王興民，盧耀東，崔建華

(1.河南省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 鄭州 450001;2.河南省深部探礦工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450053;3.河南省地質(zhì)工程技術(shù)學(xué)校，河南 鄭州 450053)

幾內(nèi)亞博凱地區(qū)鋁土礦勘探項目是河南省地勘隊伍在境外承擔(dān)的第一個特大型鋁土礦勘探項目，項目組人員克服了作業(yè)環(huán)境惡劣、鉆探地層不熟悉、設(shè)備搬遷強度大等困難，提前完成了施工任務(wù)，一次性提交鋁土礦資源量10億多噸，項目成果獲得2011年度中國國際礦業(yè)大會“國際礦業(yè)合作最佳勘查獎”。該項目分兩期完成，項目野外總工期為9個月，投入鉆機15臺，項目一期采用的是巖心鉆探工藝，項目二期采用的是以刮刀式全螺旋鉆探工藝為主，并輔以巖心鉆探。項目兩期共施工鉆孔1931個，累計進(jìn)尺27716.64 m。

1 勘探區(qū)概況

1.1 自然地理

勘探區(qū)位于西部非洲幾內(nèi)亞共和國西部臨海丘陵區(qū)，屬博凱省管轄，礦區(qū)面積為558 km2。區(qū)內(nèi)海拔標(biāo)高55～401 m，最大相對高差為340 m。礦區(qū)屬熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫28℃左右，礦區(qū)有記錄極限氣溫達(dá)53℃。每年分雨、旱兩季，一般情況下11月到次年5月為旱季，6月到11月為雨季，年平均降雨量＞3000 mm，7～9月份雨量最大，占全年降雨量的70%以上。區(qū)內(nèi)山脈總體走向為北東－西南向，總體地勢為中部和西南部高，西北和東南部低，地形切割中等，Tinguilinta河、Telebou河及其支流遍布全區(qū)。由于人煙稀少，山路崎嶇，草木叢生，通行、通視條件極差。

1.2 地層及巖石可鉆性

區(qū)內(nèi)出露地層為奧陶系和志留系砂泥巖建造，巖漿巖主要為中生界高原玄武巖及順層侵入的輝綠巖和粒玄巖。新生代蓋層主要分布在河流階地和河漫灘上。地表主要為風(fēng)化殘積鐵鋁質(zhì)帽層覆蓋，厚度25 m左右，是礦區(qū)的主要含礦層位。礦區(qū)內(nèi)基巖出露較少，只有在深切的溝谷中才有零星的基巖出露。

賦礦巖系自上而下可劃分為5個巖性層，分別為鐵(鋁)帽層、鐵(鋁)紅土層、鐵質(zhì)粘土層、粘土層、粉砂質(zhì)粘土層。

1.2.1 鐵(鋁)帽層

廣泛覆蓋地表，是塊狀鋁土礦的主要產(chǎn)出層位，呈褐紅、磚紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，蜂窩狀、皮殼狀構(gòu)造。鐵帽的主要化學(xué)成分為 Fe2O3(主要為赤鐵礦)和Al2O3·3H2O(三水鋁石)，占鐵帽化學(xué)成分總量的95%左右，此外還有2%左右的SiO2和2%左右的TiO2。鐵帽覆蓋全區(qū)90%以上的區(qū)域，只是在山體的中下部含鐵量高而不成礦。礦體嚴(yán)格受地形地貌條件限制，平面上呈不規(guī)則帶狀和島狀分布。鐵帽厚度一般在2～5 m，最厚15 m左右。鐵帽層巖石硬度中等，可鉆性一般在5級左右。

1.2.2 鐵(鋁)紅土層

為土狀鋁土礦的主要產(chǎn)出層位，呈磚紅色，泥質(zhì)、豆鮞、結(jié)核狀結(jié)構(gòu)，土狀和碎粒狀構(gòu)造。鐵紅土層較為松散，厚度2～5 m，最大厚度23 m，與上層鐵(鋁)帽層為漸變過渡關(guān)系。紅土層的巖石硬度較小，可鉆性一般在3級左右。

1.2.3 鐵質(zhì)粘土巖層

局部為土狀鋁土礦的產(chǎn)出層位，因該層含硅較高，一般不成礦。該層呈紫紅、斑雜色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，土狀構(gòu)造，與上覆的鐵(鋁)紅土層和下伏的粘土巖層呈漸變接觸關(guān)系，厚度一般在1～9.6 m。該層巖石硬度較低，可鉆性一般在3級左右。

1.2.4 粘土巖層

該層因硅含量高一般不成礦，巖石呈淺灰、灰白色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，土狀構(gòu)造，厚度2～6.65 m。該層巖石硬度較低，可鉆性一般不小于3級。

1.2.5 粉砂質(zhì)粘土巖層

該層為礦體的直接或間接地板，巖石呈淺灰白色，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，土狀構(gòu)造，主要礦物成分為石英、白云母、高嶺石等，厚度2～4.5 m。與上覆巖層呈漸變接觸關(guān)系。該層巖石硬度不大，可鉆性一般在3級左右。

2 鉆探方法

2.1 鉆探施工質(zhì)量要求

國內(nèi)及幾內(nèi)亞國的地質(zhì)專家審查批準(zhǔn)了《幾內(nèi)亞共和國博凱558礦區(qū)鋁土礦勘探子設(shè)計書》，鉆探工程質(zhì)量依照國內(nèi)《鉆探操作規(guī)程》和《地質(zhì)勘查鉆探巖礦心管理通則》(DZ/T 0032－92)執(zhí)行，同時，對鉆探施工技術(shù)的主要指標(biāo)予以明確:

(1)孔位誤差＜0.5 m;

(2)含礦巖系不允許使用沖洗液鉆進(jìn);

(3)終孔層位進(jìn)入礦層底板1～2 m，鉆孔孔徑≮100 mm;

(4)巖心采取率＞80%;

(5)直孔，由于鉆孔較淺，孔斜不作要求，但開孔前必須用水平尺進(jìn)行鉆機立軸校正;

(6)水泥砂漿封閉鉆孔。

2.2 鉆探設(shè)備的選擇

根據(jù)勘探區(qū)鉆探施工質(zhì)量技術(shù)要求，結(jié)合區(qū)內(nèi)地質(zhì)巖性特征，我們選用了機械巖心鉆探和螺旋鉆探兩種工藝，主要鉆探設(shè)備為國產(chǎn)XP200－1型、DPP100－3A型和G－3型鉆機。

2.3 機械巖心鉆探工藝

通過對勘探區(qū)地層、地貌和對項目區(qū)基本情況的了解及鋁土礦施工技術(shù)質(zhì)量要求，最初選用機械洛陽鏟和沖擊回轉(zhuǎn)相結(jié)合的鉆探施工工藝，但經(jīng)現(xiàn)場試驗效果不佳。結(jié)合當(dāng)時現(xiàn)場設(shè)備和地層情況，選擇機械巖心鉆探，即硬質(zhì)合金鉆頭筒裝鉆具無沖洗介質(zhì)單管取心的施工工藝。

機械巖心鉆探主要使用于深孔硬質(zhì)巖石鉆進(jìn)。由于機械巖心鉆探轉(zhuǎn)速較高，需要沖洗介質(zhì)降溫并帶走孔底巖屑，而鋁土礦質(zhì)地較軟，并多呈土狀，為保證采心質(zhì)量，又必須采用無沖洗介質(zhì)鉆進(jìn)。因此，這種鉆探工藝不太適合本礦區(qū)應(yīng)用。要采用這種鉆進(jìn)工藝只能使用低轉(zhuǎn)速、干鉆、控制回次進(jìn)尺、多提鉆的方法，否則易造成巖心燒結(jié)，改變巖礦性狀。

在含礦層位干鉆，通過多次對比試驗，采用高鉆壓、低轉(zhuǎn)速的鉆進(jìn)參數(shù)，可以在提高效率情況下保證巖心的質(zhì)量。其鉆進(jìn)參數(shù)見表1和表2。

表1 切削具壓力推薦值

表2 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速推薦值

2.4 螺旋鉆探工藝

項目一期鉆探施工采用無沖洗介質(zhì)條件下機械巖心鉆探，雖然可以實現(xiàn)正常的鉆探，但是回次進(jìn)尺小，巖心易燒結(jié)，單臺鉆機平均每小時進(jìn)尺≯1.5 m，工作效率低、勞動強度大等問題突出。為了按時完成任務(wù)、提高鉆探效率，在國外樹立良好形象，二期鉆探采用自行研制的螺旋鉆具，取得了顯著的成效。

2.4.1 螺旋鉆具研制原則

一是解決無水狀態(tài)下巖礦石的切削問題;二是如何將孔底的巖礦粉及時向上傳導(dǎo)，避免因孔底巖礦粉殘留造成重復(fù)破碎影響切削效率的問題;三是解決巖礦粉及時上傳到孔口的問題;四是解決因扭矩太大鉆桿間打不開的問題。螺旋鉆具采用無縫優(yōu)質(zhì)鋼管作為鉆具本體，螺旋葉片焊接在本體外圍，本體兩端分別焊接上六方形插頭和承插套，鉆桿間對接后插入固定銷子，鉆頭選用雙翼硬質(zhì)合金。鉆具的參數(shù)指標(biāo):鉆具本體外徑70 mm;螺距100 mm;葉片外徑145 mm;單根鉆桿長度為1 m和3 m兩種;鉆頭直徑150 mm，頂角度數(shù)135°(如圖1所示)。

圖1 研制的插接式螺旋鉆具

為使鉆頭切削的巖礦粉不在孔底滯留，除減小鉆頭高度外，我們研制了插接式全螺旋鉆具，解決了螺旋葉片無縫對接和鉆桿打不開等問題，并且在孔深5 m以內(nèi)無需提鉆，巖礦粉可全部自動旋至孔口，極大地提高了鉆探效率。在項目二期勘探中，兩個月內(nèi)高質(zhì)量、高效率的完成了1065個鉆孔的施工任務(wù)。

2.4.2 螺旋鉆探參數(shù)及注意事項

(1)鉆壓。含礦巖上部鐵帽層較為致密堅硬，鉆壓控制在10～20 kN，含礦層(鐵紅土層)和礦層底板，為3級軟巖礦層，鉆壓控制在2～8 kN。

(2)轉(zhuǎn)速。不同型號的鉆探設(shè)備和不同強度的巖層在鉆進(jìn)時需選擇不同的轉(zhuǎn)速。鐵帽層:DPP100－3A型鉆機的選擇轉(zhuǎn)速81 r/min的正轉(zhuǎn)一擋;G－3型鉆機轉(zhuǎn)速選擇80 r/min擋位。在鐵紅土和礦層底板鉆進(jìn):DPP100－3A型鉆機的轉(zhuǎn)速選擇81 r/min;G－3型鉆機轉(zhuǎn)速選擇50～80 r/min。

(3)注意事項。上部巖性強度較高的鐵帽層，采用相對高的壓力和轉(zhuǎn)速;下部鐵紅土層、粘土巖層強度低且含水比例高，采用較低的壓力和轉(zhuǎn)速;每鉆進(jìn)1 m，停止給進(jìn)壓力，提高鉆機轉(zhuǎn)速到200 r/min左右，以使孔內(nèi)巖礦粉及時輸出孔口，并收集到取樣器中。一般情況下孔深5 m以內(nèi)，巖礦粉可全部輸送到孔口取樣器中，樣品收集后，無需提鉆，即可進(jìn)入下一回次鉆進(jìn)。孔深＞5 m后，每鉆進(jìn)1 m(一個回次)，除加速將巖礦碎粒輸送到孔口外，還應(yīng)提鉆，清掃螺旋鉆具上殘留的巖礦粉。為及時、準(zhǔn)確掌握地層巖性的變化，確保取樣質(zhì)量，每個回次進(jìn)尺嚴(yán)格限定≤1 m。固定專人收集巖(礦)碎粒，進(jìn)行現(xiàn)場縮分，1/8留存，1/8送驗?；卮芜M(jìn)尺≤0.5 m時，按1/4縮分送樣。當(dāng)巖(礦)碎粒的顏色及結(jié)構(gòu)構(gòu)造發(fā)生變化時，即刻停鉆分層，不論進(jìn)尺多少，均單獨分層采樣。

3 取心(樣)質(zhì)量及效益

3.1 巖心(樣)采取率

采用無沖洗介質(zhì)機械巖心鉆探方法在一期和二期分別施工鉆孔804個和62個，99%以上鉆孔巖礦心采取率達(dá)到100%，個別鉆孔有少量回次的巖礦心采取率也在95%以上，全部達(dá)到設(shè)計要求。

二期采用螺旋鉆探方法施工鉆孔1065個，最大孔深23 m，利用體重法規(guī)范采取率。根據(jù)勘探區(qū)含礦巖性的體重和鉆孔的孔徑，計算統(tǒng)計出每米的巖礦心質(zhì)量在33～35 kg之間。對先期施工的6個鉆孔，按回次對巖礦心進(jìn)行了稱重，其每個回次的巖心質(zhì)量采取率均＞95%，說明其巖礦心采取率同樣達(dá)到了設(shè)計要求。

為驗證螺旋鉆取心工藝的可靠性，根據(jù)國內(nèi)驗收專家組的意見，選擇二期勘探區(qū)布設(shè)的ZK028123孔位，分別采用機械巖心鉆探工藝和螺旋鉆鉆探工藝進(jìn)行施工對比，兩個鉆孔間距＜0.5 m，先后分別安排不同技術(shù)人員進(jìn)行編錄和取樣。從同位置樣品化驗的對比結(jié)果顯示，兩個鉆孔的巖礦石分層位置完全一致。對比資料表明:

(1)采用螺旋鉆鉆探工藝施工，其巖礦心采取完全滿足設(shè)計要求;

(2)兩種鉆探工藝取樣，樣品化驗結(jié)果的相對誤差和絕對誤差均在允許誤差范圍之內(nèi);

(3)兩種鉆探工藝取樣不存在系統(tǒng)誤差。

3.2 兩種鉆探方法效益及效率分析

3.2.1 效益分析

一期施工采用小口徑機械巖心鉆進(jìn)工藝。由于施工設(shè)計不允許使用水循環(huán)鉆進(jìn)，只能干鉆，回次進(jìn)尺一般在100～200 mm，平均150 mm左右。鉆進(jìn)產(chǎn)生的扭矩也相當(dāng)大，提鉆時，鉆桿鎖接頭由于扭矩大也很難打開，需要大錘擊打后，再用大扳叉才能扳開。巖心靠大錘擊打才會下來，有時工人敲打時用力大，鉆頭的合金經(jīng)常會被敲下來，鉆具也時常被敲變形。一般情況下，一臺鉆機每天(8:00～18:00時)可施工一個鉆孔，每施工一個鉆孔需要1.65個合金鉆頭，一個1 m長的巖心管，0.78個鉆桿接手。故這種鉆探工藝效率低，材料消耗大，勞動強度高。

二期主要采用螺旋鉆探工藝鉆探施工，每臺鉆機每天(8:00～18:00時)可施工3～4個鉆孔，平均3.5個鉆孔。一般情況下，一個鉆頭可施工2.5個鉆孔，11.7個鉆孔損壞1 m長的螺旋鉆桿一根。并且鉆頭損壞主要是合金破損，可再修復(fù)。螺旋鉆桿損壞主要是葉片磨損，不可再修復(fù)利用。螺旋鉆桿為插接式連接，手錘輕輕敲掉緊固插銷，兩根螺旋鉆桿在重力的作用下就自動脫離。故采用螺旋鉆探工藝鉆效高，材料消耗小，工人勞動強度低。

3.2.2 效率對比分析

為了進(jìn)行效率對比，在現(xiàn)場選擇2臺DPP100－3A型汽車鉆，孔位相距20 m，在地質(zhì)條件相同，孔深同為15 m情況下進(jìn)行對比試驗。從試驗數(shù)據(jù)看，使用機械巖心鉆探工藝耗時較長，同樣施工一個15 m的鉆孔，使用機械巖心鉆探工藝的耗時是使用螺旋鉆探工藝耗時的6.77倍。

4 結(jié)語

(1)通過實踐證明:無沖洗介質(zhì)巖心鉆探存在著效率低、鉆探成本高、巖心質(zhì)量難以保障;螺旋鉆探則可以解決上述問題。在同類型條件下的礦區(qū)勘探，具有借鑒作用。

(2)通過兩種鉆探施工工藝的對比，螺旋鉆探工藝施工質(zhì)量不僅能夠滿足規(guī)范設(shè)計要求，而且鉆探成本低、效率高，其鉆探效率是巖心鉆探的6.77倍，綜合施工效率是巖心鉆探的3.5倍。

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