綠色勘查中以鉆代槽技術(shù)應(yīng)用前景淺析

鄭 杰，張福良，李曉宇，王華青，楊 敏，楊師宇

(1.中國(guó)冶金地質(zhì)總局礦產(chǎn)資源研究院，北京 101300；2.中國(guó)冶金地質(zhì)總局，北京 100025；3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心，北京 100037；4.自然資源部礦產(chǎn)勘查技術(shù)指導(dǎo)中心，北京 100120；5.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083)

0 引言

近年來(lái)，以習(xí)近平同志為核心的黨中央堅(jiān)持保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境就是保護(hù)和發(fā)展生產(chǎn)力的理念，著力補(bǔ)齊生態(tài)短板，生態(tài)文明建設(shè)頂層設(shè)計(jì)日益完善。綠色勘查是在找礦領(lǐng)域踐行生態(tài)文明戰(zhàn)略的具體舉措(宋祥昌等，2018)，是生態(tài)文明戰(zhàn)略背景下一種全新的勘查模式(張福良等，2018)。當(dāng)前，綠色勘查之路剛剛起步，全國(guó)各地勘查單位都在積極探索綠色勘查建設(shè)的方法(孫之夫等，2019)，而技術(shù)創(chuàng)新則是綠色勘查的核心關(guān)鍵。隨著航空物探技術(shù)、多光譜及信息提取遙感技術(shù)、地球化學(xué)勘查技術(shù)等一批地質(zhì)找礦方法的改進(jìn)和研發(fā)，目前在異常圈定、靶區(qū)定位方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展(楊少平等，2014；崔志強(qiáng)，2018；宋艷茹等，2019)，異常查證和取樣分析往往離不開(kāi)地表工程的控制。在以往地質(zhì)工作中，槽探或淺井是揭露地質(zhì)體、追索地質(zhì)界線和測(cè)試分析樣品、控制礦體產(chǎn)狀的常用地表工程手段。隨著地質(zhì)工作程度逐步提高，可供勘查開(kāi)采的淺部礦產(chǎn)資源越來(lái)越少，礦產(chǎn)勘查正由淺部轉(zhuǎn)向覆蓋區(qū)、深部和隱伏礦。常規(guī)的地質(zhì)鉆探設(shè)備笨重，其機(jī)動(dòng)性和輕便性難以迎合景觀區(qū)施工取樣，槽(井)探等進(jìn)行地表揭露又由于其自身的局限性(破壞大或深度淺)，也已無(wú)法滿足新形勢(shì)下綠色勘探的工作要求(林廣利等，2017)。因此以鉆代槽技術(shù)方法的建設(shè)，是實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和資源勘查需求的有力保障。

1 研究現(xiàn)狀

淺層取樣(心)鉆探技術(shù)又稱(chēng)淺鉆技術(shù)，該技術(shù)在覆蓋區(qū)地質(zhì)填圖(譚春亮等，2017；林廣利等，2017；岳永東等，2018；冉靈杰等，2019)、地球化學(xué)取樣方面(喻勁松，2013；盧猛等，2015；譚春亮等，2016；楊漢水等，2017；尹飛等，2017)成效顯著。近年來(lái)，隨著便攜式鉆機(jī)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)得到了普及和推廣，利用淺鉆技術(shù)替代傳統(tǒng)槽(井)探功能，可用于解決地表異常查證、采樣分析及地層、礦(化)體產(chǎn)狀控制及資源量估算等問(wèn)題(趙洪波等，2015，2016，2018；吳金生等，2016；趙元藝等，2016；劉海聲等，2017；王小剛；2018；孫之夫等，2019)，很大程度上改變井探、槽探和人工挖掘等破壞生態(tài)的傳統(tǒng)地質(zhì)取樣方法，但其存在不能對(duì)基巖進(jìn)行水平方向連續(xù)取樣的缺點(diǎn)，造成地質(zhì)現(xiàn)象觀察不連續(xù)、樣品代表性不強(qiáng)、容易丟失脈狀礦體?；诖?，近年來(lái)由黑龍江省地質(zhì)礦產(chǎn)局自主研發(fā)GQZ-120/180鉆機(jī)以及國(guó)內(nèi)廠商英格爾引進(jìn)的EP200H與EP600PLUS鉆機(jī),從淺層取樣(心)鉆機(jī)的不足出發(fā)，嘗試?yán)玫乇砘鶐r水平(0～45°)鉆探技術(shù)(又稱(chēng)小角度鉆探)替代槽(井)探的新型勘查技術(shù)方法。該技術(shù)在黑龍江省內(nèi)推廣應(yīng)用較好，特別在異常查證、樣品取樣分析、深部礦(化)體延伸情況等取得了一定進(jìn)展(劉祥旭等，2017；易亞?wèn)|，2019)。

目前，尚未有研究對(duì)上述兩種勘查技術(shù)在替代槽(井)探上的成效對(duì)比，本文以淺層取樣(心)鉆探技術(shù)中具有代表性的北京探礦工程研究所研發(fā)的TGQ系列淺層取樣鉆機(jī)和地表基巖水平鉆探技術(shù)中英格爾公司引進(jìn)的EP200H與EP600PLUS、黑龍江省地質(zhì)礦產(chǎn)局自主研發(fā)GQZ-120/180鉆機(jī)為例，從設(shè)備工藝、關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)兩方面探討上述技術(shù)方法在以鉆代槽應(yīng)用前景，旨在為今后綠色勘查工作提供有益借鑒。

2 設(shè)備與工藝

淺層取樣(心)鉆探技術(shù)與常規(guī)地質(zhì)鉆探工藝一致，主要在垂直方向(60°～90°)完成對(duì)巖層的鉆進(jìn)、取心工作，在設(shè)備、鉆頭、鉆具、沖洗液具有多樣性及適應(yīng)性。目前TGQ系列根據(jù)鉆進(jìn)動(dòng)力、鉆進(jìn)深度，配備硬質(zhì)合金鉆頭、PDC(金剛石復(fù)合片)鉆頭、不同濃度不同結(jié)構(gòu)的金剛石鉆頭，完成不同地質(zhì)任務(wù)①。

地表基巖水平鉆探技術(shù)則是通過(guò)在地表鉆機(jī)底座安裝的全液壓取心鉆機(jī)主機(jī)、驅(qū)動(dòng)鉆桿和帶鉆頭的雙管鉆具回轉(zhuǎn)、沿水平方向(0～45°)鉆孔進(jìn)入基巖后開(kāi)始連續(xù)采取巖心，其原理見(jiàn)圖1。黑龍江省地質(zhì)科學(xué)研究所自主研發(fā)的鋼索取心工藝，更是解決了以往水平鉆進(jìn)中采用普通的單管鉆進(jìn)，巖心易被鉆具消磨而變形、破碎(李占鋒，2016)，傳統(tǒng)的繩索取心無(wú)法靠重力自由下放內(nèi)管總成和打撈器，受力情況較差的問(wèn)題(常江華等，2012)。鋼索取心工藝，相對(duì)已有的利用水壓進(jìn)行繩索取心鉆具的打撈推送工藝，鋼索取心更快速，打撈內(nèi)管成功率更高，不受鉆孔施工角度的影響。淺鉆設(shè)備與小角度鉆探設(shè)備主要型號(hào)及性能參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 小角度鉆探設(shè)備原理圖Fig.1 Schematic diagram of small-angle drilling equipment

表1 淺鉆設(shè)備與小角度鉆探設(shè)備參數(shù)一覽表

3 關(guān)鍵技術(shù)與特點(diǎn)

3.1 布孔要求

淺層取樣(心)鉆探技術(shù)工作程序與槽探工程要求相同，即：施工前明確地質(zhì)體走向。淺鉆的布設(shè)依據(jù)地質(zhì)體傾角和淺鉆深度確定淺鉆間距，以地質(zhì)剖面作為淺鉆勘探線剖面，布孔采用探索孔→追索孔→驗(yàn)證孔循序漸進(jìn)的方法，一般要求地質(zhì)體在淺鉆深度允許的情況下，至少有2個(gè)淺鉆控制，傾角大則孔距密，傾角小則可放稀或2個(gè)以上淺鉆控制(圖2)。對(duì)于礦化體、礦脈等形態(tài)不規(guī)則時(shí)，可采取斜孔布設(shè)，以達(dá)到對(duì)地質(zhì)體產(chǎn)狀的控制(趙洪波等，2016)。利用淺鉆技術(shù)開(kāi)展以鉆代槽工作，針對(duì)需要解決的問(wèn)題，以布置最少的鉆孔數(shù)、最少的工作量來(lái)完成對(duì)地質(zhì)體的揭露，滿足地質(zhì)目的(趙洪波等，2015)。

圖2 淺鉆施工與樣品布置示意圖(據(jù)趙洪波等,2016修改)Fig.2 Schematic diagram of shallow drilling construction and sample layout (modified from Zhao et al.,2016)1-地形線;2-淺鉆孔;3-地質(zhì)界線;4-斷層;5-礦體;6采樣位置1-topographic line;2-shallow drilling hole;3-geological boundary;4-fault;5-orebody;6-sampling location

地表基巖水平鉆探技術(shù)結(jié)合不同的地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)目的、地形坡度、控制的剖面長(zhǎng)度等可采用不同的布孔方式(圖3)：

圖3 小角度鉆探布孔原理圖Fig.3 Schematic diagram of layout of small-angle drilling holesa-單向孔;b-接續(xù)孔;c-對(duì)穿孔及雙向孔;d-全方位孔a-single-direction hole;b-continued hole;c-opposite drilling and bidirectional drilling hole;d-omni-directional drilling

a單向孔：適用于解決單點(diǎn)異常、標(biāo)志層產(chǎn)狀、礦(化)體深部延伸等；b接續(xù)孔：適合于地形坡度角較大、面狀異常查證、斑巖型礦產(chǎn)勘查等;c對(duì)穿孔及雙向孔：適用于石英脈型、接觸交代型等類(lèi)型礦產(chǎn)勘查及異常查證;d全方位孔(一基多孔)：適用于物化探異常查證、查明礦(化)體產(chǎn)狀、實(shí)現(xiàn)三維立體異常查證，即：可在同一孔位通過(guò)調(diào)轉(zhuǎn)鉆機(jī)進(jìn)行全方位不同傾角的小角度鉆探施工，單方向?qū)嵤?50 m，反方向?qū)嵤?50 m，可控制300 m以?xún)?nèi)異常；采用單地盤(pán)四個(gè)方向不同傾角的小角度施工，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)形異常有效控制。該布孔方式是物化探異常查證最優(yōu)布孔方式，占林占地最少、找礦效果最好、異常查證最高效②。

3.2 產(chǎn)狀厘定

兩種勘查技術(shù)根據(jù)布孔要求及施工標(biāo)準(zhǔn)均可厘定標(biāo)志層產(chǎn)狀。淺層取樣(心)鉆探技術(shù)通過(guò)對(duì)鉆孔巖心詳細(xì)編錄明確地質(zhì)體傾角，在地質(zhì)體關(guān)鍵部位施工3孔(或采用十字形布孔)，確保穿過(guò)同一層位的標(biāo)高，利用計(jì)算機(jī)精準(zhǔn)獲取地質(zhì)體傾向(趙洪波等，2016)(圖4)；當(dāng)標(biāo)志層不明顯時(shí)，可利用同一鉆孔連續(xù)三次進(jìn)尺(或任意三個(gè)鉆孔)的數(shù)據(jù)迭進(jìn)，計(jì)算求得地質(zhì)體產(chǎn)狀(林銀山，1987)。地表基巖水平鉆探技術(shù)可通過(guò)兩種方法厘定產(chǎn)狀：(1)通過(guò)在同一位置施工不同方位和(或)傾角的三個(gè)鉆孔準(zhǔn)確測(cè)定(圖5)；(2)通過(guò)在兩個(gè)不同剖面上施工均見(jiàn)到同一標(biāo)志層，則其連線為該標(biāo)志層走向，在其中一個(gè)剖面上施工第二個(gè)小角度鉆孔可確定標(biāo)志層傾角(圖6)，公式如下:

式中：α為標(biāo)志層視傾角；β為鉆孔傾角；L為鉆孔距標(biāo)準(zhǔn)層的斜距。

圖4 淺鉆通過(guò)3孔測(cè)量產(chǎn)狀示意圖①Fig.4 Schematic diagram of shallow drilling through 3 holes to measure the attitude

圖5 同一位置施工三孔測(cè)量產(chǎn)狀示意圖Fig.5 Schematic diagram of three-hole measurement at the same position

3.3 樣品規(guī)格

對(duì)于傳統(tǒng)槽探工程，采樣長(zhǎng)度可控，刻槽取樣一般在10 cm×5 cm～5 cm×3 cm，礦(化)體及頂?shù)装蹇?近)水平方向連續(xù)取樣，可視性強(qiáng)。而淺鉆技術(shù)樣品需依托鉆孔取心直徑大小，目前可取巖心直徑為27～46 mm，可在(近)垂向連續(xù)取樣。以往成果認(rèn)為①鉆孔垂直于礦層取樣(與刻槽樣取樣長(zhǎng)度一致)，淺鉆取樣重量明顯少于刻槽取樣，而采用垂直鉆孔方式時(shí)(鉆孔與礦層夾角<90°)，淺鉆在礦層中穿過(guò)的距離大于礦層的厚度，在同樣的投影長(zhǎng)度上，通過(guò)調(diào)整鉆孔角度可以使取樣重量達(dá)到或超過(guò)刻槽取樣的重量。小角度鉆探鉆孔在巖性分層、地質(zhì)界線劃分上具有與固體礦產(chǎn)勘查小口徑金剛石鉆探工藝相同的優(yōu)勢(shì)，終孔孔徑Φ76 mm時(shí)，巖心直徑在49 mm，保證了樣品取樣的代表性和可靠性。通過(guò)精確測(cè)量回次進(jìn)尺、巖礦心采取率和終孔深度，可以清晰、準(zhǔn)確地劃分巖性界線及位置，精確厘定分層厚度，為后續(xù)地質(zhì)資料綜合整理和資源儲(chǔ)量估算提供可靠的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。槽探工程、小角度鉆探、淺鉆對(duì)比成效見(jiàn)表6。

圖6 剖面法標(biāo)志層產(chǎn)狀測(cè)量示意圖Fig.6 Schematic diagram of measuring the occurrence of marker layer by profile methoda-同一剖面確定傾角;b-不同剖面確定走向；1-剖面線;2-小角度鉆孔;3-標(biāo)志層;4-標(biāo)志層走向線;5-鉆孔斜距;6-標(biāo)志層視傾角;7-鉆孔傾角a-determining the inclination from the same profile;b-determining strike using different profiles；1-profile;2-small-angle drilling hole;3-marker layer;4-trend line of marker layer;5-drilling hole slope;6-apparent dip angle of marker layer;7-dip angle of drilling hole

3.4 測(cè)試成效

據(jù)海南、云南、陜西(趙洪波等，2015，2016；王小剛等，2018)近年來(lái)開(kāi)展的利用淺鉆技術(shù)替代槽探工程取樣分析效果來(lái)看，與同一位置的槽探工程刻槽取樣分析結(jié)果對(duì)比，在控制礦體信息上基本一致，吻合程度較高，均能達(dá)到圈定礦(化)體。同時(shí)，在槽探工程無(wú)法揭露的深度下(地表3 m以下)可獲取更多的礦化信息，但局限于無(wú)法進(jìn)行水平方向連續(xù)取樣，在礦(化)體與頂?shù)装褰缇€尚無(wú)精確厘定，對(duì)于礦化較弱且不均勻的礦化體樣品分析存在不足。

小角度鉆探技術(shù)已在黑龍江省內(nèi)多個(gè)勘查項(xiàng)目應(yīng)用③，該技術(shù)不再局限于地表殘坡積層的礦化現(xiàn)象，更能反映地下30～50 m礦體的賦存情況，更好地揭示物化探異常，樣品分析均能達(dá)到同一位置槽探工程效果，受限于現(xiàn)行勘查規(guī)范的影響，在探求資源量?jī)?chǔ)量時(shí)，與需要地表工程控制的技術(shù)要求不統(tǒng)一，目前尚無(wú)達(dá)成共識(shí)。

4 研究結(jié)論

(1)淺層取樣(心)鉆探技術(shù)，采用探索孔→追索孔→驗(yàn)證孔循序漸進(jìn)的部署方法，在地質(zhì)體關(guān)鍵部位施工3孔(或采用十字形布孔)可確定地質(zhì)體產(chǎn)狀，通過(guò)調(diào)整鉆孔角度可獲得同等刻槽取樣重量，滿足測(cè)試樣品要求。在合理布孔的工作程序下，該技術(shù)在一定范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)部分替代槽探工程的功能，減少槽探工作量。作為一種新興的技術(shù)方法，不同于傳統(tǒng)槽探工程水平方向取樣，礦體與頂?shù)装褰缇€不能精準(zhǔn)厘定，存在漏掉產(chǎn)狀直立的礦(化)體的可能，在細(xì)微地質(zhì)現(xiàn)象觀察與取大樣上，不如傳統(tǒng)方法直觀。

(2)地表基巖水平鉆探技術(shù)，針對(duì)點(diǎn)、面、環(huán)形異常及標(biāo)志層產(chǎn)狀、礦(化)體深部延伸等情況可以按4類(lèi)需求部署，并根據(jù)同一位置施工不同方位和(或)傾角的三個(gè)鉆孔或根據(jù)不同剖面同一標(biāo)志層方法厘定地質(zhì)體產(chǎn)狀。樣品采用與固體礦產(chǎn)勘查小口徑金剛石鉆探相同的工藝，保證了樣品取樣的代表性和可靠性，可較好地取代槽探工程。目前，該技術(shù)工藝受限于沖洗液(水)的約束，無(wú)法在無(wú)水或少水地區(qū)開(kāi)展鉆探取心工作。

(3)淺層取樣(心)鉆探技術(shù)、地表基巖水平鉆探技術(shù)作為技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)可控、社會(huì)效益顯著的新型礦產(chǎn)勘查方法來(lái)替代槽探工程施工，可減少對(duì)森林植被等環(huán)境的破壞。依據(jù)地質(zhì)目的和施工條件，合理選用淺鉆技術(shù)與小角度鉆探技術(shù)勢(shì)必將成為新時(shí)期一種重要的行之有效的綠色勘探手段。

致謝：由于新冠疫情影響給項(xiàng)目帶來(lái)了不小的阻力，調(diào)研工作得到了北京探礦工程所宋殿蘭主任、青海有色地勘局陳海福主任、黑龍江省地質(zhì)科學(xué)研究所劉祥旭副主任、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心趙洪波高工、黑龍江省第五地質(zhì)勘查院易亞?wèn)|高工及珠海英格爾劉許勇經(jīng)理等一批專(zhuān)家的有益支持與幫助，在此一并表示誠(chéng)摯的感謝。

[注 釋]

①趙洪波,郭強(qiáng),宋殿蘭,何遠(yuǎn)信,王寶盛,何玉生,莊有光,盧猛.2016.以鉆代槽勘查技術(shù)研究與應(yīng)用示范成果報(bào)告[R].北京探礦工程研究所.

②劉祥旭.2015.鉆探代替槽井探技術(shù)方法應(yīng)用研究成果報(bào)告[R].黑龍江省地質(zhì)科學(xué)研究所.

③劉祥旭.2017.水平鉆探技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)研究成果報(bào)告[R].黑龍江省地質(zhì)科學(xué)研究所.

[附中文參考文獻(xiàn)]

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