淺鉆技術(shù)在黔西南雄武背斜地區(qū)以鉆代槽取樣中的應(yīng)用研究

祝強(qiáng)，冉靈杰，蘇興濤，岳永東，盧倩

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 引言

近年來，國家層面多次強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)。黨的十八大將生態(tài)文明建設(shè)擺在了前所未有的戰(zhàn)略高度，提出了“五位一體”的總體布局。明確要求以健全生態(tài)文明制度體系為重點(diǎn)，優(yōu)化國土空間開發(fā)格局，全面促進(jìn)資源節(jié)約集約利用，槽(井)探施工作為傳統(tǒng)的揭露工程和取樣方式與生態(tài)文明建設(shè)理念相背離，這一方法也將逐漸被取代[1-2]。但是隨著國家找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)實(shí)施的進(jìn)一步深入，槽探或化探取樣技術(shù)應(yīng)用于找礦的范圍卻越來越大，覆蓋區(qū)深度也由幾米走向幾十米甚至上百米，槽探施工的深度極為有限，致使有效性大大降低，難以滿足地質(zhì)找礦的需求[3]。常規(guī)的地質(zhì)鉆探設(shè)備體積大、笨重，其機(jī)動(dòng)性和輕便性難以迎合景觀區(qū)施工取樣的要求，在這種背景下，淺層鉆探取樣技術(shù)的研究與應(yīng)用得到了良好的發(fā)展。

淺層鉆探取樣技術(shù)又稱“淺鉆技術(shù)”，通過輕便式鉆探設(shè)備以及配套的工藝方法，來完成取樣或者成孔的一種鉆探技術(shù)。中國地質(zhì)調(diào)查局北京探礦工程研究所(以下簡稱“探礦工程所”)研究的淺鉆技術(shù)，基本解決了山區(qū)難進(jìn)入地區(qū)、特殊淺覆蓋景觀區(qū)地質(zhì)取樣的難題，為解決傳統(tǒng)地質(zhì)取樣(井探、槽探和人工挖掘等)破壞生態(tài)的問題提供了良好的技術(shù)支撐[4-5]。

以鉆代槽勘查技術(shù)可以很好地利用淺鉆技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)來避免探槽對(duì)環(huán)境的破壞，完成對(duì)礦產(chǎn)資源的評(píng)估和地質(zhì)情況的檢驗(yàn)[6]。與傳統(tǒng)槽探相比，具有顯著的優(yōu)勢，大大減少了工作量，提高了工作效率。反應(yīng)礦化深度更深、更經(jīng)濟(jì)，為野外發(fā)現(xiàn)礦體異常并及時(shí)追蹤和現(xiàn)場異常評(píng)價(jià)提供了高效的、便利的勘查手段[7]。因此以鉆代槽勘查技術(shù)是服務(wù)生態(tài)文明建設(shè)的體現(xiàn)，是地質(zhì)調(diào)查工作支撐生態(tài)文明建設(shè)的縮影。

1 區(qū)域概況

工作區(qū)域位于黔西南布依族苗族自治州某市，該地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，品位高，分布廣，主要有金、鐵、煤、銻、鉬、汞、砷、硅、石英石、白云石等10余種，鉬、汞、砷、石英石、白云石等礦產(chǎn)開發(fā)尚在起步階段。雄武背斜地區(qū)位于揚(yáng)子陸塊西部，南盤江-右江前陸盆地，海拔約為2200 m。區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)多個(gè)金屬礦化點(diǎn)、金礦床、鉬礦床以及汞礦點(diǎn)，是金、鉬、汞等多金屬礦集區(qū)，業(yè)內(nèi)認(rèn)為找礦潛力巨大。該區(qū)域?qū)ι鷳B(tài)要求高，不能進(jìn)行槽(井)探施工，想要獲取地質(zhì)巖心信息只能通過鉆探方式進(jìn)行，取樣區(qū)域礦體屬于硬巖型某礦體，處于淺覆蓋區(qū)下部的破碎帶區(qū)間，硬度高，較破碎，鉆孔布設(shè)于車輛無法到達(dá)的斷裂帶上，區(qū)域內(nèi)海拔高、巖體構(gòu)造復(fù)雜、巖層擠壓破碎嚴(yán)重，鉆探取樣施工極為艱難，傳統(tǒng)地質(zhì)鉆探難以滿足進(jìn)入山區(qū)取樣需求[8-9]，所以需要開展淺鉆以鉆代槽取樣應(yīng)用研究工作。

2 取樣設(shè)備及優(yōu)化改進(jìn)

2.1 設(shè)備概況

探礦工程所針對(duì)我國各重點(diǎn)成礦帶對(duì)淺層取樣的需求，結(jié)合地質(zhì)、物探、化探取樣的具體要求，開展淺鉆技術(shù)的研究，為重點(diǎn)成礦帶的找礦突破提供可靠的淺層鉆探關(guān)鍵設(shè)備，淺鉆設(shè)備具有綠色高效、性能可靠、方便靈活、操作簡單、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，配套多種勘查技術(shù)方法和取樣工藝，可以實(shí)現(xiàn)螺旋鉆進(jìn)、金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、繩索取心鉆進(jìn)、液壓沖擊鉆進(jìn)，空氣正反循環(huán)鉆進(jìn)等工藝[10-11]，適合野外難進(jìn)入山區(qū)的地質(zhì)取樣工作。

根據(jù)雄武背斜地區(qū)礦產(chǎn)勘查的地質(zhì)需求，為了進(jìn)一步追索和驗(yàn)證覆蓋層下部多金屬礦(化)體延伸特征，選用TGQ-30型輕便鉆機(jī)，對(duì)埋深約20 m左右的多金屬礦化異常進(jìn)行鉆探取心驗(yàn)證。該鉆機(jī)主要由動(dòng)力組件(液壓泵站)、主機(jī)(動(dòng)力頭部分)、鉆架三部分組成，在實(shí)際使用中，還需要泥漿泵來提供循環(huán)介質(zhì)，完成取樣工作。液壓動(dòng)力系統(tǒng)為集成式液壓動(dòng)力站，動(dòng)力頭部分有液壓馬達(dá)和減速箱構(gòu)成，減速箱設(shè)計(jì)為兩擋變速，低轉(zhuǎn)速為150 r/min，高轉(zhuǎn)速為600 r/min，鉆架配備插裝式桅桿、輕便絞車及輕便木馬夾持器。鉆機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、搬運(yùn)方便，模塊化設(shè)計(jì)、液壓絞車提升，是第一種可以實(shí)現(xiàn)繩索取心鉆進(jìn)的輕便鉆機(jī)，適用于30 m以內(nèi)的以鉆代槽取樣。具體參數(shù)如表1所示。

表1 鉆機(jī)參數(shù)

2.2 設(shè)備優(yōu)化

實(shí)施以鉆代槽技術(shù)方案之前，為了使其具備在高海拔景觀區(qū)開展以鉆代槽應(yīng)用示范的設(shè)備基礎(chǔ)，先期開展了鉆機(jī)的優(yōu)化改進(jìn)工作。將原有的TGQ-30型輕便淺層取樣鉆機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，增加桅桿和絞車，實(shí)現(xiàn)繩索取心工藝，來滿足快速有效取心工作，提高工作效率，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度[12-13]。將小口徑繩索取心鉆進(jìn)工藝應(yīng)用于輕便鉆機(jī)上也是淺鉆技術(shù)研究的創(chuàng)新點(diǎn)。

提下鉆具時(shí)，需要在鉆機(jī)底座配備夾持裝置，該裝置主要包含卡瓦、底板、鎖緊裝置等，如圖1所示。

圖1 夾持器裝置

針對(duì)特殊鉆探施工，開展了斜孔鉆機(jī)可調(diào)節(jié)底座的研究，角度可調(diào)，滿足斜孔鉆進(jìn)需求。如圖2所示。

圖2 斜孔用可調(diào)角度底座

3 取樣工藝

3.1 工藝概況

為了彌補(bǔ)槽探深度不足，借鑒前期槽探施工資料，采用繩索取心鉆進(jìn)工藝。在正常鉆進(jìn)時(shí)，無須提鉆，通過提引裝置抓取內(nèi)管，取出巖心。一方面可以節(jié)約鉆進(jìn)輔助時(shí)間，提高工作效率；另一方面可以很好地防止地層破碎引起的坍塌孔事故，減少卡鉆、埋鉆事故的發(fā)生[14]。研制的小口徑繩索取心鉆具，其外徑46 mm，巖心直徑29 mm，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)減輕了鉆具重量，適用于輕便取樣鉆機(jī)。鉆具結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

1.鉆頭；2.卡簧；3.擴(kuò)孔器；4.扶正環(huán)；5.外管；6.絲堵；7.鋼球；8.內(nèi)管后接頭；9.鎖緊螺母；10.內(nèi)管；11.內(nèi)管前接頭；12.卡簧；13.主軸；14.穩(wěn)管器；15.彈簧；16.滑動(dòng)接頭；17.回收管；18.彈卡架；19.彈卡；20.張簧；21.彈卡室；22.彈卡擋頭；23.撈矛頭；24.彈性圓柱銷；25.鎖緊螺母；26.彈簧座；27.墊圈；28.軸承

按照上述地層及設(shè)備情況，配套鉆探工藝即可解決該區(qū)域取樣問題。

3.2 遇到的問題及解決方案

(1)在項(xiàng)目執(zhí)行過程中，首先遇到了硬度達(dá)到VII級(jí)的殘(坡)積層，導(dǎo)致普通孕鑲金剛石鉆頭快速失效，使用壽命僅有0.5 h。針對(duì)上述情況，研制了齒輪型孕鑲金剛石鉆頭，最終解決了鉆頭壽命短的問題。

(2)施工穿透破碎地層時(shí)，遇到破碎的巖心卡在鉆具中，引起動(dòng)力頭上下抖動(dòng)。針對(duì)上述情況，停止鉆進(jìn)，從鉆孔中取出鉆桿和鉆具，把卡在鉆具中的巖心取出，然后進(jìn)行下一回次的鉆進(jìn)。

(3)提鉆后，部分巖心殘留在孔內(nèi)而未能取出。針對(duì)此問題，采用專用取心器代替鉆頭，配套在鉆具上，把鉆具放到孔內(nèi)的斷心處撈取出巖心，當(dāng)全部巖心從孔中被取出后，再次繼續(xù)鉆孔。

3.3 應(yīng)用效果

通過對(duì)設(shè)備和工藝的優(yōu)化改進(jìn)，在取心效率和取心質(zhì)量上相比以往都有較好地提升。在示范區(qū)內(nèi)的應(yīng)用研究中，采用TGQ-30型取樣鉆機(jī)+直徑46 mm繩索外平鉆桿+直徑46 mm繩索取心鉆具+齒輪型孕鑲金剛石鉆頭+0.1%聚丙烯酰胺+大泵量水循環(huán)鉆進(jìn)工藝方法組合，取心率由起初的20%提高到80%以上，平均純鉆效率達(dá)到2.5 m/h，達(dá)到了取樣設(shè)計(jì)要求，為高海拔地景觀區(qū)開展礦產(chǎn)勘查項(xiàng)目提供了有力的技術(shù)支撐。同時(shí)，項(xiàng)目組配合地質(zhì)設(shè)計(jì)要求，為減少對(duì)高山森林景觀的環(huán)境破壞，采用淺鉆以鉆代槽技術(shù)，獲取了鉆探目的層空間分布特征，踐行了綠色勘查理念[15]。施工現(xiàn)場和巖心照片分別如圖4、圖5所示。

圖4 TGQ-30型鉆機(jī)配套繩索取心鉆具的施工情況

圖5 示范區(qū)取樣的巖心照片

4 結(jié)語

(1)淺鉆技術(shù)及以鉆代槽取樣的應(yīng)用研究可以追索和驗(yàn)證覆蓋層下部多金屬礦(化)體延伸特征，為后續(xù)深孔布設(shè)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

(2)通過在雄武背斜地區(qū)取樣的應(yīng)用研究以及對(duì)淺鉆設(shè)備的優(yōu)化改進(jìn)，驗(yàn)證了淺鉆技術(shù)在高山高海拔景觀區(qū)取樣的可行性，為后續(xù)淺鉆支撐以鉆代槽勘查技術(shù)方法提供了借鑒。

(3)以鉆代槽取樣的應(yīng)用研究驗(yàn)證了淺鉆技術(shù)在綠色勘查方向良好的應(yīng)用效果以及在高原區(qū)資源潛力綜合評(píng)價(jià)中的可行性和有效性，為淺鉆技術(shù)在高原區(qū)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。