地下礦藏的賦存形態(tài)，并實(shí)時(shí)對鉆井(Drilling)井跡進(jìn)行精確導(dǎo)向，通過鉆井采掘破碎礦體，反循環(huán)采選礦礦渣，礦渣回填技術(shù)實(shí)現(xiàn)了深部礦產(chǎn)的自采自選，加工提煉，自動回填的一體化智能化鉆采掘。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、將地質(zhì)找礦理論、地球物理技術(shù)、鉆井設(shè)計(jì)、地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)、鉆孔水力采礦、三維地質(zhì)建模、礦漿自動返排技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)學(xué)科交叉在一起，提供一種集找礦、采礦、礦渣回填于一體的機(jī)械化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化的綠色環(huán)保的全新采礦流程，其理念可為礦產(chǎn)行業(yè)的未來發(fā)展指明方向，帶動傳統(tǒng)礦山制造業(yè)的升級；該技術(shù)理念與采掘機(jī)械業(yè)各個(gè)元素中進(jìn)行協(xié)同創(chuàng)新，提升技術(shù)領(lǐng)域的整體水平與創(chuàng)新能力；并高效整合業(yè)內(nèi)各要素，解決采掘機(jī)械業(yè)所暴露出來的生產(chǎn)成本問題、安全問題和環(huán)境問題，帶動采掘機(jī)械業(yè)的轉(zhuǎn)型升級；可實(shí)現(xiàn)深部礦產(chǎn)高效、安全、環(huán)保的智能化施工，亦可針對相關(guān)從業(yè)企業(yè)提供新的鉆探設(shè)備設(shè)計(jì)與制造思路，采用GGD的技術(shù)理念對其進(jìn)行深部礦產(chǎn)開采的評價(jià)研究；

2、現(xiàn)代化的地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)以及錄井技術(shù)自動分析鉆探數(shù)據(jù)，修改鉆探方向，實(shí)現(xiàn)了鉆掘的自動化；

3、以鉆井行業(yè)廣泛應(yīng)用且效果良好的鉆孔水力采礦技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合水力切割噴頭和機(jī)器人控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鉆孔周邊的智能化擴(kuò)孔，由小變大由淺入深，向前節(jié)節(jié)推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)一次鉆孔就能輕松高效的采掘地下分布的所有礦產(chǎn)；創(chuàng)新的采選礦技術(shù)可以解決地下礦體開發(fā)的地表植被破壞和環(huán)境破壞問題、坑道生產(chǎn)安全問題和成本的優(yōu)化問題；

4、及時(shí)高效的分析井下條件，提供最優(yōu)的泥漿配比和技術(shù)參數(shù)；取出的礦產(chǎn)經(jīng)過地上工廠的提煉加工，廢渣又隨著采礦區(qū)末端延伸至地表的鉆孔向下回填，整個(gè)過程循環(huán)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)邊采邊填的綠色智能采礦；利用成熟的礦漿返排技術(shù)加快礦漿的排出效率以及提升清孔率；

5、利用龐大的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和信息交匯處理系統(tǒng)，對地下井跡進(jìn)行最優(yōu)規(guī)劃設(shè)計(jì)、碰撞危險(xiǎn)分析、鉆具組合設(shè)計(jì)、完鉆分析等一系列流程的可控化智能化操作，實(shí)現(xiàn)鉆孔的精準(zhǔn)化、安全化、廉價(jià)化，保證質(zhì)量，提高效率，降低成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于GGD理念的深部礦產(chǎn)智能開采方法的流程示意圖；

圖1中，A——礦體勘探階段，B——建模與鉆井設(shè)計(jì)階段，C——鉆井采掘階段；

圖2為本發(fā)明基于GGD理念的深部礦產(chǎn)智能采掘和回填的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)一步的描述，所舉實(shí)例只用于解釋說明本發(fā)明，并非限定本發(fā)明的應(yīng)用范圍。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例所述的基于GGD理念的深部智能采礦方法，包括如下步驟：

S1、按照目前基礎(chǔ)地質(zhì)學(xué)科的前沿研究理論以及一手地質(zhì)資料庫，進(jìn)行初步找礦的普查、詳查，以確定探測范圍；

S2、根據(jù)前期確定的探測范圍在合理勘探區(qū)域部署探井、測井，運(yùn)用聚焦電阻率、自然伽馬、人工伽馬、聲波、井徑、中子孔隙度等測井技術(shù)，以及固體礦床多分量的感應(yīng)測井響應(yīng)模擬的矢量有限元法和轉(zhuǎn)換波地震勘探技術(shù)等來進(jìn)行2-3D的地震勘探，獲取勘探區(qū)域地層的物理性質(zhì)、礦體層位信息；使用深部鉆進(jìn)的第三代鉆機(jī)，準(zhǔn)確探測地層和流體邊界位置，同時(shí)以電磁測量技術(shù)為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)信息交互隨鉆測量技術(shù)提升鉆進(jìn)效率，為后續(xù)水力采礦技術(shù)提供保障；

S3、3D地質(zhì)建模，圈定礦體3D空間展布與儲量計(jì)算，具體為：基于步驟S2獲取的地層的物理性質(zhì)、礦體層位信息，結(jié)合成熟詳盡的基礎(chǔ)地質(zhì)資料，通過3D地質(zhì)建模技術(shù)將鉆井分層數(shù)據(jù)、井位坐標(biāo)、鉆井軌跡、測井曲線、測試資料、地震解釋成果等數(shù)據(jù)加載到計(jì)算機(jī)內(nèi)，建立一個(gè)完整的地下空間地質(zhì)環(huán)境的基礎(chǔ)資料和成果數(shù)據(jù)庫模型(三維可視化模型)，從數(shù)據(jù)庫模型中隨時(shí)提取各種地質(zhì)研究和油藏開發(fā)所需要的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行圈定礦體的3D空間展布與儲量計(jì)算，以及對地層精細(xì)對比、落實(shí)精細(xì)的構(gòu)造分析；

S4、設(shè)計(jì)鉆井方案，利用地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)優(yōu)化井跡；

設(shè)計(jì)鉆井方案具體包括：根據(jù)步驟S3中3D地質(zhì)建模所建立的數(shù)據(jù)庫模型，結(jié)合地震、地質(zhì)、測井等多學(xué)科數(shù)據(jù)完成軌跡優(yōu)化；例如利用Paradigm等類似軟件進(jìn)行分析，根據(jù)3D地質(zhì)建模的數(shù)據(jù)，觀察分析礦體分布、地質(zhì)構(gòu)造、地表狀況等多方面信息，合理設(shè)計(jì)靶點(diǎn)位置；利用設(shè)計(jì)的靶點(diǎn)位置，設(shè)計(jì)合適的鉆孔軌跡擊中靶點(diǎn)；

設(shè)計(jì)鉆井方案還包括步驟：利用3D地質(zhì)建模所建立的模型，結(jié)合地層、地質(zhì)構(gòu)造、巖體性質(zhì)等相關(guān)信息，設(shè)計(jì)合理的鉆具、鉆柱組合，具體過程細(xì)分為：

①結(jié)合鉆孔軌跡設(shè)計(jì)情況，設(shè)計(jì)合理的井段和套管間隔，確保合理性；

②利用已設(shè)計(jì)的鉆具組合，計(jì)算并確定鉆具組合的屈曲問題；

③觀察分析屈曲問題，并相應(yīng)調(diào)整鉆具組合，更新鉆具組合后，重新計(jì)算屈曲問題，從而改善或消除屈曲問題；

④校對已設(shè)計(jì)的鉆具、鉆柱組合，確認(rèn)鉆具、鉆柱可以下到井底；校對鉆井設(shè)計(jì)方案，對仍然存在的曲屈問題進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，直至完成鉆井方案整體設(shè)計(jì)；

利用地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)優(yōu)化井跡具體包括：

①校對初步設(shè)計(jì)的鉆孔軌跡，利用狗腿度、起鉆點(diǎn)等參數(shù)優(yōu)化軌跡；

②對于3D地質(zhì)模型中的相鄰鉆井運(yùn)行間隙分析掃描，確定相鄰鉆井間的間隙的相互關(guān)系；

③利用臨井間隙分析掃描結(jié)果，尋找出相鄰鉆井間的高危碰撞區(qū)域，并進(jìn)行標(biāo)記，以便后期觀察是否被修正；

④反復(fù)修正參數(shù)，并運(yùn)行上述兩個(gè)步驟②～③，直到所有高危碰撞風(fēng)險(xiǎn)被消除；

⑤再次對相鄰鉆孔軌跡運(yùn)行間隙分析掃描(此時(shí)高危碰撞危險(xiǎn)已被消除)，觀察鉆孔設(shè)計(jì)整體情況，驗(yàn)證其合理性；

S5、采用和采選礦、礦漿反排、礦渣回填配套的鉆井采掘技術(shù)，完成整個(gè)深部礦產(chǎn)從開采到回填的智能化流程；

采選礦使用基于鉆孔技術(shù)和水力學(xué)原理，具體包括：

①在鉆孔內(nèi)安裝水力采礦鉆具，該鉆具與水管和氣舉提升系統(tǒng)連接；水力采礦鉆具在噴頭處結(jié)合機(jī)器人，鉆孔周邊擴(kuò)孔，由小變大由淺入深，向前節(jié)節(jié)推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)一次鉆孔就能輕松高效的采掘地下分布的所有礦產(chǎn)；

②從地表水池抽來水，用水泵壓送到破碎礦層的孔內(nèi)水力采礦鉆具內(nèi)，把形成的含水礦漿提到地表，含水礦漿用自流方式或利用抽泥器處理后送去選礦，水經(jīng)過處理后返回儲水池；

礦漿反排至井口上的粗礦通過選礦設(shè)備進(jìn)行分選加工，余下的礦渣通過礦區(qū)末端的鉆孔及輸送設(shè)備運(yùn)送至采空區(qū)進(jìn)行礦渣回填。

如圖2所示，前期在地表搭建好鉆塔、分礦選礦工作區(qū)、礦渣回填工作區(qū)，依據(jù)前述基礎(chǔ)地質(zhì)研究資料、三維地質(zhì)建模數(shù)據(jù)，將鉆孔精準(zhǔn)打入目標(biāo)礦層，通過鉆孔水力采礦技術(shù)破碎礦層，由礦漿返排技術(shù)將破碎礦層壓送到破碎礦層的孔內(nèi)水力采礦鉆具內(nèi)，把形成的含水礦漿提到地表的分礦選礦區(qū)，返排至井口上的含水礦漿(粗礦)用自流方式或利用抽泥器處理后得到目標(biāo)礦體，余下的礦渣經(jīng)礦渣回填工作區(qū)由礦區(qū)尾端的鉆孔及輸送設(shè)備運(yùn)送至采空區(qū)進(jìn)行回填。

在圖2中，在井下采礦，井口選礦到礦渣回填的整個(gè)鉆井采掘過程中，鉆井采掘技術(shù)采用計(jì)算機(jī)智能化監(jiān)督控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)高效地完成收集作業(yè)信息、分析數(shù)據(jù)資料、傳送施工命令、反饋落實(shí)結(jié)果等一系列工作步驟，并建立鉆井系統(tǒng)的基礎(chǔ)條件，同時(shí)配備有地質(zhì)信息庫，有效的掌握當(dāng)下鉆井開采項(xiàng)目的具體情況；最后完成整個(gè)深部礦產(chǎn)從開采到回填的智能化、綠色化以及高效化的深部采礦流程。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之類，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。