地質(zhì)礦產(chǎn)勘探深部的找礦途徑分析

孫富海

(湖北煤炭地質(zhì)物探測量隊，湖北武漢430200)

淺層礦產(chǎn)與露頭礦開采早已無法滿足我國日益增長的地質(zhì)礦產(chǎn)需求，為應對急劇減少的礦產(chǎn)資源儲量，地質(zhì)礦產(chǎn)勘探深部找礦的理論研究和實踐探索近年來大量涌現(xiàn)，巖芯鉆探技術、定向鉆探技術、金剛石繩索取芯技術、X熒光及低頻電磁技術等新型技術也因此在地質(zhì)礦產(chǎn)勘探領域推廣開來。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，且需要根據(jù)礦山開采進度和資源存儲量做出合理安排，規(guī)避過度開采問題，以此保證經(jīng)濟效益和環(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)、開采計劃制定等，礦產(chǎn)資源的開采量可通過科學制定勘察方案提升，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導致礦產(chǎn)資源利用率低下，進而引發(fā)浪費問題，這必須引起重視。地質(zhì)礦產(chǎn)勘探深部找礦對鉆探和開采等技術提出了新的要求，伴生礦、尾礦的勘探和開采也需要針對性規(guī)劃，以此明確伴生礦、尾礦的成分、儲量，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，具體工作需嚴格遵循相應規(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)報告并探討礦山環(huán)境保護措施，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，我國不同地區(qū)的礦產(chǎn)資源在分布、儲量、開采、應用等方面的差異巨大。因此地質(zhì)礦產(chǎn)勘探工作需要結合礦產(chǎn)資源特性針對性開展，結合礦區(qū)的地質(zhì)條件、礦產(chǎn)種類及儲量、周邊地勢環(huán)境科學編制地質(zhì)礦產(chǎn)勘探計劃，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。對于結構復雜的深部地質(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鉆探技術的支持，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，同時不斷完善自身管理體系、強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

在地質(zhì)礦產(chǎn)勘探深部的找礦工作中，對于較為復雜的地質(zhì)結構，目標工作效果往往無法由普通鉆探方式滿足，為實現(xiàn)深部地質(zhì)位置的準確勘探，并保證工作效率，定向鉆探技術的科學應用極為關鍵，該技術具備高精度、高效率等特點。所謂定向鉆探技術，指的是通過對鉆探方位的精準控制保證鉆進方向能夠有效勘查礦產(chǎn)資源，內(nèi)外界影響催生的鉆進方向偏差等問題可通過定向鉆探技術規(guī)避，準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

在我國地質(zhì)礦產(chǎn)勘探深部找礦領域，巖芯鉆探技術屬于廣泛應用且較為成熟的一種技術。巖芯鉆探技術在應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性開展。在使用巖芯鉆探技術的過程中，需關注三方面要點：第一，科學選擇相關機械設備。新型液壓動力鉆探設備屬于巖芯鉆探技術應用的關鍵，不得采用傳統(tǒng)電力動力鉆探設備，礦產(chǎn)資源深度鉆探等需要可由此更好滿足；第二，強化替代資源的勘察。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，具體的技術應用需不斷開展創(chuàng)新探索，整體經(jīng)濟效益可通過勘探成本的降低而提升；第三，重點保養(yǎng)和維護機械設備。大型機械設備作業(yè)屬于巖芯鉆探技術應用的重點，因此相關設備的維護必須得到重視，規(guī)避故障帶來的工作延遲等問題，保證設備的高效、正常運轉(zhuǎn)[3]。

2.3 金剛石繩索取芯技術

不同于上文提及的定向鉆探技術，金剛石繩索取芯技術的應用無需對進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屬于近年來出現(xiàn)的新型鉆進方法。在地質(zhì)礦產(chǎn)勘探深部找礦工作實踐中，金剛石繩索取芯技術具備三方面優(yōu)勢：第一，地質(zhì)效果好。金剛石繩索取芯技術具備提升平穩(wěn)、打撈速度快、報警及時等特點，在面對巖管堵塞情況時，該技術在鉆井過程能夠保證報警的及時性，工作損耗的降低、技術人員的快速有效處理可得到保障；第二，鉆進工作效率高。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，擁有高于普通鉆頭的整體鉆進效率；第三，施工成本較低。金剛石繩索取芯技術在應用中可實現(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。在減少的提鉆次數(shù)影響下，勞動強度降低可同時實現(xiàn)，因此金剛石繩索取芯技術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

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，即可推測和預判礦產(chǎn)資源。以X熒光技術為例，該技術在我國地質(zhì)礦產(chǎn)勘探深部找礦領域的應用較為深入，通過照射礦物并經(jīng)過一定波長作用，具有X元素特征的射線即可由礦物反射發(fā)出，X 光機可通過識別這類射線科學分析深層礦產(chǎn)資源。在基于X熒光技術的地質(zhì)礦產(chǎn)勘探深部找礦實踐中，礦體內(nèi)部的構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確勾勒；作為新型深部找礦技術，低頻電磁技術存在相對較小的應用范圍，該技術需基于Fraser 處理和分析測得的數(shù)據(jù)，以此結合地質(zhì)找礦規(guī)律和處理結果即可確定礦產(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，低頻電磁技術具備靈活性高、探查速度快等優(yōu)勢[5]。

3 實例分析

3.1 案例概況

為提升研究的實踐價值，本文以某金礦勘查區(qū)作為研究對象，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造，剪切帶控制礦體展布，屬于主要的控礦構造。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、錯斷。

3.2 工作難點

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。第一，孔壁維護難度較高。相較于淺部找礦，在復雜地層金礦勘查區(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雜性更大，為實現(xiàn)鉆探區(qū)域的探測，工程需要打設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，在完成鉆孔打設后，松軟破碎的孔段壁幫難以維護，多層位垮落和掉塊現(xiàn)象也可能出現(xiàn)，護壁因此面臨的挑戰(zhàn)必須得到重視。在打設深孔斜孔的過程中，在外裸露過久的鉆孔可能引發(fā)圍巖失穩(wěn)，孔壁維護因此受到的負面影響也不容忽視；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構致密性高、強度大等挑戰(zhàn)，巖石強度會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級以上的巖石，這類基巖地層使得深孔鉆進難度較高，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。交錯構造多的硬巖、軟巖大量存在于復雜的深部巖層之中，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)域往往會導致鉆探的正常鉆進受到強結構性巖體影響，鉆探防斜因此面臨的挑戰(zhàn)極為嚴峻；第四，較大的操作難度。金剛石繩索取芯技術在深部找礦工程中大量應用，但受到較大的泵機開/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孔壁與鉆具的間隙變小也很容易導致較大壓力波動形成，孔壁失穩(wěn)可能隨之出現(xiàn)，進而引發(fā)孔內(nèi)事故。因此，鉆探設備工作速度需結合地層實際情況針對性控制，這對鉆探設備操作 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、液動錘提鉆取芯、繩索取芯鉆探、液動錘繩索取芯鉆探等，結合同類工程的相關經(jīng)驗，可得到表1所示的對比數(shù)據(jù)。

結合表1進行分析可以發(fā)現(xiàn)，液動錘繩索取芯方法具備最高的效率，且具體優(yōu)勢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適用性，同時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、液動錘提鉆取芯四種方法的效率存在較差，對于1200m以下的鉆孔深度，液動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 深孔鉆探工藝技術的具體應用

3.4.1 孔身結構設計

基于案例金礦礦區(qū)地層特征，同時綜合分析金礦勘查區(qū)存在的特殊復雜孔段，案例采用三級鉆孔的鉆探鉆孔結構，預留一級備用鉆孔。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的直徑設置為76.5mm。對于復雜的地質(zhì)情況，考慮到地層鉆探過程可能出現(xiàn)正常鉆探無法實現(xiàn)情況，因此地層擴孔需備用繩索取芯鉆具，規(guī)格為114mm直徑，復雜地層區(qū)域通過后，可將77mm 直徑的鉆具換回，最終裸眼鉆進至終孔，圖1為礦井鉆孔結構示意圖。

3.4.2 鉆具組合

圖1 礦井鉆孔結構示意圖

采用金剛石鉆頭的開孔鉆具鉆頭，規(guī)格為130mm，同時配置的鉆桿、取芯筒的直徑分別為69mm、127mm，以此鉆進與穿透地層覆蓋層。在鉆探深部地層的過程中，對于復雜的地層情況，正常鉆探在常規(guī)鉆具無法滿足時，鉆探即可采用備用鉆具，即應用繩索取芯鉆具開展擴孔處理，規(guī)格為96.5mm，以此順利穿透復雜地層，圖2為備用鉆具結構示意圖。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，負責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，負責鉆進至終孔。

圖2 備用鉆具結構示意圖

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導致鉆具鉆進速度提高，且鉆進效率會隨鉆具轉(zhuǎn)速加快而提升，因此需要重點關注可能出現(xiàn)的更大鉆頭損耗。鉆壓范圍的科學選擇需要結合特定的地質(zhì)情況，鉆探效率提升、基建成本降低均可順利實現(xiàn)。在面臨巖體硬度較高、研磨性較強、較完整地層時，深孔鉆探需采用較大的鉆壓。在面對較高的巖體破碎度、破碎帶地層時，鉆壓需適當調(diào)整并降低。結合案例金礦勘查區(qū)實際進行分析可以發(fā)現(xiàn)，該金礦勘查區(qū)存在4～6 級之間的礦井地層巖體硬度，因此案例針對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)科學控制泵量，以此充分實現(xiàn)金剛石鉆頭的潤滑和冷卻，并充分清除巖粉殘屑。結合同類工程經(jīng)驗可以了解到，在巖體硬度較高、地層完整性較強時，可選擇規(guī)格較小的泵量，而在巖體結構性較差、地層松軟破碎時，則需要選擇較大規(guī)格泵量。結合案例金礦勘查區(qū)實際試驗結果，技術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，同時鉆探的成本也會受到深遠影響。基于案例金礦勘查區(qū)實際，通過針對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，同時存在處于11 左右的pH 值，在地層破碎度較高、巖體松軟時，可將廣譜護壁劑加入沖洗液，加入量為2‰，同時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，孔壁維護還需要加入單向壓力封閉劑，用量為2‰。

3.5 成果總結

結合案例金礦勘查區(qū)的地質(zhì)礦產(chǎn)勘探深部找礦實踐可以發(fā)現(xiàn)，結合案例中礦區(qū)的地質(zhì)構造和鉆探施工情況，技術人員針對性選擇了鉆探設備并設計了鉆探工藝技術，最終提出了實用性較高的深孔鉆探施工技術方案。方案最終在工程中得到了實際應用，深部復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)濟效益提升均得以實現(xiàn)，因此該案例的地質(zhì)礦產(chǎn)勘探深部找礦實踐具備較高借鑒價值。

4 結論

綜上所述，地質(zhì)礦產(chǎn)勘探深部的找礦需關注多方面因素影響。在此基礎上，本文涉及的巖芯鉆探技術、金剛石繩索取芯技術、優(yōu)選深部找礦取芯鉆探方法、深孔鉆探工藝技術的具體應用等內(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。為更好滿足我國礦產(chǎn)開采需要，各類新技術與新設備的積極應用同樣需要得到業(yè)內(nèi)人士重視。