草原浅覆盖区浅钻取样技术的研究与应用

2015-01-01何远信宋殿兰谭春亮赵洪波

钻探工程 2015年11期

卢猛，何远信，宋殿兰，谭春亮，赵洪波

(1．北京探矿工程研究所，北京100083;2．中国地质大学〈北京〉，北京100083)

0 引言

内蒙古中东部大部分地区被草原覆盖，大兴安岭成矿带从该区穿过，是我国重要的多金属成矿集中区，找矿潜力巨大。由于浅覆盖层的存在，区域地质调查、地球化学勘查等勘查手段受到很大程度影响，在运积物覆盖超过2 m的地区常规化探手段难以取得良好的测量效果［1］。为了研究浅覆盖区不同沉积单元元素地球化学分布规律、揭露被覆盖区域下伏地层岩性变化特点，需要采集自地表直至基岩的不同覆盖结构单元层样品［1］。本地区覆盖层通常由腐殖质、风成沙、粘泥层、砾石层、含水层等地层中的两种或多种组合构成，结构复杂。洛阳铲等人力取样工具无法穿透覆盖层，且本区地表干旱缺水，不适宜泥浆循环钻进工艺。快速穿透覆盖层，采取目的层样品成为该区地质矿产勘查工作需要解决的关键问题。通过针对本地区第四系覆盖层的不同结构，采用不同的取样工艺方法组合，解决了该区域浅层取样问题。使得浅钻化探方法技术突破了浅覆盖区常规化探方法和其他勘查方法难以奏效、多解性或间接性等“瓶颈”，为开展浅覆盖区1:25万区域地球化学调查奠定了基础［1］。

1 浅钻取样技术

浅钻取样技术是以钻穿浅覆盖层采取浅部地质样品为目的的钻探取样技术，主要包括浅层钻探装备和浅层取样工艺方法2个部分。我国浅覆盖区地质景观类型多样，覆盖层构成复杂多变，所需浅钻取样装备及取样工艺也各不相同。赵洪波等在其论文“以钻代槽勘查技术方法与应用研究”中，对浅钻取样技术所涉及的国内外浅层取样装备和浅层取样工艺做了简单的归纳［2］。冉恒谦等在其论文“地质钻探技术与应用研究”中对北京探矿工程研究所及中国地质科学院勘探技术研究所研发的浅层取样装备做了简要介绍［3］。谭春亮等在其论文“全液压车载钻机在缺水地区化探取样中的应用研究”中，对全液压车载钻机及缺水地区的钻探取样工艺做了介绍，提出车载空气潜孔锤钻探工艺特别适合大面积的化探普查工作［4］。刘文武等在其论文“空气潜孔锤钻进技术在新疆东天山成矿带的应用”中介绍了我所研制的机动浅钻及空气潜孔钻正循环取样工艺在东天山示范区的应用情况，解决了我国干旱地区低成本快速取样的难题［5］。

1．1 内蒙古草原浅覆盖区浅层取样装备

内蒙古草原浅覆盖区地形平缓、地势开阔(见图1)，适于车辆行驶，选用车载机动浅层取样钻机。该区属干旱、半干旱地区，地表水资源稀少，选用空气正循环钻探取样工艺。

图1 内蒙古草原覆盖区地貌

1．1．1 花敖包特铅锌矿外围工作区浅层取样装备

工作区位于内蒙古大兴安岭西坡、半干旱草原丘陵景观区内的花敖包特铅锌多金属矿区(见图2)。区内已知矿床的大部分为裸露和半裸露地区，在矿体外围约一半面积为浅覆盖层。浅覆盖层以风积为主，山坡部位覆盖层厚度2～5 m，山脚或沟底＞10 m，部分区段＞15 m。覆盖层构成较复杂，见砾石层、粘土层、软沙层和含水层等。

图2 花敖包特铅锌矿外围工作区

工作区内覆盖层厚度大都＜15 m，选用TGQ－75型车载取样钻机(见图3)，钻机载车为江淮厢式货车。钻机使用时，由一液压油缸推动其向外翻转90°，钻机即由车厢内伸出，钻杆即与地面垂直，可以钻进;当钻机处于运输状态时，支撑油缸收回，钻机向内翻转90°，便隐藏于车厢内，此时，钻车即可上路行驶。车上同时配备一台空气压缩机。钻机的主要参数为:钻进深度75 m;转速范围50～150 r/min;最大提升力18 kN;最大加压力12 kN;钻杆直径42 mm;主轴通孔直径45 mm;汽油机最大功率15 kW;终孔直径75 mm;汽油机转速2000～3600 r/min;给进行程1800 mm;油箱92 L;额定压力18 MPa;给进速度0～0.5 m/s;钻机整机重量750 kg。空压机参数为:排气量5.0 m3;排气压力0.7 MPa。

图3 TGQ－75型车载取样钻机

1．1．2 贺斯格乌拉牧场工作区浅层取样装备

贺斯格乌拉牧场工作区(见图4)属内蒙古高原一部分，为残山丘陵半覆盖草原景观区，地形起伏不大。海拔高度1000～1100 m，相对高差100～200 m，地势自南东向北西逐渐降低。区内水系较发育。流量随季节变化很大。河流蛇曲发育，加之地势低平，又无出口，在本测区多形成沼泽。

图4 贺斯格乌拉牧场工作区

工作区属北温带大陆性气候，处于高海拔和中、高纬度带的内陆地区，自然条件较为恶劣。气候特征为:冬季受蒙古高压控制寒冷风大，夏季温暖潮湿。一月平均气温－18.9℃，七月平均气温21℃，极端最高气温39.7℃，最低气温－40.7℃，年日平均气温0.7℃。年降水量300 mm左右，主要集中在6—8月份，占年降水量的70%;年蒸发量在3000 mm以上，是降水量的10倍;日照时间年均2975 h，太阳辐射强烈，湿润度0.1～0.4;大风日数多，平均风速3.6 m/s，极端最大风速34.0 m/s，年均7～8级大风日数73天。冷冻期自10月份至次年4月份，野外最佳工作时间为5—9月份。

工作区新生界分布广泛，为第四系松散堆积，包括更新统和全新统，为第四系更新统冲洪积及全新统坡洪积、冲洪积、湖沼堆积、风成砂松散堆积。工作区地层单位划分见表1(引自“内蒙古1∶5万勃洛浑迪幅、贺斯格乌拉牧场幅等区域地质综合调查总体设计”，2014)。

由表1可知，工作区内第四系覆盖层厚度有可能大大超过30 m，且覆盖层结构复杂。选用TGQ－100C型车装取样钻机(见图5)。该钻机采用6×6底盘，越野能力强，钻机液压系统及空压机系统均依靠底盘发动机提供动力，集成度高。该钻机的主要参数为:额定功率220 kW，燃油率201 g/(kW·h)，整备质量22000 kg，最大爬坡度50%，最高车速70 km/h，顶驱结构，给进行程6000 mm，输出扭矩3400 N·m，输出转速0～160 r/min，最大提升力32 kN，最大提升速度1.7 m/s，空压机流量12.5 m3/min，空压机压力1.2 MPa。

1．2 内蒙古草原浅覆盖区浅层取样工艺

传统的找矿勘查方法为:在地表可见蚀变矿化露头或转石的地方，采取拣块采样，矿化带上被覆盖的区域，采用槽探或井探揭露［6］。1970年，辽宁省冶金地质勘探公司107队研发了革新采样器采样法，该采样器采样深度为1 m。何远信等研发了射流式取样技术、液压快速压入取样技术、环保型钻井液护壁护心技术等3种环境科学钻探取样技术［7］。天津地质调查中心2014年在贺斯格乌拉牧场工作区试验了洛阳铲和背包浅钻取样方法，试验结果表明这2种方法在该区域无法采到覆盖层下部的基岩。

表1 贺斯格乌拉牧场工作区地层单位一览表

图5 TGQ－100C车装取样钻机

1．2．1 花敖包特铅锌矿外围工作区取样工艺方法组合

花敖包特铅锌矿外围工作区属半干旱草原区，降水稀少，地层含水量低，适合采用空气正循环钻进取样。其覆盖层结构及对应的取样工艺方法组合见表2。

表2 花敖包特铅锌矿外围覆盖层结构及取样工艺方法组合

钻探现场照片见图3，采取的风成沙样品见图6，采取的含水地层基岩样品见图7。

图6 风成沙样品

1．2．2 贺斯格乌拉牧场工作区取样工艺方法组合

图7 含水地层基岩样品

贺斯格乌拉牧场工作区适宜工作的时间为5—9月，7月、8月气候湿润多雨。雨季地下水位较高，给钻探取样工作带来较大的困难。该区覆盖层结构及取样工艺方法组合见表3。

表3 贺斯格乌拉牧场工作区覆盖层结构及取样工艺方法组合

贺斯格乌拉牧场钻探现场见图8，复合片刮刀钻头见图9，螺旋钻杆钻进见图10，复合片取心钻头见图11，基岩岩屑样品见图12。

2 取得的成果

花敖包特铅锌矿外围工作区共钻孔171个，累计完成进尺992.5 m，平均孔深5.8 m，采取化探样品1985个。该区覆盖层较薄(通常＜10 m)，地层结构较简单，给钻进和采样工作造成困难的地层类型主要为风成沙和粘泥层，风成沙层主要依靠PVC套管跟管钻进的方法避免沙层塌陷，粘泥层较薄，主要依靠刮刀钻头穿过。空气压缩机是完成钻探采样工作的关键设备，其排气量应≥5 m3，排气压力应≥0.7 MPa。

贺斯格乌拉牧场工作区累计完成进尺1150 m。该区覆盖层较厚(通常＞30 m，地势较低的地方＞50 m)，覆盖层构成复杂，通常由风成沙、粘泥层、含水砾石层交替构成。粘泥层通常较厚(＞10m)，必须使用螺旋钻杆才能穿过;砾石层会对钻头造成严重破坏，普通合金钻头会在5 min内失效，必须使用复合片钻头;砾石层通常含水，易坍塌，且无法使用PVC套管，需采用单管取心钻具钻进，同时采用高压空气洗井，利用高压气体将松散的砾石吹出地面，同时打开钻具向下钻进的通道，直至钻头接触到基岩面，然后可以开始取心。为了减少高压空气对孔壁的破坏，需采用向上吹气复合片钻头。空气压缩机是完成钻探采样工作的关键设备，其排气量应≥12 m3，排气压力应≥1.2 MPa。钻具组合中必须有螺旋钻杆、复合片刮刀钻头、单管取心钻具、复合片取心钻头以及向上吹气复合片刮刀钻头。

针对内蒙古草原浅覆盖区覆盖层的不同结构，设计了多套浅层取样工艺方法组合，成功解决了困扰浅覆盖区化探工作多年的取样技术和疏松层多套钻进工艺两大难题［8］。该方法初次使用便取得了显著的效果，在内蒙古东部大兴安岭成矿带中南段浅覆盖区(平均覆盖厚度6～15 m)发现多个具找矿远景的异常区段，并进一步圈定了面积约6 km2的规模大、强度高、水平分带清晰的矿化异常，其中Ag单点最高含量为118 g/t(达到银矿最低工业品位)，估算银铅锌矿石资源量约106万t［9］。该成果的出现，直接推动了浅钻地球化学测量技术规程的制定。贺斯格乌拉牧场工作区的研究，进一步解决了内蒙古东部(覆盖层厚度30～50 m，结构更为复杂)草原浅覆盖区的浅钻快速取样问题。