地下自然形成的溶洞型空区或由于采矿活动形成的采空区,对人类的安全生产和正常生活秩序造成危害,对地下空区进行探测以了解空区的详细位置和空区形态,并根据探测获取的情况采取相应的处理措施是有效避免空区塌陷产生次生灾害的重要手段。目前主要采用物探手段进行空区探测,由于地下不同地质体均可能在地球物理数据上产生相似的效果,因此其解释结果具有不确定性,导致采用物探方法进行空区探测的精度极低,尤其是在重力方向上垂直分布多层空区的情况。采用钻探方法结合钻孔式3D激光探测扫描仪能够精确获取下覆空区的位置和空区形态,是目前矿山空区探测的主要应用手段。但传统正循环钻进是依赖于孔壁形成排渣通道的钻进工艺,采用普通正循环钻探方法只能对单层空区进行探测,而我国大量矿山由于早期乱挖盗采等存留有大量不明地下多层采空区,成为我国矿山安全生产,尤其是实现整合后采用露天开采矿山安全生产的主要制约因素之一。贯通式潜孔锤反循环钻进技术兼具冲击回转钻进的高钻效优点,同时具有反循环排渣不受地层影响的优势,已在各类钻井勘探行业得到广泛应用,由于其排渣不依赖于钻孔壁与钻具形成的环空,因此将其应用于多层空区钻探能够克服传统钻探方法在钻遇第一层空区后继续钻进无法排渣的难题,同时由于贯通式潜孔锤反循环钻进所用钻具系统中心通道能够提供直达下覆空区的畅通通道,为安全起下钻孔式3D激光探测扫描仪提供保障,采用贯通式潜孔锤反循环钻进技术结合钻孔式3D激光探测扫描仪进行地下多层空区探测的工艺方法是解决矿山多层空区探测难题的有效技术手段。论文以太钢岚县袁家村铁矿多层空区探测项目为依托,采用贯通式潜孔锤反循环钻进技术结合钻孔式3D激光探测扫描仪开展了地下多层空区探测用钻探技术及工艺方法的研究,为地下多层空区探测尤其是露天矿山下伏不明空区精准探测提供解决方案。论文的主要研究内容包括:一、针对袁家村铁矿地层条件和地下多层空区分布特点及现场钻机、钻孔式3D激光探测扫描仪等的特点,专门设计了允许钻孔式3D激光探测扫描仪从钻具中心下入空区内的大通孔直径贯通式潜孔锤、反循环钻头、双壁钻杆,针对现场钻机的特点配套设计了适用于反循环钻进的大直径中心通孔主轴的钻机动力头,以及其它配套钻探辅助工具,并开展了多层空区探测野外试验工作,根据野外试验情况制定了贯通式潜孔锤反循环钻进技术结合钻孔式3D激光探测扫描仪对多层空区探测的工艺方法。二、论文采用计算流体力学结合动网格技术初步对风动潜孔锤性能开展了三维数值模拟计算研究工作,初步实现采用有限元计算方法对风动潜孔锤的性能进行预测,该方法可用于对风动潜孔锤进行辅助设计和优化设计。三、论文对袁家村铁矿山地下多层空区探测的现场试验中由于孔内钻渣屑等排出不及时造成卡、埋钻等问题,提出采用拉瓦尔喷管式内喷孔结构的反循环钻头替代现有普通直圆孔型的内喷孔反循环钻头以提高钻头的反循环能力,并通过数值模拟方法和室内试验研究对拉瓦尔喷管式内喷孔反循环钻头的孔底局部流场特征和反循环抽吸能力进行了大量的研究工作,试验结果表明,采用拉瓦尔喷管式内喷孔反循环钻头能够大幅提高钻头的反循环能力。论文的主要创新点有:(1)首次提出采用贯通式潜孔锤反循环钻进技术结合钻孔式3D激光探测扫描仪对地下多层空区进行探测的工艺方法,试验证明该方法能够对地下多层空区进行精确的探测。(2)首次采用计算流体力学结合动网格技术实现对风动潜孔锤进行三维有限元数值模拟,该方法的实现对风动潜孔锤的计算机辅助设计提供了一种解决方案,能大幅提高风动潜孔锤设计的效率并降低设计成本。(3)论文提出采用拉瓦尔喷管式内喷孔结构的反循环钻头以提高钻头的反循环能力,数值模拟方法和室内试验研究均表明,该结构能够有效提高反循环钻头的抽吸能力。目前,随着我国矿山资源整合力度的加强和采用先进露天开采技术的推广,矿山下伏不明采空区对矿山安全生产的影响较为突出,进一步加强对矿山采空区尤其是下覆多层采空区探测技术的研究尤为重要。本文针对采用钻探方法进行空区探测,提出了采用贯通式潜孔锤反循环钻进技术结合钻孔式3D激光探测扫描仪对地下多层空区进行探测的工艺方法,实践表明,该钻探工艺方法能够有效解决矿山多层空区的探测问题,是一种具有推广意义的矿山多层空区探测技术。