地质矿产勘探深部的找矿途径分析

2021-04-17孙富海

西部探矿工程 2021年5期

孙富海

(湖北煤炭地质物探测量队，湖北武汉430200)

浅层矿产与露头矿开采早已无法满足我国日益增长的地质矿产需求，为应对急剧减少的矿产资源储量，地质矿产勘探深部找矿的理论研究和实践探索近年来大量涌现，岩芯钻探技术、定向钻探技术、金刚石绳索取芯技术、X荧光及低频电磁技术等新型技术也因此在地质矿产勘探领域推广开来。为更好开展地质矿产勘探深部找矿，正是本文围绕该课题开展具体研究的原因所在。

1 地质矿产勘探工作的主要内容和基本原则

1.1 地质矿产勘探工作的主要内容

在地质矿产勘探工作中，这一工作的所需周期较长，且需要根据矿山开采进度和资源存储量做出合理安排，规避过度开采问题，以此保证经济效益和环境效益的兼顾。地质矿产勘探工作主要内容包括矿山选区、开采计划制定等，矿产资源的开采量可通过科学制定勘察方案提升，最佳的矿产利用方式选择也可由此获得依据。对于地质矿产勘探工作中发现的类似矿产资源，如伴生矿、尾矿，同样需要提高重视，以此开展针对性的勘探，提升矿产资源的利用效率，不合理的尾矿资源利用往往会导致矿产资源利用率低下，进而引发浪费问题，这必须引起重视。地质矿产勘探深部找矿对钻探和开采等技术提出了新的要求，伴生矿、尾矿的勘探和开采也需要针对性规划，以此明确伴生矿、尾矿的成分、储量，并做好记录和分析工作，即可有效提升矿产资源利用率。如在封闭的矿山开展地质矿产勘探工作，具体工作需严格遵循相应规范，并详尽分析和调查封闭的地质环境，整理地质报告并探讨矿山环境保护措施，以此更好为矿产资源开采利用提供依据[1]。

1.2 地质矿产勘探工作的基本原则

受分布广泛的矿产资源影响，我国不同地区的矿产资源在分布、储量、开采、应用等方面的差异巨大。因此地质矿产勘探工作需要结合矿产资源特性针对性开展，结合矿区的地质条件、矿产种类及储量、周边地势环境科学编制地质矿产勘探计划，地质矿产勘探工作的规划制定必须以充分了解其发展趋势为前提，矿区其余自然资源开采也能够由此获得更好支持。对于结构复杂的深部地质来说，地质矿产勘探工作及采矿工作的难度更高，因此具体工作开展需得到先进钻探技术的支持，以此优选和更新勘探方法，不断创新深部地质钻探技术，同时不断完善自身管理体系、强化人力资源的集中管理、合理分配员工的工序，地质矿产勘探工作的优化开展即可获得更为有力支持[2]。

2 地质矿产勘探深部的找矿途径

2.1 定向钻探技术

在地质矿产勘探深部的找矿工作中，对于较为复杂的地质结构，目标工作效果往往无法由普通钻探方式满足，为实现深部地质位置的准确勘探，并保证工作效率，定向钻探技术的科学应用极为关键，该技术具备高精度、高效率等特点。所谓定向钻探技术，指的是通过对钻探方位的精准控制保证钻进方向能够有效勘查矿产资源，内外界影响催生的钻进方向偏差等问题可通过定向钻探技术规避，准确性更高的深部地质找矿工作可由此开展，地质矿产勘探深部找矿的难度也可随之降低。

2.2 岩芯钻探技术

在我国地质矿产勘探深部找矿领域，岩芯钻探技术属于广泛应用且较为成熟的一种技术。岩芯钻探技术在应用中需要使用圆柱状的钻具和钻头，以此沿圆形破碎岩石在孔底部保留柱状岩芯，资源探查与地质研究可根据取出的柱状岩芯针对性开展。在使用岩芯钻探技术的过程中，需关注三方面要点：第一，科学选择相关机械设备。新型液压动力钻探设备属于岩芯钻探技术应用的关键，不得采用传统电力动力钻探设备，矿产资源深度钻探等需要可由此更好满足；第二，强化替代资源的勘察。替代资源的勘察需要成为深部地质找矿的重要内容，为提升矿产资源勘查效率，具体的技术应用需不断开展创新探索，整体经济效益可通过勘探成本的降低而提升；第三，重点保养和维护机械设备。大型机械设备作业属于岩芯钻探技术应用的重点，因此相关设备的维护必须得到重视，规避故障带来的工作延迟等问题，保证设备的高效、正常运转[3]。

2.3 金刚石绳索取芯技术

不同于上文提及的定向钻探技术，金刚石绳索取芯技术的应用无需对进入岩芯管的矿石开展岩芯提取，而是可以利用钻杆通道，将岩芯管中的岩芯提取到孔外取芯处，金刚石绳索取芯技术属于近年来出现的新型钻进方法。在地质矿产勘探深部找矿工作实践中，金刚石绳索取芯技术具备三方面优势：第一，地质效果好。金刚石绳索取芯技术具备提升平稳、打捞速度快、报警及时等特点，在面对岩管堵塞情况时，该技术在钻井过程能够保证报警的及时性，工作损耗的降低、技术人员的快速有效处理可得到保障；第二，钻进工作效率高。相较于普通取芯钻头，金刚石绳索钻头的硬度和厚度更高，且能够在无需辅助作业的前提下持续钻进，拥有高于普通钻头的整体钻进效率；第三，施工成本较低。金刚石绳索取芯技术在应用中可实现提钻次数的减少，施工过程中钻头的损耗可随之降低，钻头的使用寿命也能够有效延长。在减少的提钻次数影响下，劳动强度降低可同时实现，因此金刚石绳索取芯技术在人工成本和工具成本降低中均有着不俗表现[4]。

2.4 X荧光及低频电磁技术

通过在需要勘查的矿产资源区域发射电磁或X射线，即可推测和预判矿产资源。以X荧光技术为例，该技术在我国地质矿产勘探深部找矿领域的应用较为深入，通过照射矿物并经过一定波长作用，具有X元素特征的射线即可由矿物反射发出，X 光机可通过识别这类射线科学分析深层矿产资源。在基于X荧光技术的地质矿产勘探深部找矿实践中，矿体内部的构造与矿体的方位均可有效确定，矿产资源的厚度与边界范围也能够准确勾勒；作为新型深部找矿技术，低频电磁技术存在相对较小的应用范围，该技术需基于Fraser 处理和分析测得的数据，以此结合地质找矿规律和处理结果即可确定矿产资源的形状规模、具体方位。在地质矿产勘探深部找矿工作中，低频电磁技术具备灵活性高、探查速度快等优势[5]。

3 实例分析

3.1 案例概况

为提升研究的实践价值，本文以某金矿勘查区作为研究对象，岩层呈单斜产出，岩层产状310°～350°∠26°～55°，70%以上的勘查区内地层为第四系覆盖，存在韧性剪切带的主要控矿构造，剪切带控制矿体展布，属于主要的控矿构造。晚期脆性断裂存在于矿体，主要为N 向、NE 向、NW 向的三组，多为平移断层和正断层，不同程度地将矿体分割、错断。

3.2 工作难点

在案例金矿勘查区的地质矿产勘探深部找矿工作中，该工作主要面临着四方面难点。第一，孔壁维护难度较高。相较于浅部找矿，在复杂地层金矿勘查区的深部找矿存在多种类型地层状况，钻探的不确定性和复杂性更大，为实现钻探区域的探测，工程需要打设的钻孔需要基本穿过岩层裂隙、破碎带、节理高度发育区域。对于岩层相互贯穿的裂隙高度发育区域，在完成钻孔打设后，松软破碎的孔段壁帮难以维护，多层位垮落和掉块现象也可能出现，护壁因此面临的挑战必须得到重视。在打设深孔斜孔的过程中，在外裸露过久的钻孔可能引发围岩失稳，孔壁维护因此受到的负面影响也不容忽视；第二，较低的钻探效率。金矿勘查区的深部钻探面临着岩层结构致密性高、强度大等挑战，岩石强度会随埋藏深度的加大而增加，案例中金矿勘查区存在大量5级以上的岩石，这类基岩地层使得深孔钻进难度较高，更高的钻头的损耗程度也使得其使用寿命降低明显；第三，防斜治斜难度较高。交错构造多的硬岩、软岩大量存在于复杂的深部岩层之中，各向异性明显的岩体使得钻孔倾斜现象很容易在深部钻探过程中出现，硬岩赋存区域往往会导致钻探的正常钻进受到强结构性岩体影响，钻探防斜因此面临的挑战极为严峻；第四，较大的操作难度。金刚石绳索取芯技术在深部找矿工程中大量应用，但受到较大的泵机开/停泵、钻具升降压力影响，钻孔的孔内压力平衡往往无法得到保障，升降钻具速度加快时孔壁与钻具的间隙变小也很容易导致较大压力波动形成，孔壁失稳可能随之出现，进而引发孔内事故。因此，钻探设备工作速度需结合地层实际情况针对性控制，这对钻探设备操作者提出了较高要求。

表1 深部找矿取芯钻探不同方法的对比数据

3.3 优选深部找矿取芯钻探方法

在地质矿产勘探深部找矿的取芯钻探中，常用方法包括不提钻换钻头、提钻取芯、液动锤提钻取芯、绳索取芯钻探、液动锤绳索取芯钻探等，结合同类工程的相关经验，可得到表1所示的对比数据。

结合表1进行分析可以发现，液动锤绳索取芯方法具备最高的效率，且具体优势随钻孔孔深增大而增大，其在深部岩层钻探施工中具备较强适用性，同时效率最低的提钻取芯法不适合深部岩层钻探施工；提钻取芯、绳索取芯、不提钻换钻头、液动锤提钻取芯四种方法的效率存在较差，对于1200m以下的钻孔深度，液动锤提钻取芯钻探方法更为适用，绳索取芯方法则更为适用于1200m以上的钻孔深度；综合分析可以发现，液动锤绳索取芯钻探方法最为适用于深部钻探。

3.4 深孔钻探工艺技术的具体应用

3.4.1 孔身结构设计

基于案例金矿矿区地层特征，同时综合分析金矿勘查区存在的特殊复杂孔段，案例采用三级钻孔的钻探钻孔结构，预留一级备用钻孔。开孔孔径控制采用217mm直径的钻头，以此将地层覆盖层穿过后，地层破碎区域采用146mm直径的钻头贯透，最后的绳索取芯钻进的直径设置为76.5mm。对于复杂的地质情况，考虑到地层钻探过程可能出现正常钻探无法实现情况，因此地层扩孔需备用绳索取芯钻具，规格为114mm直径，复杂地层区域通过后，可将77mm 直径的钻具换回，最终裸眼钻进至终孔，图1为矿井钻孔结构示意图。

3.4.2 钻具组合

图1 矿井钻孔结构示意图

采用金刚石钻头的开孔钻具钻头，规格为130mm，同时配置的钻杆、取芯筒的直径分别为69mm、127mm，以此钻进与穿透地层覆盖层。在钻探深部地层的过程中，对于复杂的地层情况，正常钻探在常规钻具无法满足时，钻探即可采用备用钻具，即应用绳索取芯钻具开展扩孔处理，规格为96.5mm，以此顺利穿透复杂地层，图2为备用钻具结构示意图。一开钻具钻头为金刚石钻头，规格为110mm，配置的钻杆、取芯筒的直径分别为69mm、108mm，负责贯透地层上部破碎层。二开钻具钻头规格为76.5mm，配置的钻杆、取芯筒的直径分别为75mm、56mm，负责钻进至终孔。

图2 备用钻具结构示意图

3.4.3 钻探参数

钻压选择和泵量选择直接影响案例中金矿勘查区的深部钻探找矿，考虑到钻压的增加会导致钻具钻进速度提高，且钻进效率会随钻具转速加快而提升，因此需要重点关注可能出现的更大钻头损耗。钻压范围的科学选择需要结合特定的地质情况，钻探效率提升、基建成本降低均可顺利实现。在面临岩体硬度较高、研磨性较强、较完整地层时，深孔钻探需采用较大的钻压。在面对较高的岩体破碎度、破碎带地层时，钻压需适当调整并降低。结合案例金矿勘查区实际进行分析可以发现，该金矿勘查区存在4～6 级之间的矿井地层岩体硬度，因此案例针对性确定了不同钻孔孔段的钻压参数，其中0～500m 孔段的钻压控制区间为8～15kN，500～1000m 孔段的钻压控制区间为15～30kN，1000～1500m 孔段的钻压控制区间为10～15kN，1500～2000m 孔段的钻压控制区间为15～20kN；泵量选择之间影响钻探效率，这一重要参数的优选必须得到重视，尤其是案例中的深孔钻探，需以在一定范围内科学控制泵量，以此充分实现金刚石钻头的润滑和冷却，并充分清除岩粉残屑。结合同类工程经验可以了解到，在岩体硬度较高、地层完整性较强时，可选择规格较小的泵量，而在岩体结构性较差、地层松软破碎时，则需要选择较大规格泵量。结合案例金矿勘查区实际试验结果，技术人员最终确定了钻探施工过程中该矿区的泵量选择范围，即：53～92L/min之间。

3.4.4 冲洗液选择

作为钻具的“血液”，钻探效率直接受到冲洗液的影响，同时钻探的成本也会受到深远影响。基于案例金矿勘查区实际，通过针对性分析钻探施工要求和地质情况，为清除岩屑、岩粉，案例采用水解聚丙烯酰胺无固相冲洗液，该冲洗液的基浆包括多阴离子纤维素、聚乙烯醇、磺化褐煤树脂、水解聚丙烯酰胺，占比分别为0.05‰、2.5‰、3‰、0.3‰，该冲洗液的密度处于1.02～1.03g/cm3之间，同时存在处于11 左右的pH 值，在地层破碎度较高、岩体松软时，可将广谱护壁剂加入冲洗液，加入量为2‰，同时将聚乙烯醇从钻杆灌入，浓度为5%，用量为15～20kg，一定范围的薄膜可形成于孔壁内，孔壁的掉块与失稳可由此规避。如地层的失水量大，孔壁维护还需要加入单向压力封闭剂，用量为2‰。

3.5 成果总结

结合案例金矿勘查区的地质矿产勘探深部找矿实践可以发现，结合案例中矿区的地质构造和钻探施工情况，技术人员针对性选择了钻探设备并设计了钻探工艺技术，最终提出了实用性较高的深孔钻探施工技术方案。方案最终在工程中得到了实际应用，深部复杂地层钻探问题在一定程度上解决，生产成本降低、钻探效率与经济效益提升均得以实现，因此该案例的地质矿产勘探深部找矿实践具备较高借鉴价值。