深部礦產資源勘查及地質鉆探找礦技術研究

摘要：我國深部礦產勘查面臨地質條件復雜、礦體賦存規律不明，傳統鉆探效率低，習近平總書記“向地球深部進軍”的號召為礦產勘查工作指明了方向。在此背景下，本研究以某金礦勘查區為對象，分析該礦區地質構造、巖層特征及控礦構造，識別出韌性剪切帶、脆性斷裂對鉆探的影響，總結深部鉆探面臨的技術難題，并結合具體勘探數據，研究優化鉆探工藝，采用三級鉆孔結構，搭配適配鉆具組合，按不同孔段控制鉆壓，設定5～392 L/min泵量，選用水解聚丙烯酰胺無固相沖洗液，提出液動錘繩索取芯法為最適合深部勘查的鉆探方法。該方法在鉆孔深度超1 200 m時效率優勢顯著，能順利完成深部復雜地層鉆探，有效提升鉆探效率，提高經濟效益。

關鍵詞：礦產勘查"" 深部找礦"" 取芯鉆探"" 孔身結構

Research on Deep Mineral Resource Exploration and Geological Drilling Exploration Technology

NIE Ming

The First Exploration Team of Shandong Coalfield Geological Bureau， Qingdao， Shandong Province， 266000 China

Abstract： China's deep mineral exploration is facing complex geological conditions， unclear occurrence patterns of ore bodies， and low efficiency of traditional drilling. General Secretary Xi Jinping's call to \"march towards the deep earth\" has pointed out the direction for mineral exploration work. In this context， this study takes a certain gold exploration area as the object， analyzes the geological structure， rock layer characteristics， and ore controlling structures of the mining area， identifies the impact of ductile shear zones and brittle fractures on drilling， summarizes the technical difficulties faced by deep drilling， and combines specific exploration data to study and optimize drilling technology. A three-level drilling structure is adopted， matched with suitable drilling tool combinations， and drilling pressure is controlled according to different hole sections. A pump volume of 5～392 L/min is set， and hydrolyzed polyacrylamide non solid flushing solution is selected. The liquid hammer rope core extraction method is proposed as the most suitable drilling method for deep exploration. This method has significant efficiency advantages when drilling at depths exceeding 1 200 m， and can successfully complete drilling in complex deep formations， effectively improving drilling efficiency and economic benefits.

Key Words： Mineral exploration; Deep mineral exploration; Core drilling; Hole structure

隨著淺層礦產資源的日益枯竭，全球礦產勘查逐步向深部延伸，以滿足礦產資源的持續供應需求。深部礦產資源的勘查不僅涉及更加復雜的地質條件，還伴隨著礦體賦存規律不清、高強度巖層鉆探難度大等技術挑戰。其中，金礦作為重要的戰略性礦產資源，其深部勘查與找礦技術的突破對保障資源供給具有重要意義。當前，傳統鉆探方法在深部勘查中存在效率低、成本高、施工難度大等問題，難以滿足日益增長的找礦需求。因此，優化鉆探工藝、提高深部勘查精度成為礦產勘查領域的關鍵研究方向。近年來，隨著地球物理、地球化學與智能鉆探技術的發展，深部找礦技術不斷取得進展，但仍面臨數據精度不足、鉆探穩定性受限等問題。基于此，本文圍繞深部礦產資源勘查與地質鉆探技術，探討其核心技術方法，分析當前技術難點，并提出相應的優化策略，以期為提高深部礦產資源勘查效率提供理論與實踐支持。

1 深部地質礦產資源勘查與地質鉆探技術

1.1 定向鉆探技術

定向鉆探技術是一種可控鉆進方式，能夠按照預設軌跡引導鉆頭向目標礦體方向鉆進，提高礦產資源的探測精度。該技術可控性強，能夠精準到達目標區域，并可以通過分支孔道提高鉆探效率，適用于復雜地層和礦區，同時還能減少對地層結構的破壞。然而，其施工成本較高，對設備和技術要求較高，需要專業技術人員進行精確控制，操作難度大。此外，在特殊地質條件下，該技術的應用可能受到一定限制^[1]。

1.2 巖心鉆探技術

巖心鉆探技術是一種通過旋轉鉆頭切割巖石并獲取完整巖芯樣品的直接取樣方法，在深部礦產勘查中被廣泛應用。其主要優勢在于能夠提供完整的巖芯樣品，為地質分析提供精準的數據支持，且適用于多種地層，尤其是硬質巖層。然而，該技術的鉆進速度較慢、施工周期較長，同時設備磨損較快，導致鉆探成本較高。此外，在破碎帶和松散地層中，巖芯的完整性會受到影響，從而降低勘探數據的可靠性。

1.3 金剛石繩索取芯技術

金剛石繩索取芯技術利用金剛石鉆頭進行鉆進，并通過繩索快速回收巖芯，提高取芯效率。該技術具有高效取芯、減少鉆探停機時間的優勢，特別適用于硬巖鉆探，耐磨損性強，并能在深部地層保持較高的取芯率，提高勘探精度。然而，該技術的設備成本較高、對操作技術要求較高，在軟質地層中取芯效果較差，容易損壞巖芯。此外，受鉆具強度限制，在極深部位鉆探時穩定性有所下降。

1.4 X熒光和低頻電磁技術

X熒光技術和低頻電磁技術作為非接觸式礦產勘查手段，能夠提供快速、無損的礦物成分分析與礦體探測能力。X熒光技術利用X射線激發礦石中的元素，并分析其熒光信號，適用于多種礦種的檢測，尤其在金屬礦勘查中應用廣泛。低頻電磁技術通過電磁波的傳播特性檢測地下礦體的導電性差異，可以有效識別隱伏礦體。然而，這兩種技術受環境因素影響較大，例如：地層結構和含水量可能干擾測量結果。此外，X熒光技術對輕元素的檢測能力有限，存在一定誤差；低頻電磁法在復雜地層中的解釋精度也會降低^[2]。

2 深部礦產資源勘查項目

2.1 案例概況

本研究聚焦于某金礦勘查區，該區域處于地質構造極為復雜的地帶，巖層以單斜形式出露，通過專業測繪可知，巖層走向在310°～350°之間，傾角范圍是26°～55°。從覆蓋情況來看，勘查區面積的70%以上為第四系地層所覆蓋。研究揭示，韌性剪切帶是該區域關鍵的控礦構造要素，其在空間上的展布特征對礦體的分布與延伸方向起到限定作用。另外，礦體內于晚期階段形成的脆性斷裂對礦體造成不同程度的破壞，脆性斷裂導致礦體在空間上被分割、錯斷，嚴重影響礦體的原始形態與連續性，這些斷裂帶主要為N向、NE向、NW向的3組平移斷層和正斷層。

2.2 勘查難點

2.2.1孔壁維護難度較高

與淺部找礦相比，深部金礦勘查面臨著更多的地層不確定性和復雜性。鉆探過程中，此次工程所涉及的鉆孔施工的路徑規劃需要穿越巖層中存在裂隙的部位、呈現破碎狀態的地帶與節理高度發育的區域。這些松軟破碎的孔段壁常會出現多層位垮落和掉塊現象，孔壁難以穩定。在進行深孔斜孔鉆探時，由于外裸露過久，容易引發圍巖失穩，影響孔壁的維護，增加施工難度。

2.2.2 鉆探效率較低

該金礦區的深部巖層致密性高，巖石強度隨著埋藏深度增加而增大，巖體的硬度使鉆進過程變得非常困難。礦區內大量5級以上的巖石增加了鉆探的難度，鉆頭的損耗和使用壽命也大幅降低。由于這種硬巖地層的存在，鉆探效率較低，需要優化設備和工藝。

2.2.3 防斜治斜難度較高

礦區內巖體交錯構造較為復雜，硬巖與軟巖交替出現，巖體各向異性顯著，不同方向上力學性質、結構特征等存在明顯差異。在鉆孔作業中，可以增加鉆孔偏斜的風險。進入深部鉆探環節，硬巖區域本身硬度高、可鉆性差，加之結構性巖體的影響，導致鉆孔軌跡難以控制。

2.2.4 操作難度較大

在針對深部礦產資源探尋作業時，金剛石繩索取芯工藝憑借顯著優勢成為業內廣泛采用的核心技術手段。然而，啟動到停機過程中產生的壓力沖擊、鉆具在鉆孔內垂直方向上的往復運動所附加的動態壓力使壓力平衡的維系面臨嚴峻挑戰。當鉆具在鉆孔內以較高速度進行升降操作時，孔壁與鉆具之間的環形間隙相對狹小，導致局部壓力的顯著降低，容易引發孔壁巖石的局部剝落、大面積坍塌。鑒于上述在深部找礦鉆探作業中所面臨的復雜工況和潛在風險，對鉆探操作人員的專業技能提出較高要求。在整個鉆探過程中，精準對鉆探速度和施加在鉆頭上的壓力進行動態調整^[3]。

2.3 優選深部找礦取芯鉆探方法

在對深部礦產資源開展勘查工作時，常見的鉆探工藝類型多樣，對不同鉆探方法進行對比分析。液動錘繩索取芯法在效率方面表現突出，并且隨著鉆孔深度的增加，效率優勢更加明顯，尤其是在鉆孔深度超過1200 m時，其效率更高。相比之下，提鉆取芯方法在深部鉆探中效率較低，不適用于1200 m以內深度的鉆探。綜合來看，液動錘繩索取芯法在深部鉆探應用中最為理想^[4]。

3 深孔鉆探技術的具體應用

3.1 孔身結構設計

在金礦勘查區，考慮到該地區復雜的地質條件，鉆探孔設計采用三級鉆孔結構，并為應急情況預設備用鉆孔。初始開孔直徑設置為217 mm；穿透覆蓋層后，鉆進破碎帶時，使用146 mm直徑的鉆頭；最終進入復雜地層時，使用76.5 mm直徑的鉆頭進行繩索取芯操作。此外，為應對可能出現的突發地質條件，設計中，還準備規格為114 mm的備用繩索取芯鉆具。

3.2 鉆具組合

鉆探工作中，使用130 mm規格的金剛石鉆頭進行開孔，并且配套的鉆桿直徑為69 mm，取芯筒的直徑則為127 mm。對于復雜地層段，備用鉆具采用繩索取芯鉆具（規格96.5 mm），并且鉆探過程中，根據地層的不同特性選擇合適的鉆具。具體配置包括二開鉆具鉆頭規格為76.5 mm、配套鉆桿和取芯筒直徑為75 mm和56 mm。

3.3 鉆探參數

鉆壓和泵量的選擇直接影響鉆探效率。根據金礦勘查區地層的硬度（46級），鉆壓的控制區間分別為0～＜500 m孔段鉆壓為815 kN、500～＜1 000 m孔段鉆壓為1530 kN、1 000～＜1 500 m孔段鉆壓為1 015 kN、1 500～＜2 000 m孔段鉆壓為1 520 kN。泵量范圍則為5 392 L/min，確保鉆頭的潤滑和冷卻，并有效清除巖粉殘屑^[5]。

3.4 沖洗液選擇

鉆探的沖洗液是影響鉆探效率的關鍵因素。經過針對性分析，本次作業中選用水解聚丙烯酰胺無固相沖洗液，基漿成分包括多陰離子纖維素、聚乙烯醇和磺化褐煤樹脂，比例為0.05‰、2.5‰、3‰、0.3‰，液體密度在1.02～1.03 g/cm3之間，pH值約為11。在地層破碎或巖體松軟的情況下，添加廣譜護壁劑和單向壓力封閉劑，確保孔壁的穩定，避免孔壁失穩現象。

3.5 鉆探成果總結

通過對該金礦勘查區深部鉆探的實踐分析，結合地質構造和鉆探施工情況，選用適合的鉆探技術方案。采用的深孔鉆探工藝可以順利完成深部復雜地層鉆探，有效提升鉆探效率，降低生產成本，提高經濟效益。

4 結語

綜上所述，本研究圍繞某金礦勘查區的深部鉆探技術展開，深入分析該礦區的地質條件及其對鉆探的影響，提出針對性的解決方案。通過對不同鉆探方法的對比，優化鉆孔結構設計、鉆壓控制、泵量選擇與沖洗液使用，可以解決深部金礦勘查中的技術難題，為類似礦區的鉆探技術優化提供經驗。

參考文獻

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