深部礦產(chǎn)資源勘查及地質(zhì)鉆探找礦技術(shù)研究

摘要：我國深部礦產(chǎn)勘查面臨地質(zhì)條件復(fù)雜、礦體賦存規(guī)律不明，傳統(tǒng)鉆探效率低，習(xí)近平總書記“向地球深部進(jìn)軍”的號召為礦產(chǎn)勘查工作指明了方向。在此背景下，本研究以某金礦勘查區(qū)為對象，分析該礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、巖層特征及控礦構(gòu)造，識別出韌性剪切帶、脆性斷裂對鉆探的影響，總結(jié)深部鉆探面臨的技術(shù)難題，并結(jié)合具體勘探數(shù)據(jù)，研究優(yōu)化鉆探工藝，采用三級鉆孔結(jié)構(gòu)，搭配適配鉆具組合，按不同孔段控制鉆壓，設(shè)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(shí)效率優(yōu)勢顯著，能順利完成深部復(fù)雜地層鉆探，有效提升鉆探效率，提高經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：礦產(chǎn)勘查"" 深部找礦"" 取芯鉆探"" 孔身結(jié)構(gòu)

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(chǎn)資源的日益枯竭，全球礦產(chǎn)勘查逐步向深部延伸，以滿足礦產(chǎn)資源的持續(xù)供應(yīng)需求。深部礦產(chǎn)資源的勘查不僅涉及更加復(fù)雜的地質(zhì)條件，還伴隨著礦體賦存規(guī)律不清、高強(qiáng)度巖層鉆探難度大等技術(shù)挑戰(zhàn)。其中，金礦作為重要的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源，其深部勘查與找礦技術(shù)的突破對保障資源供給具有重要意義。當(dāng)前，傳統(tǒng)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(yōu)化鉆探工藝、提高深部勘查精度成為礦產(chǎn)勘查領(lǐng)域的關(guān)鍵研究方向。近年來，隨著地球物理、地球化學(xué)與智能鉆探技術(shù)的發(fā)展，深部找礦技術(shù)不斷取得進(jìn)展，但仍面臨數(shù)據(jù)精度不足、鉆探穩(wěn)定性受限等問題。基于此，本文圍繞深部礦產(chǎn)資源勘查與地質(zhì)鉆探技術(shù)，探討其核心技術(shù)方法，分析當(dāng)前技術(shù)難點(diǎn)，并提出相應(yīng)的優(yōu)化策略，以期為提高深部礦產(chǎn)資源勘查效率提供理論與實(shí)踐支持。

1 深部地質(zhì)礦產(chǎn)資源勘查與地質(zhì)鉆探技術(shù)

1.1 定向鉆探技術(shù)

定向鉆探技術(shù)是一種可控鉆進(jìn)方式，能夠按照預(yù)設(shè)軌跡引導(dǎo)鉆頭向目標(biāo)礦體方向鉆進(jìn)，提高礦產(chǎn)資源的探測精度。該技術(shù)可控性強(qiáng)，能夠精準(zhǔn)到達(dá)目標(biāo)區(qū)域，并可以通過分支孔道提高鉆探效率，適用于復(fù)雜地層和礦區(qū)，同時(shí)還能減少對地層結(jié)構(gòu)的破壞。然而，其施工成本較高，對設(shè)備和技術(shù)要求較高，需要專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行精確控制，操作難度大。此外，在特殊地質(zhì)條件下，該技術(shù)的應(yīng)用可能受到一定限制^[1]。

1.2 巖心鉆探技術(shù)

巖心鉆探技術(shù)是一種通過旋轉(zhuǎn)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(chǎn)勘查中被廣泛應(yīng)用。其主要優(yōu)勢在于能夠提供完整的巖芯樣品，為地質(zhì)分析提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持，且適用于多種地層，尤其是硬質(zhì)巖層。然而，該技術(shù)的鉆進(jìn)速度較慢、施工周期較長，同時(shí)設(shè)備磨損較快，導(dǎo)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(shù)據(jù)的可靠性。

1.3 金剛石繩索取芯技術(shù)

金剛石繩索取芯技術(shù)利用金剛石鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，并通過繩索快速回收巖芯，提高取芯效率。該技術(shù)具有高效取芯、減少鉆探停機(jī)時(shí)間的優(yōu)勢，特別適用于硬巖鉆探，耐磨損性強(qiáng)，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(shù)的設(shè)備成本較高、對操作技術(shù)要求較高，在軟質(zhì)地層中取芯效果較差，容易損壞巖芯。此外，受鉆具強(qiáng)度限制，在極深部位鉆探時(shí)穩(wěn)定性有所下降。

1.4 X熒光和低頻電磁技術(shù)

X熒光技術(shù)和低頻電磁技術(shù)作為非接觸式礦產(chǎn)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(shù)利用X射線激發(fā)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(yīng)用廣泛。低頻電磁技術(shù)通過電磁波的傳播特性檢測地下礦體的導(dǎo)電性差異，可以有效識別隱伏礦體。然而，這兩種技術(shù)受環(huán)境因素影響較大，例如：地層結(jié)構(gòu)和含水量可能干擾測量結(jié)果。此外，X熒光技術(shù)對輕元素的檢測能力有限，存在一定誤差；低頻電磁法在復(fù)雜地層中的解釋精度也會降低^[2]。

2 深部礦產(chǎn)資源勘查項(xiàng)目

2.1 案例概況

本研究聚焦于某金礦勘查區(qū)，該區(qū)域處于地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜的地帶，巖層以單斜形式出露，通過專業(yè)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(qū)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(qū)域關(guān)鍵的控礦構(gòu)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(nèi)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(dǎo)致礦體在空間上被分割、錯(cuò)斷，嚴(yán)重影響礦體的原始形態(tài)與連續(xù)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(diǎn)

2.2.1孔壁維護(hù)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(fù)雜性。鉆探過程中，此次工程所涉及的鉆孔施工的路徑規(guī)劃需要穿越巖層中存在裂隙的部位、呈現(xiàn)破碎狀態(tài)的地帶與節(jié)理高度發(fā)育的區(qū)域。這些松軟破碎的孔段壁常會出現(xiàn)多層位垮落和掉塊現(xiàn)象，孔壁難以穩(wěn)定。在進(jìn)行深孔斜孔鉆探時(shí)，由于外裸露過久，容易引發(fā)圍巖失穩(wěn)，影響孔壁的維護(hù)，增加施工難度。

2.2.2 鉆探效率較低

該金礦區(qū)的深部巖層致密性高，巖石強(qiáng)度隨著埋藏深度增加而增大，巖體的硬度使鉆進(jìn)過程變得非常困難。礦區(qū)內(nèi)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(yōu)化設(shè)備和工藝。

2.2.3 防斜治斜難度較高

礦區(qū)內(nèi)巖體交錯(cuò)構(gòu)造較為復(fù)雜，硬巖與軟巖交替出現(xiàn)，巖體各向異性顯著，不同方向上力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征等存在明顯差異。在鉆孔作業(yè)中，可以增加鉆孔偏斜的風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)入深部鉆探環(huán)節(jié)，硬巖區(qū)域本身硬度高、可鉆性差，加之結(jié)構(gòu)性巖體的影響，導(dǎo)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(chǎn)資源探尋作業(yè)時(shí)，金剛石繩索取芯工藝憑借顯著優(yōu)勢成為業(yè)內(nèi)廣泛采用的核心技術(shù)手段。然而，啟動到停機(jī)過程中產(chǎn)生的壓力沖擊、鉆具在鉆孔內(nèi)垂直方向上的往復(fù)運(yùn)動所附加的動態(tài)壓力使壓力平衡的維系面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。當(dāng)鉆具在鉆孔內(nèi)以較高速度進(jìn)行升降操作時(shí)，孔壁與鉆具之間的環(huán)形間隙相對狹小，導(dǎo)致局部壓力的顯著降低，容易引發(fā)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(yè)中所面臨的復(fù)雜工況和潛在風(fēng)險(xiǎn)，對鉆探操作人員的專業(yè)技能提出較高要求。在整個(gè)鉆探過程中，精準(zhǔn)對鉆探速度和施加在鉆頭上的壓力進(jìn)行動態(tài)調(diào)整^[3]。

2.3 優(yōu)選深部找礦取芯鉆探方法

在對深部礦產(chǎn)資源開展勘查工作時(shí)，常見的鉆探工藝類型多樣，對不同鉆探方法進(jìn)行對比分析。液動錘繩索取芯法在效率方面表現(xiàn)突出，并且隨著鉆孔深度的增加，效率優(yōu)勢更加明顯，尤其是在鉆孔深度超過1200 m時(shí)，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(nèi)深度的鉆探。綜合來看，液動錘繩索取芯法在深部鉆探應(yīng)用中最為理想^[4]。

3 深孔鉆探技術(shù)的具體應(yīng)用

3.1 孔身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在金礦勘查區(qū)，考慮到該地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件，鉆探孔設(shè)計(jì)采用三級鉆孔結(jié)構(gòu)，并為應(yīng)急情況預(yù)設(shè)備用鉆孔。初始開孔直徑設(shè)置為217 mm；穿透覆蓋層后，鉆進(jìn)破碎帶時(shí)，使用146 mm直徑的鉆頭；最終進(jìn)入復(fù)雜地層時(shí)，使用76.5 mm直徑的鉆頭進(jìn)行繩索取芯操作。此外，為應(yīng)對可能出現(xiàn)的突發(fā)地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)中，還準(zhǔn)備規(guī)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(guī)格的金剛石鉆頭進(jìn)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(fù)雜地層段，備用鉆具采用繩索取芯鉆具（規(guī)格96.5 mm），并且鉆探過程中，根據(jù)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(guī)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(shù)

鉆壓和泵量的選擇直接影響鉆探效率。根據(jù)金礦勘查區(qū)地層的硬度（46級），鉆壓的控制區(qū)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(guān)鍵因素。經(jīng)過針對性分析，本次作業(yè)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(hù)壁劑和單向壓力封閉劑，確保孔壁的穩(wěn)定，避免孔壁失穩(wěn)現(xiàn)象。

3.5 鉆探成果總結(jié)

通過對該金礦勘查區(qū)深部鉆探的實(shí)踐分析，結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造和鉆探施工情況，選用適合的鉆探技術(shù)方案。采用的深孔鉆探工藝可以順利完成深部復(fù)雜地層鉆探，有效提升鉆探效率，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

綜上所述，本研究圍繞某金礦勘查區(qū)的深部鉆探技術(shù)展開，深入分析該礦區(qū)的地質(zhì)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(yōu)化鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(shù)難題，為類似礦區(qū)的鉆探技術(shù)優(yōu)化提供經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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