有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)勘查和深部地質(zhì)鉆探找礦技術(shù)研究

王 磊

(貴州省地礦局區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究院，貴州 畢節(jié) 551700)

0 引 言

隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的的發(fā)展，人們?cè)桨l(fā)重視深部地質(zhì)礦產(chǎn)資源的開采與挖掘。作為地質(zhì)勘察中的一環(huán)，通過(guò)深部地質(zhì)資源的勘查來(lái)了解地質(zhì)構(gòu)造、地貌特征、礦產(chǎn)資源的組成，在此基礎(chǔ)上充分利用深部有色金屬礦產(chǎn)資源。在實(shí)際運(yùn)用中深部礦產(chǎn)資源的埋深比較大，找礦難度也比一般的礦產(chǎn)資源更復(fù)雜。在進(jìn)行深部地質(zhì)資源的勘查過(guò)程中需要結(jié)合先進(jìn)的技術(shù)，確保勘查效果的精準(zhǔn)可靠，這對(duì)新時(shí)期的找礦研究有重要的意義。

1 深部地質(zhì)鉆探發(fā)展現(xiàn)狀

目前淺層資源的開采已經(jīng)枯竭，資源開采朝著深部發(fā)展，可開采的大部分有色金屬礦產(chǎn)資源都存儲(chǔ)在深層地質(zhì)中，要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)采用相應(yīng)的地質(zhì)鉆探技術(shù)。目前我國(guó)資源勘探僅僅達(dá)到三分之一，勘探作業(yè)潛力巨大。當(dāng)前的地質(zhì)勘探深度為300～500 m，但是有的國(guó)家在技術(shù)力量和經(jīng)驗(yàn)支持下深度可以達(dá)到800 m，在已有的探勘經(jīng)驗(yàn)中，人們發(fā)現(xiàn)大部分稀有金屬和貴金屬分布在幾公里的深處，必須要輔助先進(jìn)的設(shè)備來(lái)獲得金屬的位置。在找礦中，巖心鉆探是展開地質(zhì)勘探的重要部分，在進(jìn)行作業(yè)的時(shí)候技術(shù)人員綜合運(yùn)用地球理論以及地球化學(xué)技術(shù)，從而確定探勘結(jié)果，明確礦藏的埋深，對(duì)礦藏品味進(jìn)行計(jì)算分析后得到礦藏儲(chǔ)量。目前關(guān)于深層地質(zhì)鉆探工作中出現(xiàn)問(wèn)題的現(xiàn)象比較常見，比如地質(zhì)勘察技術(shù)設(shè)備不能支持現(xiàn)代深部開采、投入資金少、設(shè)備機(jī)械化程度低等。由于部分鉆井公司的組織體系不夠健全和缺乏專業(yè)人才的支持，進(jìn)一步增加鉆井工作的難度。

傳統(tǒng)礦產(chǎn)勘查技術(shù)和找礦技術(shù)被現(xiàn)代礦產(chǎn)領(lǐng)域廣泛運(yùn)用，但是由于存在問(wèn)題，無(wú)法滿足新時(shí)期的發(fā)展需求。為了維持社會(huì)發(fā)展平衡，提高我國(guó)地質(zhì)勘察和找礦技術(shù)發(fā)展，設(shè)計(jì)出更靈活的找礦方式，人們展開了探究。目前分為2種：①以實(shí)測(cè)為主的數(shù)據(jù)信息，要進(jìn)行科學(xué)推算、預(yù)測(cè)來(lái)確定礦芯位置，結(jié)合周圍環(huán)境展開，最終判斷礦產(chǎn)，這一方式勘查速度比較，并存在誤差，加上勘查結(jié)構(gòu)單一，是關(guān)聯(lián)性的勘查定位；②結(jié)合設(shè)備科學(xué)輔助定位的方式，這種方式的最大優(yōu)勢(shì)在于速度快，最終結(jié)果出現(xiàn)之后的誤差很小。如果地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，則精度也會(huì)減少，這是該方式存在的弊端。主要原因是部分勘查定位環(huán)境復(fù)雜，很容易影響到設(shè)備性能進(jìn)而影響到最終的勘察結(jié)果。因此需要結(jié)合目前先進(jìn)的技術(shù)與設(shè)備，創(chuàng)建更靈活的勘查方式完善找礦技術(shù)，推動(dòng)我國(guó)的有色金屬礦產(chǎn)勘查工作走向新的發(fā)展方向[1]。

2 找礦難點(diǎn)

2.1 缺乏對(duì)礦床預(yù)測(cè)判斷

在找礦過(guò)程中，由于缺乏對(duì)礦床預(yù)測(cè)，影響最終的找礦結(jié)果。部分人員按照已有經(jīng)驗(yàn)展開找礦作業(yè)，這種模式依賴成熟的地質(zhì)信息。但是深部找礦的復(fù)雜性在于人們不能了解深部地質(zhì)的具體情況，最缺乏的是地質(zhì)信息的了解，現(xiàn)代勘查技術(shù)不能準(zhǔn)確構(gòu)造三維圖紙，也不能模擬地質(zhì)更替情況，但是這些信息是深部找礦的關(guān)鍵信息。目前的深部有色金屬礦產(chǎn)勘查與找礦均采用了深部鉆探的方式，雖然可以提供關(guān)鍵信息，但是成本較高，預(yù)測(cè)能力有限，所以限制了該技術(shù)的發(fā)展。

2.2 學(xué)術(shù)理論及探測(cè)技術(shù)存在局限

雖然找礦領(lǐng)域不斷發(fā)展，產(chǎn)生了十分成熟的模式，甚至衍生出很多的礦床學(xué)以及找礦理論，但在具體運(yùn)用中，由于有色金屬礦產(chǎn)區(qū)域不同，所以不同地區(qū)以及不同類型的有色金屬礦產(chǎn)勘查都有局限。盡管找礦理論和預(yù)測(cè)方式在現(xiàn)代化發(fā)展中取得了理想的進(jìn)展，但考慮到礦產(chǎn)種類的復(fù)雜性，在找礦中仍舊需要深入了解，才可以更好地進(jìn)行勘查、找礦。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要深部刻畫地質(zhì)三維，掌握礦地地質(zhì)情況，了解結(jié)構(gòu)面和空間區(qū)別。現(xiàn)階段理論以及探測(cè)技術(shù)的局限性讓深部找礦地質(zhì)面臨諸多限制。

2.3 找礦限制因素較多

在深度找礦的過(guò)程中還受礦山的人文因素和環(huán)境因素的影響，傳統(tǒng)的有色金屬礦產(chǎn)作業(yè)需要高壓電、運(yùn)輸軌道、電纜等，這些都會(huì)影響到深部找礦的探測(cè)質(zhì)量，繼而影響到具體作業(yè)，對(duì)物探產(chǎn)生干擾。傳統(tǒng)作業(yè)中產(chǎn)生的尾礦與污水也會(huì)影響到找礦作業(yè)的進(jìn)度。傳統(tǒng)的礦產(chǎn)開采很容易對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞，所以人們對(duì)礦產(chǎn)資源的開產(chǎn)持反對(duì)態(tài)度，這也影響到找礦工作的有序展開。

3 深部找礦的鉆探技術(shù)

3.1 鉆探施工鉆機(jī)

目前鉆機(jī)設(shè)備仍舊是立軸式鉆機(jī)，如XY系列的鉆機(jī)。這種設(shè)備使用時(shí)存在的缺陷是工藝普適性不高、取芯效率受到地質(zhì)影響、鉆進(jìn)效率不高、斜孔鉆進(jìn)十分困難[2]。坑道鉆機(jī)的代表性產(chǎn)品為市場(chǎng)上常見的MK系統(tǒng)、ZSM與ZY系列、MYB、KY系列，這些鉆機(jī)的能力均在500 m以內(nèi)。見表1。

表1 鉆機(jī)設(shè)備Tab.1 Drilling Rig Equipment

3.2 金剛石繩索取心

該技術(shù)是全球使用最廣泛的技術(shù)，綜合地質(zhì)效果良好，在20世紀(jì)70年代，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)廣泛推廣，但是在使用的深度與廣度上，和國(guó)外國(guó)家相比仍舊存在差距。國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)作業(yè)上，利用繩索取芯鉆探技術(shù)完成的工作量不能滿足找礦需求。設(shè)備上，存在材質(zhì)不好與加工精度差等限制，導(dǎo)致材料的使用很容易出現(xiàn)問(wèn)題，使用的時(shí)候容易折斷、脫扣，不能滿足1 000 m以上的深度鉆孔需要。目前解決的方案是通過(guò)繩索取心鉆具內(nèi)管的普通鉆桿進(jìn)行作業(yè)能夠保證找礦工作的順利展開，同時(shí)也就可以增大鉆孔的工作量，在市場(chǎng)上常見的設(shè)備有φ89 mm鉆桿+φ75 mm型繩索取心鉆具+φ94 mm鉆頭。金剛石鉆頭制作水平在新時(shí)期不斷創(chuàng)新，后期針對(duì)金剛石超硬復(fù)合材料方面進(jìn)行大規(guī)模的研究，生產(chǎn)鑄造出聚晶、復(fù)合片產(chǎn)品，雖然質(zhì)量不能與國(guó)際水平媲美，但是也代表我國(guó)在金剛石材料的生產(chǎn)制作方面取得進(jìn)展。

3.3 反循環(huán)連續(xù)取樣鉆探

這一項(xiàng)技術(shù)使用壓縮空氣作為循環(huán)介質(zhì)，用雙壁鉆桿以沖擊回轉(zhuǎn)全面碎巖和連續(xù)巖屑來(lái)進(jìn)行作業(yè)，獲取目標(biāo)樣品。在實(shí)際操作當(dāng)中，巖屑被高速的氣流疏通之后連續(xù)經(jīng)過(guò)雙壁鉆桿的中心，將其攜帶到地面上，只需要收集現(xiàn)場(chǎng)的材料進(jìn)行檢驗(yàn)即可。根據(jù)目前的施工作業(yè)來(lái)看，人們意識(shí)到這一技術(shù)十分優(yōu)秀，可完全確定礦體的埋深、礦體厚度、礦品等物化參數(shù)，而且鉆探速度比傳統(tǒng)的取柱狀巖心施工速度更高，施工成本很低。這一技術(shù)在國(guó)內(nèi)推廣受到阻礙的主要原因是要使用特殊的雙壁鉆桿。目前針對(duì)這一方面的技術(shù)不斷創(chuàng)新，國(guó)際地質(zhì)鉆探承包商以及礦業(yè)投資者提出關(guān)于這一方面的概念，且在國(guó)內(nèi)不斷推廣，取得了較好的成效，大幅度提高了鉆井效率的同時(shí)，也降低了整體成本[3]。

3.4 液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)技術(shù)

該技術(shù)也是發(fā)展比較快的技術(shù)，經(jīng)過(guò)多年的研究以及技術(shù)上的改進(jìn)，將這一技術(shù)使用在不同系列的改進(jìn)，我國(guó)使用YZX127型液動(dòng)潛孔錘實(shí)現(xiàn)大陸科鉆一井的探勘。但是普通的鉆探生產(chǎn)條件下，如果地質(zhì)中泥漿固相含量很高，導(dǎo)致液動(dòng)潛孔錘內(nèi)零部件頻繁卡死，導(dǎo)致工作效率低下。推廣運(yùn)用的過(guò)程中該技術(shù)被熟知，但是現(xiàn)實(shí)生活中的使用比較少。

3.5 空氣泡沫鉆探

該技術(shù)是地質(zhì)學(xué)員與科研所聯(lián)合制作完成，經(jīng)過(guò)不同環(huán)境條件以及機(jī)具實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)出來(lái)的相對(duì)成熟的泡沫工藝。在研制出來(lái)的后期，由于地質(zhì)鉆探工作量銳減，該技術(shù)在初期投入、能耗方面都比較高，所以技術(shù)推廣一度陷入落后狀態(tài)。

3.6 定向技術(shù)

這一技術(shù)強(qiáng)調(diào)按照既定鉆孔方向來(lái)前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)鉆孔作業(yè)，目前該技術(shù)使用在鹵礦、芒硝礦等的開采中，這一類物質(zhì)主要是水溶性礦產(chǎn)。在實(shí)際運(yùn)用中，該技術(shù)運(yùn)用在土耳其Beypazari天然堿礦工程實(shí)現(xiàn)高精度的找礦作業(yè)，具體的控制精度達(dá)到0.5 m。即便是普通鉆孔作業(yè)難以達(dá)到的部分，尤其是復(fù)雜的坑道內(nèi)、斜礦地質(zhì)當(dāng)中，定向技術(shù)都可以實(shí)現(xiàn)鉆孔作業(yè)，工程上顯著減少鉆探工作量。但是該技術(shù)的使用也存在缺陷，不能連續(xù)取心。巖心定向技術(shù)是通過(guò)對(duì)孔底的巖心進(jìn)行定向標(biāo)記，操作設(shè)備只獲取這一標(biāo)記區(qū)域的物質(zhì)即可，之后進(jìn)行復(fù)位測(cè)算和計(jì)算即可得到地層的產(chǎn)物，效率高精準(zhǔn)度高，因此被廣泛使用。該技術(shù)在石油開采中廣泛使用，但是地質(zhì)巖心的直徑比較小，市場(chǎng)上對(duì)這一技術(shù)的研究也很少，缺乏足夠的關(guān)注。

4 新時(shí)期深部勘察找礦技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新途徑

4.1 發(fā)展先進(jìn)的找礦鉆探設(shè)備

應(yīng)加快鉆機(jī)的國(guó)產(chǎn)化速度，推進(jìn)立軸式鉆機(jī)的改進(jìn)與使用。各個(gè)地質(zhì)勘探部門在新時(shí)期的發(fā)展越來(lái)越先進(jìn)，所以施工中對(duì)地表深孔鉆探設(shè)備的性能需求、坑道設(shè)備施工作業(yè)需求不斷提高，但是國(guó)內(nèi)受到多種因素的影響，設(shè)備發(fā)展處于起步階段，關(guān)鍵設(shè)備以及專業(yè)配置部件仍舊需要進(jìn)口。因此新時(shí)期需要高度重視設(shè)備的創(chuàng)新和革新，加快全液壓動(dòng)力式巖心鉆機(jī)設(shè)備的改進(jìn)與創(chuàng)新新，重視立軸式設(shè)備的改進(jìn)。該設(shè)備的改進(jìn)，應(yīng)該在CD系列鉆機(jī)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，讓鉆機(jī)設(shè)備有更高的普適性[4]。國(guó)外新進(jìn)的設(shè)備有俄羅斯的CKБ系列、加拿大的BBS系列以及日本NLC公司的NL-55。

深部地質(zhì)的勘探和開采需要鉆探設(shè)備的支持，所以新時(shí)期加快坑道鉆探設(shè)備的能力研究也是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。在礦山接替資源的勘探的時(shí)候需要充分結(jié)合地質(zhì)具體情況，而在部分成礦模式中地層開采可以充分適應(yīng)鉆探設(shè)備來(lái)揭露地層，減少成本的消耗。坑道鉆探設(shè)備的創(chuàng)新與發(fā)展，所以盡量提升生產(chǎn)設(shè)備能力、性能，努力發(fā)展達(dá)到300～1 000 m范圍內(nèi)的產(chǎn)品體系，實(shí)現(xiàn)深部找礦在產(chǎn)品發(fā)展上的要求。另外要在發(fā)展中加快對(duì)先進(jìn)鉆探設(shè)備的推廣，主要目的是提高生產(chǎn)和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，降低市場(chǎng)銷售價(jià)格。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上全液壓動(dòng)力式鉆機(jī)研發(fā)已經(jīng)取得了理想的成績(jī)，早在2006年就研制出了YDX-3型全液壓動(dòng)力頭式巖心鉆機(jī)，鉆具的深度達(dá)到1 000 m，所以受到了廣泛關(guān)注[5]。隨后這一類機(jī)械不斷創(chuàng)新，推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

4.2 促進(jìn)鉆探器具以及工藝方面的創(chuàng)新

結(jié)合當(dāng)前發(fā)展來(lái)看，加強(qiáng)信息的收集，積極展開行業(yè)之間的信息交流，與科研院所等合作，促進(jìn)設(shè)備的創(chuàng)新。在以往的發(fā)展中情報(bào)部門提供關(guān)于鉆井技術(shù)的相關(guān)信息，為國(guó)內(nèi)科技立項(xiàng)、研發(fā)和創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。在20世紀(jì)我國(guó)地質(zhì)鉆探工作不斷發(fā)展，先進(jìn)的鉆探技術(shù)已經(jīng)得到成熟的使用，在現(xiàn)代化發(fā)展中現(xiàn)代科技與設(shè)備之間的聯(lián)系加深，各種信息技術(shù)高速發(fā)展，在現(xiàn)實(shí)發(fā)展中如果我們閉門造車，不僅無(wú)法保證研究成果，極有可能重復(fù)研究，造成資源的浪費(fèi)。另外，加快對(duì)新型基礎(chǔ)鉆具的研制以及新的技術(shù)工藝的完善，加強(qiáng)對(duì)巖心鉆探器具以及工藝設(shè)備的系統(tǒng)性研究，提高工藝方法的普適性，利用現(xiàn)代的先進(jìn)集成技術(shù)整合出新、創(chuàng)新，打造新的器具設(shè)備。如目前研制的螺桿馬達(dá)+液動(dòng)錘+繩索取心設(shè)備就取得了理想的運(yùn)用效果，達(dá)到國(guó)際水平。在深部地質(zhì)鉆探作業(yè)中，要建立起先進(jìn)的鉆探設(shè)備、工藝方法推廣機(jī)制，使用先進(jìn)的工藝方法展開找礦作業(yè)，并且借鑒國(guó)外的先進(jìn)理論，供相關(guān)機(jī)構(gòu)加以研究，加快鉆探技術(shù)的消化、吸收與使用。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，深部找礦技術(shù)不斷發(fā)展，在未來(lái)必然會(huì)要求新技術(shù)的融入，強(qiáng)調(diào)新深度、新要求和新設(shè)備。因此在當(dāng)前的發(fā)展中要充分考慮技術(shù)存在的問(wèn)題，并且積極解決這些問(wèn)題，采取合理的手段來(lái)創(chuàng)新，確保找礦技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。