半干旱草原淺覆蓋區(qū)手持鉆機化探取樣技術的應用及探索
——以內(nèi)蒙古拜仁達壩銀鉛鋅礦區(qū)為例

周增輝,楊 振,劉 銳,林志恒,3,黃福興,4

(1.廣西交科集團有限公司，廣西南寧 530007；2.中國地質(zhì)大學(武漢)資源學院，湖北武漢 430074；3.同方知網(wǎng)(北京)技術有限公司，北京 100084；4.廈門海洋職業(yè)技術學院，福建廈門 361102)

0 引言

隨著非覆蓋區(qū)找礦難度日益增加，礦產(chǎn)勘查熱點逐漸從基巖出露區(qū)向覆蓋區(qū)延伸。地表化探取樣是覆蓋區(qū)找礦的常用方法，但需排除自然因素和覆蓋物物源的影響，以避免測量結果的不確定性和不可靠性(張必敏,2008；徐啟東等,2012；于桑等,2014;王翰等,2018;徐劍波和陳軍林，2019)，對于覆蓋層厚度較大、覆蓋物復雜的地區(qū)，若輔以垂向化探取樣，則可為識別和排除非礦致異常的干擾、獲取覆蓋物所攜帶的下伏地質(zhì)及礦化信息提供依據(jù)。淺層鉆探技術是一種采用地質(zhì)取樣鉆機連續(xù)采取淺層覆蓋物的鉆探工程。與常規(guī)鉆機相比，淺層地質(zhì)取樣鉆機具有機動性和輕便性較好的特點，且在提高取樣效率、減小施工占地、降低取樣成本、減輕鉆探工程對植被和環(huán)境的破壞等方面具有明顯優(yōu)勢(謝學錦等,2010;趙洪波等,2015)。近年來，國內(nèi)學者利用多種取樣鉆機在新疆干旱荒漠戈壁覆蓋區(qū)(張必敏,2011;段星星等,2018,2019;肖艷東等,2019)、內(nèi)蒙古干旱-半干旱草原淺覆蓋區(qū)(盧猛等,2015)、安徽平原丘陵淺覆蓋區(qū)、多寶山森林沼澤區(qū)(盧猛,2017；李小東等,2018)、海南植被覆蓋區(qū)(趙洪波等,2014;趙洪波,2015)等不同地理景觀區(qū)開展淺鉆化探應用研究，為該技術的發(fā)展和推廣奠定了基礎。

淺層地質(zhì)取樣鉆機在發(fā)達國家發(fā)展較早，具有輕量化、小型化、組件化、液(氣)動化和運輸現(xiàn)代化的特點(張志民,2007;譚春亮等,2012)。我國淺層地質(zhì)取樣鉆機的研制起步于20世紀70～80年代，經(jīng)過30多年的發(fā)展，目前大致形成了機動型和輕便型兩大系列(冉恒謙等,2011;趙洪波等,2014)。其中手持鉆機是輕便鉆機的一種，鉆探深度通常小于20m，具有搬運方便、取樣快捷的優(yōu)點。探索手持鉆機在化探取樣上的適用性、可行性和有效性，對輕便鉆機的發(fā)展及其在化探取樣技術方面的推廣應用具有重要意義。

內(nèi)蒙古中東部的荒漠-草原淺覆蓋區(qū)是礦產(chǎn)勘查及地質(zhì)研究的熱點(郭祥義等,2019;沈存利等,2019;閆巖等,2019)，拜仁達壩銀鉛鋅礦區(qū)是位于該地區(qū)的一隱伏礦床。前人在該礦區(qū)及周邊采用鏟子等工具和探槽、淺井等工程開展過常規(guī)地表化探和土壤剖面取樣，工作量較大，取樣深度有限。本次研究采用回轉(zhuǎn)式和沖擊式兩類手持取樣鉆機在該地理景觀覆蓋區(qū)開展化探取樣對比試驗，探索其應用效果和適用性，為淺鉆化探技術在淺覆蓋區(qū)的應用和發(fā)展提供借鑒和參考。

1 研究區(qū)覆蓋特征

拜仁達壩銀鉛鋅礦床大地構造位于興蒙造山帶東緣，大興安嶺南段西坡地區(qū)。礦區(qū)第四系覆蓋層廣泛發(fā)育，基巖鮮見出露，屬半干旱草原景觀淺覆蓋區(qū)。礦區(qū)勘查資料顯示，區(qū)內(nèi)覆蓋層厚度不均，最大厚度45.5 m，平均厚度14.21 m，地形起伏較大，坡度最大約30°，相對高差最大約186 m。

礦區(qū)覆蓋層以東西礦區(qū)之間的溝谷處厚度較大，其次為西礦區(qū)中部等地勢相對較低處。礦區(qū)出露斷面及常規(guī)土壤化探顯示，覆蓋層結構和成分較復雜。地表多為灰黑色砂土，草本植物根系發(fā)育，腐殖質(zhì)較高；往下以坡積物和沖積物為主，主要為灰褐色、灰黃色、黃褐色砂土，夾少量礫石，局部可見褐黃色粉質(zhì)黏土、黏土等。所夾礫石分布及含量不均，砂土中約為5%～10%，黏土中約為5%；往下基巖巖屑和碎塊增多，同時亦含上部砂礫石，向下過渡到殘積層、半風化層和基巖。此外，覆蓋層中發(fā)育有砂礫石夾層，其中礦區(qū)南部可見2層砂礫石夾層，埋深分別約為1.0 m和1.5 m；北部可見1層，埋深約2 m。砂礫石層平均厚度約0.2～0.5 m，為砂、礫石混合堆積。其中礫石大小不一，分選較差，來源及成分復雜，以渾圓狀為主，粒徑一般0.2～2 cm，大者可達3～6 cm，含量約25%～40%，其中亦有部分分選和磨圓較差的基巖巖屑、碎塊等。礦區(qū)地表景觀及典型沖溝斷面見圖1。

圖1 拜仁達壩礦區(qū)地表景觀及沖溝斷面Fig.1 Photos showing surface landscape and gully section in Bairendaba mining area of Inner Mongoliaa-地表景觀；b-沖溝斷面a-surface landscape;b-gully section

2 手持鉆機工作方式

由于拜仁達壩礦區(qū)內(nèi)的構筑物、沖溝、牧場隔離網(wǎng)等較多，機動鉆機的搬運和使用不便，因此選用手持鉆機開展取樣試驗。手持鉆機輕便靈活，易于搬運，且種類較多，工藝多樣。本次選用WD-H回轉(zhuǎn)式取樣鉆機和GL鉆桿沖擊式取樣鉆機，二者在鉆進、提鉆、取樣工藝等方面具有較強的可比性。兩類鉆機組成及鉆進工藝見表1。

表1 回轉(zhuǎn)式和沖擊式手持鉆機組成及鉆進工藝

根據(jù)鉆具種類不同，WD-H回轉(zhuǎn)式鉆機鉆進方式有兩種：(1)單管螺旋鉆進：配螺旋合金鉆頭，取心管安置在鉆具內(nèi)部，鉆進時無需加入沖洗液，主要用于開孔和地表土層鉆進。(2)雙動雙管鉆進：鉆桿由內(nèi)外兩層硬質(zhì)合金管組成，內(nèi)管直接作為取心管，配硬質(zhì)合金鉆頭。鉆進時可向內(nèi)外管間的夾縫中注入清水作沖洗液。當用于半風化層或基巖層的破碎和取樣時可采用金剛石鉆頭。兩類鉆進方式均需提取全部鉆具取樣。

GL沖擊式鉆機的鉆頭為堅硬鋒利的圓鑿形切割頭。鉆進時由小型液壓泵驅(qū)動頂部液壓頭提供垂直向下的給進動力，通過高頻沖擊和振動鉆桿，使鉆頭、鉆桿攜帶取樣管貫入土壤。敲入一定深度后停止液壓頭運行，提起內(nèi)管連接桿并拆卸底部取樣管取樣。通過逐回次將取樣管打入和取出實現(xiàn)取樣目的。外管在終孔后使用提鉆設備拔出(圖2)。

圖2 WD-H回轉(zhuǎn)式鉆機和GL沖擊式鉆機鉆具及提鉆設備Fig.2 WD-H rotary and GL percussion hand-held drilling and lifting toolsa-回轉(zhuǎn)式鉆機螺旋鉆進；b-回轉(zhuǎn)式鉆機雙動雙管鉆進，清水作 沖洗液；c-沖擊式鉆進；d-沖擊式鉆機提鉆設備a-auger drilling of rotary drilling tool;b-double-pipe drilling of rotary drilling tool using water as flushing fluid;c-percussion drilling;d-lifting tool of percussion drilling tool

3 手持鉆機試驗情況

3.1 回轉(zhuǎn)式和沖擊式鉆機取樣特點對比

兩類鉆機鉆頭結構、取樣方式及本次試驗所揭露的覆蓋層典型剖面示意見圖3，研究區(qū)應用特點對比見表2。

圖3 回轉(zhuǎn)式和沖擊式鉆機鉆頭結構及所揭露覆蓋層剖面示意圖Fig.3 Structures of rotary and impacted drilling tools and sketch showing cover profile revealed by drilling

試驗表明，回轉(zhuǎn)式鉆機鉆桿和鉆頭的旋轉(zhuǎn)作用可以間接減小鉆具與管壁之間的摩擦力，鉆進和提鉆省時省力，效率較高。研究區(qū)內(nèi)獲取到的樣品主要為黏土、粉質(zhì)黏土、地表腐殖層砂土、密實的砂土；鉆頭處易殘留少量大粒徑的砂土、礫石等(圖4a、b)，受樣品類型影響，采取率變化較大，原狀性較差。

沖擊式鉆機穿透能力強，回次鉆深較大，鉆進時效高。采用提內(nèi)管取樣，可避免塌孔和樣品污染。研究區(qū)內(nèi)平均回次進尺較大，回次采取率較高。鉆進時不需加入沖洗液，樣品連續(xù)完整，分層清晰，原狀性較好。獲取到的樣品包括黏土、粉質(zhì)黏土、粉土及大部分粒徑的砂土等(圖4c、d)。

3.2 應用試驗存在問題及產(chǎn)生原因

試驗表明，回轉(zhuǎn)鉆進存在的問題主要有：(1)對于砂礫石層，螺旋鉆進、雙動雙管鉆進都易發(fā)生砂礫石打滑和卡鉆，導致給進困難(圖5a、b)。(2)取樣過程中，樣品易漏失和流失。其中螺旋鉆進提鉆取樣過程中，干燥松散的砂土易漏失；以清水作沖洗液時，雙動雙管鉆進會使粉砂、細砂等被水沖走或帶到地表而流失(圖5c、d)；中砂、粗砂則易在鉆頭處膠結壓實和堵鉆；礫砂易在鉆頭旋轉(zhuǎn)時打滑，或被鉆頭磨圓后卡住鉆頭，造成鉆頭磨損(圖5e、f)。(3)由于每回次提鉆取樣時沒有套管護壁，提鉆過程中易發(fā)生塌孔，影響樣品有效性。

圖4 回轉(zhuǎn)式鉆機和沖擊式鉆機取樣效果對比Fig.4 Comparison of sampling effects of rotary and percussion hand-held drilling toolsa-回轉(zhuǎn)式鉆機螺旋鉆進，砂土層樣品采取率5%～20%；b-回轉(zhuǎn)式鉆機雙動雙管鉆進，礫石層，礫石含量約40%～70%，樣品采取率約10%～30%；c-回轉(zhuǎn)式鉆機雙動雙管鉆進，含礫砂土層，礫石含量小于20%，樣品采取率約40%～60%；d-沖擊鉆進，含礫砂土層，樣品采取率 80%～95%a-auger drilling of rotary drilling rig with 5%～20% of sampling rate of sand layer;b-double-pipe drilling of rotary drilling in gravel layer,content of gravel is about 40%～70%,sampling rate is about 10%～30%;c-double-pipe drilling of rotary drilling in gravel bearing sand layer,content of gravel less than 20%,sampling rate is about 40%～60%;d-impacted drilling in gravel bearing sand layer,sampling rate is about 80%～95%

圖5 回轉(zhuǎn)鉆進取樣試驗主要問題Fig.5 Main problems in sampling test of rotary drillinga-螺旋鉆進礫石卡鉆；b-卡鉆礫石磨圓；c-清水作沖洗液時樣品流失；d-礫石和砂土堵鉆；e-礫石堵鉆，樣品漏失；f-金剛石鉆頭磨損a-gravel sticking while auger drilling;b-rounded gravel by sticking of tool;c-sample loss during clean water flushing ;d-gravel and sand plugging tool;e-gravel plugging and sample loss;f-diamond bit wearing

沖擊鉆進存在的問題主要有：(1)隨著鉆進深度增加，套管與孔壁的摩擦阻力增大，鉆進難度變大，鉆進效率降低；相應地，人力和機械設備(支架和葫蘆)提升套管時需克服的阻力也會增大，不僅費時費力，而且鉆具亦發(fā)生損耗。(2)由于該鉆機為孔外沖擊，頂部沖擊頭對鉆桿持續(xù)強烈的沖擊易造成鉆桿絲扣部位損壞(圖6a)、鉆桿崩裂(圖6b)、折斷(圖6c)、鉆頭磨損(圖6d)。(3)提鉆時所施加的巨大拉力和摩擦阻力可能會造成套管拉斷，鉆桿和鉆頭斷落(圖6e)。(4)鉆進過程中，采樣管進口處土壤易被壓實，偶見大顆粒礫石(粒徑>2 cm)堵死采樣管(圖6f)，導致樣品無法進入，取樣困難。

圖6 沖擊鉆進取樣試驗主要問題Fig.6 Main problems in sampling test of percussion drillinga-鉆桿絲扣部位變形；b-頂部鉆桿崩裂；c-孔外鉆桿折斷；d-鉆頭磨損；e-提鉆過程中鉆桿拉斷，下部鉆桿及鉆頭斷落；f-樣品堵死采樣管a-deformation of thread of drill pipe;b-top drill pipe cracking;c-break of drill pipe outside hole;d-wearing of bit;e-drill pipe pulled off and lower drill pipe and bit broken down while lifting;f-sample plugging tube

4 淺鉆化探取樣技術應用效果及展望

4.1 研究區(qū)應用特點及效果

研究區(qū)應用試驗表明，與傳統(tǒng)土壤化探相比，手持鉆機化探取樣的優(yōu)勢主要為：

(1)取樣深度大，淺層取樣效率高，節(jié)省時間和人力消耗；

(2)樣品完整連續(xù)，原狀性較好，清晰直觀，分層和層位較為詳盡，易于辨別；

(3)可在排除和穿透頂部風積物等的干擾后，采集深部殘積層、半風化層、基巖等層位的覆蓋物樣品，更好地滿足化探取樣要求。

此外，試驗表明，由于研究區(qū)內(nèi)有砂礫石夾層，不同鉆機及工藝在取樣深度、質(zhì)量及砂礫石層穿透性能等方面存在優(yōu)劣：回轉(zhuǎn)鉆進克服土壤阻力的能力強，工作效率高、強度低，但遇到砂礫石夾層時，鉆頭易發(fā)生打滑和卡鉆；另外，清水沖洗液會造成砂土流失，降低樣品采取率，并影響該類鉆機在取水不便地區(qū)的使用；提鉆時干燥松散的砂土易塌孔，造成樣品擾動?；剞D(zhuǎn)鉆機在采取松散砂土及礫石等覆蓋物時較困難，表明其取樣效果受地理景觀、土壤特點、沖洗液種類及用量的影響較大。

沖擊式鉆機鉆進效率較高，對于研究區(qū)淺部砂礫石層及成分較為均一的砂土、黏土等覆蓋物具有較強的穿透能力，對于松散砂土亦能保證較高的采取率，樣品較為完整。鉆進時不需加水等沖洗液，可在干旱及取水不便地區(qū)使用。因此，沖擊式鉆機更適用于研究區(qū)，但鉆進和提鉆難度隨深度增加而加大，深部礫石層難以排除和突破，可行的有效鉆進和取樣深度一般小于4 m。

4.2 淺鉆化探取樣技術展望

(1)前人及本次覆蓋區(qū)淺鉆化探取樣應用試驗的經(jīng)驗表明，為了適應和滿足不同類型覆蓋層取樣的需要，需促進鉆具及鉆進工藝的多樣化，克服鉆進方式單一、鉆深受限等問題，使手持鉆機“一機多能”。近年發(fā)展起來的聲波鉆機同時具備振動及回轉(zhuǎn)工藝，在部分國家的環(huán)境鉆探、礦產(chǎn)勘探、巖土施工、海洋工程勘探等領域得到應用，為取樣鉆機發(fā)展提供了新的思路(吳光琳,2004;葉成明等,2007;張培豐等,2011；吳浩等,2012;雷開先,2013;Li et al.,2014)。典型淺層地質(zhì)取樣技術的鉆進及取樣工藝、適用環(huán)境等特點對比見表3。

表3 典型淺層地質(zhì)取樣鉆機技術及應用特點對比

(2)覆蓋區(qū)覆蓋物類型多樣，結構成分復雜，淺鉆化探取樣要根據(jù)工作區(qū)地理景觀、交通和取水條件、地質(zhì)和覆蓋情況、覆蓋物特點,并結合鉆深及取樣要求靈活選用合適的鉆進和取心工藝。例如，砂土取樣大多可采用沖擊鉆，半風化層及基巖宜采用螺旋鉆進等(譚春亮等,2012；盧猛等,2015)。

(3)淺鉆化探取樣要采用合適的沖洗液。沖洗液一方面可以冷卻、潤滑和保護鉆具鉆頭，減少鉆進和提鉆阻力，另一方面，合適種類的沖洗液還可以護壁、防塌，提高樣品的有效性。例如，砂土層透水性好，膠結性差，易塌孔，為了避免取樣時松散砂土樣品的流失和成分結構的破壞，可采用植物膠作沖洗液(岳永東等,2018)。此外，套管、繩索取心、膨潤土、注漿噴嘴等工藝也是常用或新近研究的護壁工藝(譚春亮等,2012;冉靈杰等,2019;張建松等,2020)。

5 結論與建議

(1)手持鉆機具有輕便高效、易于搬運的優(yōu)點。在半干旱草原淺覆蓋區(qū)，相比于傳統(tǒng)土壤化探取樣方法，手持鉆機化探取樣淺層取樣效率高，樣品完整連續(xù)，可采集深部層位的覆蓋物樣品，適用性較強。回轉(zhuǎn)式、沖擊式等不同鉆進和取心工藝在取樣深度、質(zhì)量、穿透性等方面應用效果有優(yōu)有劣，需根據(jù)取樣要求和實際情況靈活選用。

(2)淺鉆與化探技術的結合在覆蓋區(qū)和交通不便地區(qū)有著較強的實用和研究價值，在不同地理景觀覆蓋區(qū)對不同類型覆蓋物開展取樣試驗研究，探索不同淺鉆取樣工藝的適用性和有效性，可以尋找出合適配套的取樣方法，并推動淺鉆化探取樣技術和取樣鉆機進一步發(fā)展和成熟。