以鉆代槽技術在旺蒼縣黃洋—五權地區釩礦普查中的實踐應用

黎龍昌 ，冉強，段威 ，張飛 ，鄒林，熊觀

（1.四川省地質礦產勘查開發局化探隊，四川 德陽 618000；2.四川省深地地質勘查有限公司，四川 德陽 618000）

0 引言

黨的十八屆五中全會首次把“綠色發展”作為五大發展理念之一以來，“既要綠水青山，也要金山銀山”、“綠水青山就是金山銀山”的理念逐漸成為全民的共識。在原國土資源部勘查司的積極倡導下，誕生了《綠色勘查行動宣言》。青海省、吉林省、四川省等陸續發布了礦產資源綠色勘查開發的行動方案。地質勘查作為整個礦業的基礎和上游產業，在傳統的礦產勘查過程中，探槽為主要地表探礦工程，但施工探槽具有對揭露某些埋藏較深的礦種難以達到理想效果的弱點；此外，探槽還具有占地面積大，造成大面積的植被及土壤的破壞、施工效率低、可能形成地質災害、存在安全隱患等特點，對自然環境有很大影響。因此，新時代的地質勘查能否避免或減小這些問題，實現綠色勘查，這將直接影響著整個行業的綠色發展，乃至生態文明建設的整體大局。在此背景下，綠色勘查技術研究及試驗均得到了快速發展。而以鉆代槽技術是現階段落實綠色勘查精神，避免或減小傳統的槽探工程對生態環境破壞的主要技術手段之一。

旺蒼縣黃洋—五權礦區釩礦賦存于鋁質粘土巖中，礦石質軟，其頂底板為質硬的硅質巖與灰巖，礦體在地表出沒端往往形成負地貌，且多被第四系殘坡積物覆蓋，施工探槽往往難以達到地質目的，且開挖面積大，對生態環境破壞較大，根據礦區實際情況選擇采用以鉆代槽技術，既達到了工作地質目的及質量要求，又做到了綠色勘查。此外，該項技術具有一定推廣意義，對釩礦、石墨礦、煤礦、粘土礦等地表易風化被覆蓋的礦種在地表工程控制方面具有良好示范作用。

1 礦區概況

旺蒼縣黃洋—五權礦區位于四川省廣元市旺蒼縣，范圍地理坐標：東經106°18′00″～106°40′45″，北緯32°17′30″～32°20′30″。礦區呈東西向分布，軸向長約35.6 km，南北寬1～6 km，面積約95.98 km2。礦區內喀斯特地貌發育，切割深、多陡崖，海拔標高500～1640 m，相對高差大于1000 m；氣候濕潤多雨，植被茂盛。礦區地層以灰巖、泥質灰巖等為主，礦化層巖性以鋁質粘土巖、含碳硅質巖、硅質灰巖為主，礦層易風化。探礦工程布設網度：地表工程槽探間距400 m，鉆探間距走向800 m、傾向400 m。

2 代槽取樣鉆

2.1 取樣鉆機的選用

目前，國內取樣鉆型號較多，主要分為淺層輕便取樣鉆機具（含背包式取樣鉆機）和淺層機動取樣鉆機具兩類（冉恒謙等，2011；趙洪波等，2014a），取樣鉆孔主要選用淺層輕便取樣鉆機。其中，背包式鉆機具有輕便、搬運方便的優點，適合完整的較軟巖鉆進，但目前市場上的背包式取樣鉆機鉆進速度較低，且巖芯直徑小，無法對破碎帶及粘土巖等取芯，此外施工深度淺（多小于10 m），難以滿足取樣鉆孔施工需求。

為了便于搬運、施工速度有保障、巖芯直徑滿足要求，本次勘查宜選用的鉆機要求單體最大重量小于100 kg，總重量適中，且施工占地面積小，巖芯直徑不小于40 mm，鉆進速度不小于1 m/h的鉆機。根據上述要求，本次選用了由北京探礦工程研究所研制的TGQ-15型淺層輕便鉆機及機具（趙洪波等，2015），取樣鉆機及配件參數見表1。該型取樣鉆機鉆進深度15～20 m，鉆孔直徑46～60 mm，鉆進速度能滿足勘查的取樣技術要求，顯著提高取樣質量和取樣效率（朱文鑒等，2004；田樹偉和盧猛，2008）。

表1 取樣鉆機及配件

2.2 代槽取樣鉆施工

2.2.1 取樣鉆孔布設

利用取樣鉆方法在擬定槽探工作區域開展兩方面的工作：一是在槽探施工受限的情況下（開挖深度淺、范圍小或是槽探難以揭穿礦體），以取樣鉆施工代替槽探；二是鑒于槽探對生態環境的破壞情況，減少槽探工作量，用淺鉆技術來完成槽探施工目標（朱文鑒等，2004；田樹偉和盧猛，2008）。

本礦區兩種情況均存在，礦區東部五權一帶礦體傾角小，地表礦體上層易風化形成負地貌，被坡積物覆蓋，礦體下部硅質巖堅硬，槽探或淺井難以揭穿（圖1、圖2）。因此，代槽取樣鉆是適合的選擇。

圖1 礦區礦體地表出露示意圖

圖2 礦區東部槽探施工

以鉆代槽勘查施工技術研究中，在槽探擬施工區域的淺鉆布孔是研究重點。在巖石出露區域，結合產狀，布設探索孔以確定礦體位置，驗證孔控制礦體及頂底板，追索孔以確定是否完全控制了礦體。孔位及孔距設置的原則是使得單孔可以掌握多個槽探取樣樣位（趙洪波等，2014b，2015）（圖3）。針對層狀、似層狀等礦體，可以按垂直礦體走向“一”字型布設鉆孔；對厚度大、形狀不規則的礦體或桶狀礦體，可在礦體中按“十”字型（梅花形）布設鉆孔。

圖3 層狀礦體鉆孔布設及取樣示意圖

本礦區釩礦屬沉積型層狀礦體，且礦體出露位置容易確定，地表多形成負地貌成溝壑狀，礦區沿走向400 m間距布設代槽淺鉆，礦區東部位于背斜轉折端，礦體及巖層產狀均較緩，多在8～25°之間，因此適合采用以鉆代槽的技術實現地質目的，在相應間距位置通常布設1～3個“一”字型代槽淺鉆孔即可控制礦體。礦區東部代槽淺鉆鉆孔實際工程分布見圖4。

圖4 礦區東部地質簡圖及工程分布圖

2.2.2 取樣鉆施工

礦區開展以鉆代槽施工以來，記錄了取樣鉆施工的鉆機搬運、鉆進速度、取芯情況、油料及耗材使用、人工耗用量等情況（表2）。

表2 取樣鉆施工參數

（1）搬運及操作：取樣鉆機可拆分，最大單體重量50 kg，總重量約150 kg，一次性搬運需要人數4～5人。對道路的要求低，人員可通行的地方均可以搬運，不需單獨修建便道。施工機臺面積僅需2 m2左右即可，對植被及土壤破壞小。鉆機操作簡單，工人短期培訓即可操作。操作人數2～3人，搬運距離較遠的施工地點，可增加配置2人輔助搬運。

（2）鉆進速度：不同的巖性鉆進速度不同，合適的鉆頭選用是關鍵，本次選用的鉆頭主要為：齒輪金剛石鉆頭、平底金剛石鉆頭。保證取芯率的情況下，厚層狀碳酸鹽巖層鉆進速度約2 m/h、普通層狀硅質巖鉆進速度約1 m/h，硅質巖夾煤線層鉆進約0.5 m/h（鉆機轉速必需以中低速鉆進以保證取芯率）、鋁質粘土巖層鉆進約0.7 m/h（鉆進過快難以保證取芯率）。上述平均施工速度包含提鉆取芯等輔助時間，鉆進速度與工人熟練程度及經驗有關，因此，鉆進速度尚有進一步提高的空間。

（3）取芯情況：礦區鋁質粘土巖及含炭硅質巖夾煤線層取芯相對較困難，通過不斷調整，取芯率基本可達到85%以上，灰巖層及層厚較厚的硅質巖層取芯率可達95%以上（圖5），滿足勘查規范的要求。影響取芯率的因素主要有鉆機轉速、鉆壓大小、沖洗液配置及工人施工經驗等，對施工工人進行一定的培訓和練習即可滿足施工要求。

圖5 取樣鉆鉆取的巖芯

（4）油料及耗材：鉆機油料使用以汽油為主，耗用量1.2～1.3 L/h，潤滑油及齒輪油用量約1 L/100 h。耗材主要包括鉆頭、卡簧、擴孔器及其他汽油機易損件等，其中鉆頭每個可鉆進20～40 m，卡簧約每個可取芯5～10 m。

針對煤層、粘土巖及破碎帶等難以取芯的巖層，使用配置無污染、經濟型的水基高聚物無固相沖洗液（水解聚丙烯酰胺PHP）可以有效絮凝鉆進過程中形成的鉆屑（巖粉、屑）（劉廣志，1991；何遠信，2001），并顯著提高取芯率。配置好的沖洗液具有一定的護心護壁能力，流動性好，降低鉆桿與孔壁間的摩擦系數，降低扭矩，減少動力消耗，有效防止卡鉆堵鉆塌孔事故發生，同時大大提高了巖芯的采取率（何遠信等，2005；趙洪波等，2011）。

3 以鉆代槽與槽探應用效果對比

3.1 施工場地對比

礦區釩礦層易風化形成負地貌，浮土較厚，槽探開挖深度大，在本礦區施工的探槽，普遍場地占地面積在20～30 m2,對植被和土壤影響較大。而取樣鉆機搬運較方便、操作較簡單、施工場地要求小，場地占地面積僅為2～3 m2。施工場地對比明顯（圖6、圖7）。

圖6 槽探施工現場

圖7 代槽淺鉆施工現場

3.2 安全、環境影響對比

探槽施工往往需破壞大量植被及土壤，局部還易引發次生地質災害，如滑坡、崩塌等；施工較深的探槽還能對人或動物產生安全隱患。采用以鉆代槽因其占地面積小，對環境的影響甚微，并且基本不會產生地質災害和安全隱患，能大大減小槽探施工對植被和土壤的破壞，做到綠色勘查，安全、環境影響對比明顯。

3.3 施工效率及經濟對比

礦區施工探槽經統計，平均每個探槽需用5天/4人，揭露到礦體及頂底板的情況下需開挖的平均土石方方量約50 m3，按照中國地質調查局《地質調查項目預算標準（2010試用）》預算標準槽探深度0～3 m單價為110 元/m3，因此平均每個探槽的直接經濟成本約為5500元。

使用以鉆代槽，每個取樣鉆平均需用2天/2人，達到地質目的的平均鉆進深度約為12 m，按照中國地質調查局《地質調查項目預算標準（2010試用）》預算標準孔深0～20 m單價為279 元/m，每個取樣鉆的直接經濟成本約為3348元。

因此使用以鉆代槽不僅能節約大量人力，且節約大量經濟成本，效果明顯。

4 結論

（1）采用取樣鉆控制地表礦體能夠達到槽探控制的效果，取芯質量能滿足規范要求，鉆取巖芯分析結果與槽探樣品分析結果基本吻合；對緩傾礦體及浮土較厚的區域，取樣鉆能更有效的控制礦體。施工進度能夠滿足勘查施工要求。

（2）取樣鉆施工能大大減輕槽探施工對土壤及植被的破壞，場地占地面積極小，能有效的減少地質勘查對環境的影響。

（3）以鉆代槽技術在綠色勘查探礦工程中可以作為一種重要的技術手段推廣應用，對類似粘土礦、石墨礦等質軟易風化形成負地貌導致探槽難以揭露的礦種勘查具有很好的示范作用。