孫富海

(湖北煤炭地質(zhì)物探測(cè)量隊(duì)，湖北武漢430200)

淺層礦產(chǎn)與露頭礦開采早已無法滿足我國(guó)日益增長(zhǎng)的地質(zhì)礦產(chǎn)需求，為應(yīng)對(duì)急劇減少的礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量，地質(zhì)礦產(chǎn)勘探深部找礦的理論研究和實(shí)踐探索近年來大量涌現(xiàn)，巖芯鉆探技術(shù)、定向鉆探技術(shù)、金剛石繩索取芯技術(shù)、X熒光及低頻電磁技術(shù)等新型技術(shù)也因此在地質(zhì)礦產(chǎn)勘探領(lǐng)域推廣開來。為更好開展地質(zhì)礦產(chǎn)勘探深部找礦，正是本文圍繞該課題開展具體研究的原因所在。

1 地質(zhì)礦產(chǎn)勘探工作的主要內(nèi)容和基本原則

1.1 地質(zhì)礦產(chǎn)勘探工作的主要內(nèi)容

在地質(zhì)礦產(chǎn)勘探工作中，這一工作的所需周期較長(zhǎng)，且需要根據(jù)礦山開采進(jìn)度和資源存儲(chǔ)量做出合理安排，規(guī)避過度開采問題，以此保證經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的兼顧。地質(zhì)礦產(chǎn)勘探工作主要內(nèi)容包括礦山選區(qū)、開采計(jì)劃制定等，礦產(chǎn)資源的開采量可通過科學(xué)制定勘察方案提升，最佳的礦產(chǎn)利用方式選擇也可由此獲得依據(jù)。對(duì)于地質(zhì)礦產(chǎn)勘探工作中發(fā)現(xiàn)的類似礦產(chǎn)資源，如伴生礦、尾礦，同樣需要提高重視，以此開展針對(duì)性的勘探，提升礦產(chǎn)資源的利用效率，不合理的尾礦資源利用往往會(huì)導(dǎo)致礦產(chǎn)資源利用率低下，進(jìn)而引發(fā)浪費(fèi)問題，這必須引起重視。地質(zhì)礦產(chǎn)勘探深部找礦對(duì)鉆探和開采等技術(shù)提出了新的要求，伴生礦、尾礦的勘探和開采也需要針對(duì)性規(guī)劃，以此明確伴生礦、尾礦的成分、儲(chǔ)量，并做好記錄和分析工作，即可有效提升礦產(chǎn)資源利用率。如在封閉的礦山開展地質(zhì)礦產(chǎn)勘探工作，具體工作需嚴(yán)格遵循相應(yīng)規(guī)范，并詳盡分析和調(diào)查封閉的地質(zhì)環(huán)境，整理地質(zhì)報(bào)告并探討礦山環(huán)境保護(hù)措施，以此更好為礦產(chǎn)資源開采利用提供依據(jù)[1]。

1.2 地質(zhì)礦產(chǎn)勘探工作的基本原則

受分布廣泛的礦產(chǎn)資源影響，我國(guó)不同地區(qū)的礦產(chǎn)資源在分布、儲(chǔ)量、開采、應(yīng)用等方面的差異巨大。因此地質(zhì)礦產(chǎn)勘探工作需要結(jié)合礦產(chǎn)資源特性針對(duì)性開展，結(jié)合礦區(qū)的地質(zhì)條件、礦產(chǎn)種類及儲(chǔ)量、周邊地勢(shì)環(huán)境科學(xué)編制地質(zhì)礦產(chǎn)勘探計(jì)劃，地質(zhì)礦產(chǎn)勘探工作的規(guī)劃制定必須以充分了解其發(fā)展趨勢(shì)為前提，礦區(qū)其余自然資源開采也能夠由此獲得更好支持。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的深部地質(zhì)來說，地質(zhì)礦產(chǎn)勘探工作及采礦工作的難度更高，因此具體工作開展需得到先進(jìn)鉆探技術(shù)的支持，以此優(yōu)選和更新勘探方法，不斷創(chuàng)新深部地質(zhì)鉆探技術(shù)，同時(shí)不斷完善自身管理體系、強(qiáng)化人力資源的集中管理、合理分配員工的工序，地質(zhì)礦產(chǎn)勘探工作的優(yōu)化開展即可獲得更為有力支持[2]。

2 地質(zhì)礦產(chǎn)勘探深部的找礦途徑

2.1 定向鉆探技術(shù)

在地質(zhì)礦產(chǎn)勘探深部的找礦工作中，對(duì)于較為復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，目標(biāo)工作效果往往無法由普通鉆探方式滿足，為實(shí)現(xiàn)深部地質(zhì)位置的準(zhǔn)確勘探，并保證工作效率，定向鉆探技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用極為關(guān)鍵，該技術(shù)具備高精度、高效率等特點(diǎn)。所謂定向鉆探技術(shù)，指的是通過對(duì)鉆探方位的精準(zhǔn)控制保證鉆進(jìn)方向能夠有效勘查礦產(chǎn)資源，內(nèi)外界影響催生的鉆進(jìn)方向偏差等問題可通過定向鉆探技術(shù)規(guī)避，準(zhǔn)確性更高的深部地質(zhì)找礦工作可由此開展，地質(zhì)礦產(chǎn)勘探深部找礦的難度也可隨之降低。

2.2 巖芯鉆探技術(shù)

在我國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)勘探深部找礦領(lǐng)域，巖芯鉆探技術(shù)屬于廣泛應(yīng)用且較為成熟的一種技術(shù)。巖芯鉆探技術(shù)在應(yīng)用中需要使用圓柱狀的鉆具和鉆頭，以此沿圓形破碎巖石在孔底部保留柱狀巖芯，資源探查與地質(zhì)研究可根據(jù)取出的柱狀巖芯針對(duì)性開展。在使用巖芯鉆探技術(shù)的過程中，需關(guān)注三方面要點(diǎn)：第一，科學(xué)選擇相關(guān)機(jī)械設(shè)備。新型液壓動(dòng)力鉆探設(shè)備屬于巖芯鉆探技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵，不得采用傳統(tǒng)電力動(dòng)力鉆探設(shè)備，礦產(chǎn)資源深度鉆探等需要可由此更好滿足；第二，強(qiáng)化替代資源的勘察。替代資源的勘察需要成為深部地質(zhì)找礦的重要內(nèi)容，為提升礦產(chǎn)資源勘查效率，具體的技術(shù)應(yīng)用需不斷開展創(chuàng)新探索，整體經(jīng)濟(jì)效益可通過勘探成本的降低而提升；第三，重點(diǎn)保養(yǎng)和維護(hù)機(jī)械設(shè)備。大型機(jī)械設(shè)備作業(yè)屬于巖芯鉆探技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)，因此相關(guān)設(shè)備的維護(hù)必須得到重視，規(guī)避故障帶來的工作延遲等問題，保證設(shè)備的高效、正常運(yùn)轉(zhuǎn)[3]。

2.3 金剛石繩索取芯技術(shù)

不同于上文提及的定向鉆探技術(shù)，金剛石繩索取芯技術(shù)的應(yīng)用無需對(duì)進(jìn)入巖芯管的礦石開展巖芯提取，而是可以利用鉆桿通道，將巖芯管中的巖芯提取到孔外取芯處，金剛石繩索取芯技術(shù)屬于近年來出現(xiàn)的新型鉆進(jìn)方法。在地質(zhì)礦產(chǎn)勘探深部找礦工作實(shí)踐中，金剛石繩索取芯技術(shù)具備三方面優(yōu)勢(shì)：第一，地質(zhì)效果好。金剛石繩索取芯技術(shù)具備提升平穩(wěn)、打撈速度快、報(bào)警及時(shí)等特點(diǎn)，在面對(duì)巖管堵塞情況時(shí)，該技術(shù)在鉆井過程能夠保證報(bào)警的及時(shí)性，工作損耗的降低、技術(shù)人員的快速有效處理可得到保障；第二，鉆進(jìn)工作效率高。相較于普通取芯鉆頭，金剛石繩索鉆頭的硬度和厚度更高，且能夠在無需輔助作業(yè)的前提下持續(xù)鉆進(jìn)，擁有高于普通鉆頭的整體鉆進(jìn)效率；第三，施工成本較低。金剛石繩索取芯技術(shù)在應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)提鉆次數(shù)的減少，施工過程中鉆頭的損耗可隨之降低，鉆頭的使用壽命也能夠有效延長(zhǎng)。在減少的提鉆次數(shù)影響下，勞動(dòng)強(qiáng)度降低可同時(shí)實(shí)現(xiàn)，因此金剛石繩索取芯技術(shù)在人工成本和工具成本降低中均有著不俗表現(xiàn)[4]。

2.4 X熒光及低頻電磁技術(shù)

通過在需要勘查的礦產(chǎn)資源區(qū)域發(fā)射電磁或X射線，即可推測(cè)和預(yù)判礦產(chǎn)資源。以X熒光技術(shù)為例，該技術(shù)在我國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)勘探深部找礦領(lǐng)域的應(yīng)用較為深入，通過照射礦物并經(jīng)過一定波長(zhǎng)作用，具有X元素特征的射線即可由礦物反射發(fā)出，X 光機(jī)可通過識(shí)別這類射線科學(xué)分析深層礦產(chǎn)資源。在基于X熒光技術(shù)的地質(zhì)礦產(chǎn)勘探深部找礦實(shí)踐中，礦體內(nèi)部的構(gòu)造與礦體的方位均可有效確定，礦產(chǎn)資源的厚度與邊界范圍也能夠準(zhǔn)確勾勒；作為新型深部找礦技術(shù)，低頻電磁技術(shù)存在相對(duì)較小的應(yīng)用范圍，該技術(shù)需基于Fraser 處理和分析測(cè)得的數(shù)據(jù)，以此結(jié)合地質(zhì)找礦規(guī)律和處理結(jié)果即可確定礦產(chǎn)資源的形狀規(guī)模、具體方位。在地質(zhì)礦產(chǎn)勘探深部找礦工作中，低頻電磁技術(shù)具備靈活性高、探查速度快等優(yōu)勢(shì)[5]。

3 實(shí)例分析

3.1 案例概況

為提升研究的實(shí)踐價(jià)值，本文以某金礦勘查區(qū)作為研究對(duì)象，巖層呈單斜產(chǎn)出，巖層產(chǎn)狀310°～350°∠26°～55°，70%以上的勘查區(qū)內(nèi)地層為第四系覆蓋，存在韌性剪切帶的主要控礦構(gòu)造，剪切帶控制礦體展布，屬于主要的控礦構(gòu)造。晚期脆性斷裂存在于礦體，主要為N 向、NE 向、NW 向的三組，多為平移斷層和正斷層，不同程度地將礦體分割、錯(cuò)斷。

3.2 工作難點(diǎn)

在案例金礦勘查區(qū)的地質(zhì)礦產(chǎn)勘探深部找礦工作中，該工作主要面臨著四方面難點(diǎn)。第一，孔壁維護(hù)難度較高。相較于淺部找礦，在復(fù)雜地層金礦勘查區(qū)的深部找礦存在多種類型地層狀況，鉆探的不確定性和復(fù)雜性更大，為實(shí)現(xiàn)鉆探區(qū)域的探測(cè)，工程需要打設(shè)的鉆孔需要基本穿過巖層裂隙、破碎帶、節(jié)理高度發(fā)育區(qū)域。對(duì)于巖層相互貫穿的裂隙高度發(fā)育區(qū)域，在完成鉆孔打設(shè)后，松軟破碎的孔段壁幫難以維護(hù)，多層位垮落和掉塊現(xiàn)象也可能出現(xiàn)，護(hù)壁因此面臨的挑戰(zhàn)必須得到重視。在打設(shè)深孔斜孔的過程中，在外裸露過久的鉆孔可能引發(fā)圍巖失穩(wěn)，孔壁維護(hù)因此受到的負(fù)面影響也不容忽視；第二，較低的鉆探效率。金礦勘查區(qū)的深部鉆探面臨著巖層結(jié)構(gòu)致密性高、強(qiáng)度大等挑戰(zhàn)，巖石強(qiáng)度會(huì)隨埋藏深度的加大而增加，案例中金礦勘查區(qū)存在大量5級(jí)以上的巖石，這類基巖地層使得深孔鉆進(jìn)難度較高，更高的鉆頭的損耗程度也使得其使用壽命降低明顯；第三，防斜治斜難度較高。交錯(cuò)構(gòu)造多的硬巖、軟巖大量存在于復(fù)雜的深部巖層之中，各向異性明顯的巖體使得鉆孔傾斜現(xiàn)象很容易在深部鉆探過程中出現(xiàn)，硬巖賦存區(qū)域往往會(huì)導(dǎo)致鉆探的正常鉆進(jìn)受到強(qiáng)結(jié)構(gòu)性巖體影響，鉆探防斜因此面臨的挑戰(zhàn)極為嚴(yán)峻；第四，較大的操作難度。金剛石繩索取芯技術(shù)在深部找礦工程中大量應(yīng)用，但受到較大的泵機(jī)開/停泵、鉆具升降壓力影響，鉆孔的孔內(nèi)壓力平衡往往無法得到保障，升降鉆具速度加快時(shí)孔壁與鉆具的間隙變小也很容易導(dǎo)致較大壓力波動(dòng)形成，孔壁失穩(wěn)可能隨之出現(xiàn)，進(jìn)而引發(fā)孔內(nèi)事故。因此，鉆探設(shè)備工作速度需結(jié)合地層實(shí)際情況針對(duì)性控制，這對(duì)鉆探設(shè)備操作 者提出了較高要求。

表1 深部找礦取芯鉆探不同方法的對(duì)比數(shù)據(jù)

3.3 優(yōu)選深部找礦取芯鉆探方法

在地質(zhì)礦產(chǎn)勘探深部找礦的取芯鉆探中，常用方法包括不提鉆換鉆頭、提鉆取芯、液動(dòng)錘提鉆取芯、繩索取芯鉆探、液動(dòng)錘繩索取芯鉆探等，結(jié)合同類工程的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，可得到表1所示的對(duì)比數(shù)據(jù)。

結(jié)合表1進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，液動(dòng)錘繩索取芯方法具備最高的效率，且具體優(yōu)勢(shì)隨鉆孔孔深增大而增大，其在深部巖層鉆探施工中具備較強(qiáng)適用性，同時(shí)效率最低的提鉆取芯法不適合深部巖層鉆探施工；提鉆取芯、繩索取芯、不提鉆換鉆頭、液動(dòng)錘提鉆取芯四種方法的效率存在較差，對(duì)于1200m以下的鉆孔深度，液動(dòng)錘提鉆取芯鉆探方法更為適用，繩索取芯方法則更為適用于1200m以上的鉆孔深度；綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，液動(dòng)錘繩索取芯鉆探方法最為適用于深部鉆探。

3.4 深孔鉆探工藝技術(shù)的具體應(yīng)用

3.4.1 孔身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于案例金礦礦區(qū)地層特征，同時(shí)綜合分析金礦勘查區(qū)存在的特殊復(fù)雜孔段，案例采用三級(jí)鉆孔的鉆探鉆孔結(jié)構(gòu)，預(yù)留一級(jí)備用鉆孔。開孔孔徑控制采用217mm直徑的鉆頭，以此將地層覆蓋層穿過后，地層破碎區(qū)域采用146mm直徑的鉆頭貫透，最后的繩索取芯鉆進(jìn)的直徑設(shè)置為76.5mm。對(duì)于復(fù)雜的地質(zhì)情況，考慮到地層鉆探過程可能出現(xiàn)正常鉆探無法實(shí)現(xiàn)情況，因此地層擴(kuò)孔需備用繩索取芯鉆具，規(guī)格為114mm直徑，復(fù)雜地層區(qū)域通過后，可將77mm 直徑的鉆具換回，最終裸眼鉆進(jìn)至終孔，圖1為礦井鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖。

3.4.2 鉆具組合

圖1 礦井鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

采用金剛石鉆頭的開孔鉆具鉆頭，規(guī)格為130mm，同時(shí)配置的鉆桿、取芯筒的直徑分別為69mm、127mm，以此鉆進(jìn)與穿透地層覆蓋層。在鉆探深部地層的過程中，對(duì)于復(fù)雜的地層情況，正常鉆探在常規(guī)鉆具無法滿足時(shí)，鉆探即可采用備用鉆具，即應(yīng)用繩索取芯鉆具開展擴(kuò)孔處理，規(guī)格為96.5mm，以此順利穿透復(fù)雜地層，圖2為備用鉆具結(jié)構(gòu)示意圖。一開鉆具鉆頭為金剛石鉆頭，規(guī)格為110mm，配置的鉆桿、取芯筒的直徑分別為69mm、108mm，負(fù)責(zé)貫透地層上部破碎層。二開鉆具鉆頭規(guī)格為76.5mm，配置的鉆桿、取芯筒的直徑分別為75mm、56mm，負(fù)責(zé)鉆進(jìn)至終孔。

圖2 備用鉆具結(jié)構(gòu)示意圖

3.4.3 鉆探參數(shù)

鉆壓選擇和泵量選擇直接影響案例中金礦勘查區(qū)的深部鉆探找礦，考慮到鉆壓的增加會(huì)導(dǎo)致鉆具鉆進(jìn)速度提高，且鉆進(jìn)效率會(huì)隨鉆具轉(zhuǎn)速加快而提升，因此需要重點(diǎn)關(guān)注可能出現(xiàn)的更大鉆頭損耗。鉆壓范圍的科學(xué)選擇需要結(jié)合特定的地質(zhì)情況，鉆探效率提升、基建成本降低均可順利實(shí)現(xiàn)。在面臨巖體硬度較高、研磨性較強(qiáng)、較完整地層時(shí)，深孔鉆探需采用較大的鉆壓。在面對(duì)較高的巖體破碎度、破碎帶地層時(shí)，鉆壓需適當(dāng)調(diào)整并降低。結(jié)合案例金礦勘查區(qū)實(shí)際進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，該金礦勘查區(qū)存在4～6 級(jí)之間的礦井地層巖體硬度，因此案例針對(duì)性確定了不同鉆孔孔段的鉆壓參數(shù)，其中0～500m 孔段的鉆壓控制區(qū)間為8～15kN，500～1000m 孔段的鉆壓控制區(qū)間為15～30kN，1000～1500m 孔段的鉆壓控制區(qū)間為10～15kN，1500～2000m 孔段的鉆壓控制區(qū)間為15～20kN；泵量選擇之間影響鉆探效率，這一重要參數(shù)的優(yōu)選必須得到重視，尤其是案例中的深孔鉆探，需以在一定范圍內(nèi)科學(xué)控制泵量，以此充分實(shí)現(xiàn)金剛石鉆頭的潤(rùn)滑和冷卻，并充分清除巖粉殘屑。結(jié)合同類工程經(jīng)驗(yàn)可以了解到，在巖體硬度較高、地層完整性較強(qiáng)時(shí)，可選擇規(guī)格較小的泵量，而在巖體結(jié)構(gòu)性較差、地層松軟破碎時(shí)，則需要選擇較大規(guī)格泵量。結(jié)合案例金礦勘查區(qū)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果，技術(shù)人員最終確定了鉆探施工過程中該礦區(qū)的泵量選擇范圍，即：53～92L/min之間。

3.4.4 沖洗液選擇

作為鉆具的“血液”，鉆探效率直接受到?jīng)_洗液的影響，同時(shí)鉆探的成本也會(huì)受到深遠(yuǎn)影響?；诎咐鸬V勘查區(qū)實(shí)際，通過針對(duì)性分析鉆探施工要求和地質(zhì)情況，為清除巖屑、巖粉，案例采用水解聚丙烯酰胺無固相沖洗液，該沖洗液的基漿包括多陰離子纖維素、聚乙烯醇、磺化褐煤樹脂、水解聚丙烯酰胺，占比分別為0.05‰、2.5‰、3‰、0.3‰，該沖洗液的密度處于1.02～1.03g/cm3之間，同時(shí)存在處于11 左右的pH 值，在地層破碎度較高、巖體松軟時(shí)，可將廣譜護(hù)壁劑加入沖洗液，加入量為2‰，同時(shí)將聚乙烯醇從鉆桿灌入，濃度為5%，用量為15～20kg，一定范圍的薄膜可形成于孔壁內(nèi)，孔壁的掉塊與失穩(wěn)可由此規(guī)避。如地層的失水量大，孔壁維護(hù)還需要加入單向壓力封閉劑，用量為2‰。

3.5 成果總結(jié)

結(jié)合案例金礦勘查區(qū)的地質(zhì)礦產(chǎn)勘探深部找礦實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)合案例中礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造和鉆探施工情況，技術(shù)人員針對(duì)性選擇了鉆探設(shè)備并設(shè)計(jì)了鉆探工藝技術(shù)，最終提出了實(shí)用性較高的深孔鉆探施工技術(shù)方案。方案最終在工程中得到了實(shí)際應(yīng)用，深部復(fù)雜地層鉆探問題在一定程度上解決，生產(chǎn)成本降低、鉆探效率與經(jīng)濟(jì)效益提升均得以實(shí)現(xiàn)，因此該案例的地質(zhì)礦產(chǎn)勘探深部找礦實(shí)踐具備較高借鑒價(jià)值。

4 結(jié)論

綜上所述，地質(zhì)礦產(chǎn)勘探深部的找礦需關(guān)注多方面因素影響。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的巖芯鉆探技術(shù)、金剛石繩索取芯技術(shù)、優(yōu)選深部找礦取芯鉆探方法、深孔鉆探工藝技術(shù)的具體應(yīng)用等內(nèi)容，則提供了可行性較高的地質(zhì)礦產(chǎn)勘探深部找礦路徑。為更好滿足我國(guó)礦產(chǎn)開采需要，各類新技術(shù)與新設(shè)備的積極應(yīng)用同樣需要得到業(yè)內(nèi)人士重視。