浅钻技术在黔西南雄武背斜地区以钻代槽取样中的应用研究

祝强，冉灵杰，苏兴涛，岳永东，卢倩

(北京探矿工程研究所，北京 100083)

0 引言

近年来，国家层面多次强调加强生态文明建设。党的十八大将生态文明建设摆在了前所未有的战略高度，提出了“五位一体”的总体布局。明确要求以健全生态文明制度体系为重点，优化国土空间开发格局，全面促进资源节约集约利用，槽(井)探施工作为传统的揭露工程和取样方式与生态文明建设理念相背离，这一方法也将逐渐被取代[1-2]。但是随着国家找矿突破战略行动实施的进一步深入，槽探或化探取样技术应用于找矿的范围却越来越大，覆盖区深度也由几米走向几十米甚至上百米，槽探施工的深度极为有限，致使有效性大大降低，难以满足地质找矿的需求[3]。常规的地质钻探设备体积大、笨重，其机动性和轻便性难以迎合景观区施工取样的要求，在这种背景下，浅层钻探取样技术的研究与应用得到了良好的发展。

浅层钻探取样技术又称“浅钻技术”，通过轻便式钻探设备以及配套的工艺方法，来完成取样或者成孔的一种钻探技术。中国地质调查局北京探矿工程研究所(以下简称“探矿工程所”)研究的浅钻技术，基本解决了山区难进入地区、特殊浅覆盖景观区地质取样的难题，为解决传统地质取样(井探、槽探和人工挖掘等)破坏生态的问题提供了良好的技术支撑[4-5]。

以钻代槽勘查技术可以很好地利用浅钻技术的优点来避免探槽对环境的破坏，完成对矿产资源的评估和地质情况的检验[6]。与传统槽探相比，具有显著的优势，大大减少了工作量，提高了工作效率。反应矿化深度更深、更经济，为野外发现矿体异常并及时追踪和现场异常评价提供了高效的、便利的勘查手段[7]。因此以钻代槽勘查技术是服务生态文明建设的体现，是地质调查工作支撑生态文明建设的缩影。

1 区域概况

工作区域位于黔西南布依族苗族自治州某市，该地区矿产资源丰富，品位高，分布广，主要有金、铁、煤、锑、钼、汞、砷、硅、石英石、白云石等10余种，钼、汞、砷、石英石、白云石等矿产开发尚在起步阶段。雄武背斜地区位于扬子陆块西部，南盘江-右江前陆盆地，海拔约为2200 m。区内已发现多个金属矿化点、金矿床、钼矿床以及汞矿点，是金、钼、汞等多金属矿集区，业内认为找矿潜力巨大。该区域对生态要求高，不能进行槽(井)探施工，想要获取地质岩心信息只能通过钻探方式进行，取样区域矿体属于硬岩型某矿体，处于浅覆盖区下部的破碎带区间，硬度高，较破碎，钻孔布设于车辆无法到达的断裂带上，区域内海拔高、岩体构造复杂、岩层挤压破碎严重，钻探取样施工极为艰难，传统地质钻探难以满足进入山区取样需求[8-9]，所以需要开展浅钻以钻代槽取样应用研究工作。

2 取样设备及优化改进

2.1 设备概况

探矿工程所针对我国各重点成矿带对浅层取样的需求，结合地质、物探、化探取样的具体要求，开展浅钻技术的研究，为重点成矿带的找矿突破提供可靠的浅层钻探关键设备，浅钻设备具有绿色高效、性能可靠、方便灵活、操作简单、适用性强等特点，配套多种勘查技术方法和取样工艺，可以实现螺旋钻进、金刚石回转钻进、绳索取心钻进、液压冲击钻进，空气正反循环钻进等工艺[10-11]，适合野外难进入山区的地质取样工作。

根据雄武背斜地区矿产勘查的地质需求，为了进一步追索和验证覆盖层下部多金属矿(化)体延伸特征，选用TGQ-30型轻便钻机，对埋深约20 m左右的多金属矿化异常进行钻探取心验证。该钻机主要由动力组件(液压泵站)、主机(动力头部分)、钻架三部分组成，在实际使用中，还需要泥浆泵来提供循环介质，完成取样工作。液压动力系统为集成式液压动力站，动力头部分有液压马达和减速箱构成，减速箱设计为两挡变速，低转速为150 r/min，高转速为600 r/min，钻架配备插装式桅杆、轻便绞车及轻便木马夹持器。钻机结构紧凑、搬运方便，模块化设计、液压绞车提升，是第一种可以实现绳索取心钻进的轻便钻机，适用于30 m以内的以钻代槽取样。具体参数如表1所示。

表1 钻机参数

2.2 设备优化

实施以钻代槽技术方案之前，为了使其具备在高海拔景观区开展以钻代槽应用示范的设备基础，先期开展了钻机的优化改进工作。将原有的TGQ-30型轻便浅层取样钻机结构进行改进，增加桅杆和绞车，实现绳索取心工艺，来满足快速有效取心工作，提高工作效率，减轻工人劳动强度[12-13]。将小口径绳索取心钻进工艺应用于轻便钻机上也是浅钻技术研究的创新点。

提下钻具时，需要在钻机底座配备夹持装置，该装置主要包含卡瓦、底板、锁紧装置等，如图1所示。

图1 夹持器装置

针对特殊钻探施工，开展了斜孔钻机可调节底座的研究，角度可调，满足斜孔钻进需求。如图2所示。

图2 斜孔用可调角度底座

3 取样工艺

3.1 工艺概况

为了弥补槽探深度不足，借鉴前期槽探施工资料，采用绳索取心钻进工艺。在正常钻进时，无须提钻，通过提引装置抓取内管，取出岩心。一方面可以节约钻进辅助时间，提高工作效率；另一方面可以很好地防止地层破碎引起的坍塌孔事故，减少卡钻、埋钻事故的发生[14]。研制的小口径绳索取心钻具，其外径46 mm，岩心直径29 mm，通过优化结构减轻了钻具重量，适用于轻便取样钻机。钻具结构图如图4所示。

1.钻头；2.卡簧；3.扩孔器；4.扶正环；5.外管；6.丝堵；7.钢球；8.内管后接头；9.锁紧螺母；10.内管；11.内管前接头；12.卡簧；13.主轴；14.稳管器；15.弹簧；16.滑动接头；17.回收管；18.弹卡架；19.弹卡；20.张簧；21.弹卡室；22.弹卡挡头；23.捞矛头；24.弹性圆柱销；25.锁紧螺母；26.弹簧座；27.垫圈；28.轴承

按照上述地层及设备情况，配套钻探工艺即可解决该区域取样问题。

3.2 遇到的问题及解决方案

(1)在项目执行过程中，首先遇到了硬度达到VII级的残(坡)积层，导致普通孕镶金刚石钻头快速失效，使用寿命仅有0.5 h。针对上述情况，研制了齿轮型孕镶金刚石钻头，最终解决了钻头寿命短的问题。

(2)施工穿透破碎地层时，遇到破碎的岩心卡在钻具中，引起动力头上下抖动。针对上述情况，停止钻进，从钻孔中取出钻杆和钻具，把卡在钻具中的岩心取出，然后进行下一回次的钻进。

(3)提钻后，部分岩心残留在孔内而未能取出。针对此问题，采用专用取心器代替钻头，配套在钻具上，把钻具放到孔内的断心处捞取出岩心，当全部岩心从孔中被取出后，再次继续钻孔。

3.3 应用效果

通过对设备和工艺的优化改进，在取心效率和取心质量上相比以往都有较好地提升。在示范区内的应用研究中，采用TGQ-30型取样钻机+直径46 mm绳索外平钻杆+直径46 mm绳索取心钻具+齿轮型孕镶金刚石钻头+0.1%聚丙烯酰胺+大泵量水循环钻进工艺方法组合，取心率由起初的20%提高到80%以上，平均纯钻效率达到2.5 m/h，达到了取样设计要求，为高海拔地景观区开展矿产勘查项目提供了有力的技术支撑。同时，项目组配合地质设计要求，为减少对高山森林景观的环境破坏，采用浅钻以钻代槽技术，获取了钻探目的层空间分布特征，践行了绿色勘查理念[15]。施工现场和岩心照片分别如图4、图5所示。

图4 TGQ-30型钻机配套绳索取心钻具的施工情况

图5 示范区取样的岩心照片

4 结语

(1)浅钻技术及以钻代槽取样的应用研究可以追索和验证覆盖层下部多金属矿(化)体延伸特征，为后续深孔布设提供设计依据。

(2)通过在雄武背斜地区取样的应用研究以及对浅钻设备的优化改进，验证了浅钻技术在高山高海拔景观区取样的可行性，为后续浅钻支撑以钻代槽勘查技术方法提供了借鉴。

(3)以钻代槽取样的应用研究验证了浅钻技术在绿色勘查方向良好的应用效果以及在高原区资源潜力综合评价中的可行性和有效性，为浅钻技术在高原区应用奠定了基础。