地質(zhì)勘查和深部地質(zhì)鉆探找礦技術(shù)研究

鄭得勝，雷恒永

（1.中國冶金地質(zhì)總局西北地質(zhì)勘查院，陜西 西安 710119；2.云南黃金有限責(zé)任公司，云南 普洱 650051）

1 地質(zhì)勘查的主要內(nèi)容

在礦山開采之前需要開展地質(zhì)勘查工作，該項(xiàng)工作包含內(nèi)容眾多，主要工作內(nèi)容如下：一是礦山勘查。在勘查工作正式開展前，工作人員應(yīng)落實(shí)前期準(zhǔn)備工作。其次，技術(shù)人員還應(yīng)明確勘查范圍，根據(jù)礦山中不同區(qū)域情況采取相應(yīng)的勘查手段。在勘查技術(shù)應(yīng)用時(shí)，需堅(jiān)持準(zhǔn)確高效的原則，一邊勘查一邊記錄，使信息采集結(jié)果精度得到切實(shí)保障；二是尾礦資源分析。在可持續(xù)開采理念下，技術(shù)應(yīng)用水平和開發(fā)理念對資產(chǎn)開發(fā)持久性具有直接影響，尾礦作為地質(zhì)勘查的重要內(nèi)容之一，需要技術(shù)人員加強(qiáng)重視，減少資源浪費(fèi)，確保礦山的可持續(xù)開采；三是接替資源勘查。根據(jù)礦物質(zhì)形成原理可知，當(dāng)前許多礦物質(zhì)具有不可再生特點(diǎn)，部分礦產(chǎn)資源的再生周期極長。在地質(zhì)勘查過程中，應(yīng)充分認(rèn)可礦山開采年限價(jià)值，最大限度提高開采年限。在對帶有特殊資源礦山進(jìn)行開采時(shí)，勘察者應(yīng)注重替代資源的勘查，如鋅礦等，以此達(dá)到提高開采年限的目標(biāo)[1]。

2 深部地質(zhì)鉆探找礦的常用技術(shù)

（1）定位與遙感技術(shù)。在深部鉆探中遙感技術(shù)應(yīng)用可加快找礦速度，自動(dòng)采集地質(zhì)信息，全方位掌握水文條件，利用智能分析系統(tǒng)明確礦產(chǎn)位置，幫助勘查人員高效完成找礦任務(wù)，并為鉆探工作提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。該技術(shù)應(yīng)用前應(yīng)明確測繪區(qū)域，然后對該范圍的地質(zhì)情況進(jìn)行全面分析，最后采集裸露在外巖石范圍內(nèi)波普，將二者對比提高找礦效率。此外，在深部找礦時(shí)還可利用全球定位技術(shù)，構(gòu)建監(jiān)測系統(tǒng)，將其與遙感技術(shù)相結(jié)合，通過自動(dòng)采集技術(shù)獲取礦物的多種特征，如輻射性、光譜特性、金屬性質(zhì)等等，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對比數(shù)據(jù)庫中的礦產(chǎn)信息，對礦產(chǎn)具體埋藏位置進(jìn)行獲取。

（2）反循環(huán)連續(xù)鉆探。該技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，與傳統(tǒng)鉆探取芯技術(shù)相比，通過反循環(huán)取樣可對深度值任意設(shè)定，可對礦體厚度與深度進(jìn)行綜合分析，工作效率更快、精度更高，更適用于深層地質(zhì)鉆探。在該技術(shù)應(yīng)用時(shí)，柱狀巖心會(huì)被地表巖屑替代，雙臂鉆桿同樣會(huì)發(fā)生作用，可借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，使其充分滿足當(dāng)前找礦工作需求，促進(jìn)現(xiàn)代化建設(shè)發(fā)展。

（3）定向鉆探技術(shù)。與淺層鉆探相比，深部地質(zhì)鉆探的難度較大，找礦效率相對較低，需要采用先進(jìn)的鉆探技術(shù)，根據(jù)地質(zhì)情況科學(xué)選擇，才可促進(jìn)整體找礦效率提升[2]。對于定向鉆探來說，主要采用巖心定向與受控定向兩種技術(shù)。在正式鉆探之前，先要明確運(yùn)行路線，嚴(yán)格按照規(guī)定操作，保障探頭按照預(yù)期軌跡進(jìn)行鉆孔，全部孔都要處于預(yù)設(shè)位置處。在深部找礦時(shí)，如若勘查地方存在斜坡便會(huì)增加鉆孔難度，常規(guī)手段很難準(zhǔn)確快速的達(dá)到找礦目標(biāo)，此時(shí)便要借助高精度定向技術(shù)，具有簡單快捷、鉆探量少等特征，可有效控制找礦事故發(fā)生，值得推廣應(yīng)用。

（4）X熒光技術(shù)。該技術(shù)在深部找礦應(yīng)用中優(yōu)勢顯著，操作更加便利，可準(zhǔn)確獲取礦產(chǎn)地質(zhì)信息，還可應(yīng)用到元素分析中，提高工作實(shí)效。在實(shí)際找礦中，利用X射線獲取資源相關(guān)信息，受礦物物理屬性影響發(fā)出的射線波長有所不同。其中含有X元素，利用熒光技術(shù)可對元素特點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，從而順利找到礦產(chǎn)資源。該技術(shù)的優(yōu)勢體現(xiàn)在三個(gè)方面，一是可迅速勘查深部礦產(chǎn)；二是輔助勘查人員定位礦產(chǎn)位置；三是探測帶有礦產(chǎn)地層的厚度，確定礦產(chǎn)邊界，促進(jìn)找礦效率提升。

（5）液動(dòng)錘技術(shù)。該技術(shù)以傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)鉆探為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的新型開采技術(shù)，在礦石領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)備利用沖洗液驅(qū)動(dòng)內(nèi)部潛孔錘。在沖洗液的促進(jìn)下，由動(dòng)能沖擊潛孔錘將運(yùn)動(dòng)能量運(yùn)送到設(shè)備鉆頭，由此實(shí)現(xiàn)破巖目標(biāo)。該設(shè)備不但保留了傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)鉆探功能，且鉆頭更具沖擊力，適用于硬度強(qiáng)、脆性大的巖石，可提高高硬度巖石的鉆孔率，節(jié)約大量開采成本，取得理想的應(yīng)用效果。此外，還可采用液動(dòng)錘WL鉆探法，該技術(shù)屬于組合鉆探法，將液動(dòng)錘與金剛石WL相結(jié)合，二者相輔相成，發(fā)揮更大鉆探與找礦優(yōu)勢。但在WL鉆探中，無需提鉆取心，可有效提高純鉆時(shí)間利用率。液動(dòng)錘的應(yīng)用可減少巖心堵塞，減少WL提鉆頻率，不但可減少打撈巖心頻率，減少提大鉆頻率。更重要的是，液動(dòng)錘的應(yīng)用還可延長鉆頭壽命，特別是在深孔鉆探方面，可節(jié)約更多輔助時(shí)間，還可減少大量鉆探成本投入。

3 深部地質(zhì)鉆探找礦技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

3.1 礦區(qū)概況

本文以山東玲瓏金礦為例，地層以花崗巖為主，塊狀構(gòu)造。在破頭青斷裂影響下，地層破碎，存在險(xiǎn)種的漏失情況，遇礦前后出現(xiàn)軟土地層。經(jīng)過專業(yè)測試后結(jié)果如下表1所示，該區(qū)巖石可鉆級別在7～9級之間，屬于典型的硬、脆、酥、漏復(fù)雜地層。在本次研究中，分3期開展加密勘查鉆探工程，共計(jì)完成59個(gè)鉆孔，鉆探范圍56254.26m，其中有32個(gè)超過1000m，孔深在752.35m～1752.38m之間，Ⅰ類深孔數(shù)量24，Ⅱ類深孔數(shù)量2。因該礦區(qū)的影響因素眾多，適宜采用液動(dòng)錘WL組合鉆探技術(shù)。

表1 礦區(qū)地層可鉆性數(shù)據(jù)

3.2 設(shè)備選擇

在鉆機(jī)與鉆具方面，要求鉆機(jī)擁有較大回轉(zhuǎn)速度范圍，與液動(dòng)錐較低轉(zhuǎn)速相適應(yīng)，減少鉆頭位置的磨損，可選擇XY系列的鉆機(jī)滿足上述要求，因此該實(shí)驗(yàn)采用型號(hào)為XY-6鉆機(jī)、型號(hào)為SYZX75、SS75C的液動(dòng)錘WL鉆具、型號(hào)為SYZX75的液動(dòng)錘WL。在動(dòng)力機(jī)選擇方面，除XD-5鉆機(jī)采用液壓馬達(dá)之外，剩余設(shè)備均為電機(jī)帶動(dòng)，在無動(dòng)力電源情況下，可用柴油機(jī)提供電源。本文采用型號(hào)為BW250的泥漿泵，能夠符合2000m施工范圍內(nèi)的鉆機(jī)技術(shù)要求。

3.3 技術(shù)應(yīng)用

液動(dòng)錘鉆具由雙噴嘴液動(dòng)錘、WL鉆具共同組成，具有沖擊系統(tǒng)、碎巖系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、傳動(dòng)與單動(dòng)系統(tǒng)等多個(gè)機(jī)構(gòu)。在實(shí)際運(yùn)行中，液體從上噴嘴位置噴出，在高速卷吸作用下將上缸套上腔介質(zhì)抽往下腔，并在下噴嘴節(jié)流作用下，使閥迅速上移到上限。對于進(jìn)入下腔的液流，可經(jīng)過噴嘴高速噴出，在卷吸作用下使腔內(nèi)的壓力降低，但與沖錘相連位置的活塞底部受水路攔截影響，壓力增加形成壓差，因沖錘上方活塞頂部與下方處于閉合狀態(tài)，液流被迫切斷產(chǎn)生水擊，上腔壓力激增。同時(shí)，沖錘下腔的壓力數(shù)值驟降，受慣性影響不斷向下運(yùn)動(dòng)，直至沖擊錘軸接頭處為止。在鉆孔選擇方面，ZK103孔為礦區(qū)內(nèi)的第二個(gè)孔，與首個(gè)孔ZK301之間的距離小于500m，在地層與施工條件上大致相同。該孔從405m深度為赤鐵礦，可鉆級別在11～12之間。該技術(shù)的應(yīng)用參數(shù)為：

（1）鉆壓。在回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中，鉆壓主要用于為鉆頭金剛石顆粒壓入巖石提供預(yù)壓，促進(jìn)巖石內(nèi)部形成預(yù)加應(yīng)力，沖擊功傳遞條件得以改善，扭轉(zhuǎn)沖擊載荷傳遞方向，使高頻脈動(dòng)載荷在短期內(nèi)達(dá)到極高值，巖體破碎，提高鉆進(jìn)效率。在鉆研大小調(diào)整方面，還應(yīng)結(jié)合多種巖石抗壓強(qiáng)度，通常液動(dòng)錘鉆壓可以較低，如SYZX75鉆壓可設(shè)置為12kN。

（2）轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速應(yīng)與巖石特性相結(jié)合，對鉆孔深度、結(jié)構(gòu)、傾角等因素綜合考慮而定。如若單純注重沖擊頻率，可用以下公式計(jì)算轉(zhuǎn)速：

式中，n代表轉(zhuǎn)速，單位為r.min；f代表沖擊頻率，單位為Hz；s代表最佳沖擊間隔，單位為mm；m代表最佳沖擊頻率，單位為Hz。在實(shí)際應(yīng)用中，XYZX75液動(dòng)錘的回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)數(shù)值帶入后，n的數(shù)值在300r/min～400r/min之間。

（3）泵量與泵壓。泵量可能夠符合液動(dòng)錘常規(guī)參數(shù)，一般在液動(dòng)錘參數(shù)確定后，泵量與沖擊頻率之間具有正比關(guān)系，因此WL鉆探所需的泵量與超過常規(guī)WL值。在壓力平衡鉆進(jìn)理論指導(dǎo)下，如若泵量過大則會(huì)影響孔壁穩(wěn)定度，還會(huì)縮短鉆頭的使用壽命，因此最好將設(shè)備泵量設(shè)置在60L/min～90L/min之間。在實(shí)際鉆探中，為了符合冷卻鉆頭與攜帶巖粉的相關(guān)要求，在地層與設(shè)備均穩(wěn)定的前提下，應(yīng)盡可能的滿足液動(dòng)錘泵量，將泵壓設(shè)置為0.5MPa～2.0MPa之間，因泵量增加導(dǎo)致循環(huán)管路內(nèi)部流速提升，壓漿也應(yīng)隨之提升。因此，泵壓范圍不但要符合鉆進(jìn)因素要求，還要隨著孔深的增加，使泵壓始終保持在推薦工作范圍上限，只有這樣才可促進(jìn)沖擊作用的充分發(fā)揮。

針對該礦區(qū)以及周圍特殊地層，采用液動(dòng)錘WL技術(shù)進(jìn)行鉆探，工作量為3625.51m，平均時(shí)效為1.62m，臺(tái)月效率為743.36m，鉆頭壽命均值為36.25m，回次進(jìn)尺為2.68m。其中，帶有3個(gè)深孔，工作量為2957.26m，平均時(shí)效為2.36m，臺(tái)月效率為796.34m，鉆頭壽命均值為34.25m，回次進(jìn)尺為2.13m。根據(jù)鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在相同鉆孔、不同孔段情況下，液動(dòng)錘WL與常規(guī)設(shè)備相比時(shí)效提高87.5%，鉆頭壽命延長158%；在相同孔段、不同鉆孔情況下，液動(dòng)錘WL與常規(guī)設(shè)備相比時(shí)效提高37.5%，鉆頭壽命延長82.5%。根據(jù)技術(shù)應(yīng)用結(jié)果可知，與淺孔相比，3個(gè)深孔的臺(tái)月效率與平均時(shí)效略高，可能受地層因素影響，且三個(gè)孔均為后期完成，機(jī)臺(tái)對該技術(shù)的熟練度、參數(shù)準(zhǔn)確度等更加準(zhǔn)確所致。

4 結(jié)論

綜上所述，為了滿足當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展對礦產(chǎn)資源的需求，深部鉆探找礦技術(shù)的普及與應(yīng)用成為大勢所趨。對此，技術(shù)人員應(yīng)重視地質(zhì)勘查工作，充分發(fā)揮定位遙感、定向鉆探、液動(dòng)錘技術(shù)的作用與優(yōu)勢，并結(jié)合實(shí)際制定科學(xué)勘查計(jì)劃，迅速準(zhǔn)確的獲取地質(zhì)信息與礦產(chǎn)信息，提高找礦效率，推動(dòng)我國礦產(chǎn)事業(yè)可持續(xù)發(fā)展。