以钻代槽技术在旺苍县黄洋—五权地区钒矿普查中的实践应用
发布时间：2021-12-04
摘 要在“绿色发展”的大背景下，绿色勘查技术越来越受到广泛关注与重视。为了解决在固体矿产勘查过程中避免或减小传统的槽探工程对生态环境的破坏，本文以省地勘基金“四川省旺苍县黄洋—五权地区钒矿普查”项目为依托，提出了采用以钻代槽技术减小槽探对生态环境的破坏，矿区选择了浅层轻便便携式取样钻机(TGQ-15)施工代槽钻孔，在矿区实际施工深度10~15m，不同岩性层钻进速度0.5~2m/h，取芯率可达85%~95%。工程试验结果表明，以钻代槽技术满足勘查施工进度及质量要求，弥补了槽探施工覆盖层太厚难以揭露到基岩以及岩层过缓难以揭穿含矿层等弱点，大大减小了槽探施工对生态环境的破坏。另外，该项技术对勘查钒矿、石墨矿、煤矿、粘土矿等地表易风化被覆盖的矿种在地表工程控制方面具有良好示范作用。
关键词以钻代槽;绿色勘查;旺苍;钒矿;实践
0引言
党的十八届五中全会首次把“绿色发展”作为五大发展理念之一以来，“既要绿水青山，也要金山银山”、“绿水青山就是金山银山”的理念逐渐成为全民的共识。在原国土资源部勘查司的积极倡导下，诞生了《绿色勘查行动宣言》。青海省、吉林省、四川省等陆续发布了矿产资源绿色勘查开发的行动方案。地质勘查作为整个矿业的基础和上游产业，在传统的矿产勘查过程中，探槽为主要地表探矿工程，但施工探槽具有对揭露某些埋藏较深的矿种难以达到理想效果的弱点;此外，探槽还具有占地面积大，造成大面积的植被及土壤的破坏、施工效率低、可能形成地质灾害、存在安全隐患等特点，对自然环境有很大影响。因此，新时代的地质勘查能否避免或减小这些问题，实现绿色勘查，这将直接影响着整个行业的绿色发展，乃至生态文明建设的整体大局。在此背景下，绿色勘查技术研究及试验均得到了快速发展。而以钻代槽技术是现阶段落实绿色勘查精神，避免或减小传统的槽探工程对生态环境破坏的主要技术手段之一。
旺苍县黄洋—五权矿区钒矿赋存于铝质粘土岩中，矿石质软，其顶底板为质硬的硅质岩与灰岩，矿体在地表出没端往往形成负地貌，且多被第四系残坡积物覆盖，施工探槽往往难以达到地质目的，且开挖面积大，对生态环境破坏较大，根据矿区实际情况选择采用以钻代槽技术，既达到了工作地质目的及质量要求，又做到了绿色勘查。此外，该项技术具有一定推广意义，对钒矿、石墨矿、煤矿、粘土矿等地表易风化被覆盖的矿种在地表工程控制方面具有良好示范作用。
1矿区概况
旺苍县黄洋—五权矿区位于四川省广元市旺苍县，范围地理坐标：东经106°18′00″~106°40′45″，北纬32°17′30″~32°20′30″。矿区呈东西向分布，轴向长约35.6km，南北宽1~6km，面积约95.98km2。矿区内喀斯特地貌发育，切割深、多陡崖，海拔标高500~1640m，相对高差大于1000m;气候湿润多雨，植被茂盛。矿区地层以灰岩、泥质灰岩等为主，矿化层岩性以铝质粘土岩、含碳硅质岩、硅质灰岩为主，矿层易风化。探矿工程布设网度：地表工程槽探间距400m，钻探间距走向800m、倾向400m。
2代槽取样钻
2.1取样钻机的选用
目前，国内取样钻型号较多，主要分为浅层轻便取样钻机具(含背包式取样钻机)和浅层机动取样钻机具两类(冉恒谦等，2011;赵洪波等，2014a)，取样钻孔主要选用浅层轻便取样钻机。其中，背包式钻机具有轻便、搬运方便的优点，适合完整的较软岩钻进，但目前市场上的背包式取样钻机钻进速度较低，且岩芯直径小，无法对破碎带及粘土岩等取芯，此外施工深度浅(多小于10m)，难以满足取样钻孔施工需求。
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为了便于搬运、施工速度有保障、岩芯直径满足要求，本次勘查宜选用的钻机要求单体最大重量小于100kg，总重量适中，且施工占地面积小，岩芯直径不小于40mm，钻进速度不小于1m/h的钻机。根据上述要求，本次选用了由北京探矿工程研究所研制的TGQ-15型浅层轻便钻机及机具(赵洪波等，2015)，取样钻机及配件参数见表1。该型取样钻机钻进深度15~20m，钻孔直径46~60mm，钻进速度能满足勘查的取样技术要求，显著提高取样质量和取样效率(朱文鉴等，2004;田树伟和卢猛，2008)。
2.2代槽取样钻施工
2.2.1取样钻孔布设
利用取样钻方法在拟定槽探工作区域开展两方面的工作：一是在槽探施工受限的情况下(开挖深度浅、范围小或是槽探难以揭穿矿体)，以取样钻施工代替槽探;二是鉴于槽探对生态环境的破坏情况，减少槽探工作量，用浅钻技术来完成槽探施工目标(朱文鉴等，2004;田树伟和卢猛，2008)。
本矿区两种情况均存在，矿区东部五权一带矿体倾角小，地表矿体上层易风化形成负地貌，被坡积物覆盖，矿体下部硅质岩坚硬，槽探或浅井难以揭穿(图1、图2)。因此，代槽取样钻是适合的选择。
以钻代槽勘查施工技术研究中，在槽探拟施工区域的浅钻布孔是研究重点。在岩石出露区域，结合产状，布设探索孔以确定矿体位置，验证孔控制矿体及顶底板，追索孔以确定是否完全控制了矿体。孔位及孔距设置的原则是使得单孔可以掌握多个槽探取样样位(赵洪波等，2014b，2015)(图3)。针对层状、似层状等矿体，可以按垂直矿体走向“一”字型布设钻孔;对厚度大、形状不规则的矿体或桶状矿体，可在矿体中按“十”字型(梅花形)布设钻孔。
本矿区钒矿属沉积型层状矿体，且矿体出露位置容易确定，地表多形成负地貌成沟壑状，矿区沿走向400m间距布设代槽浅钻，矿区东部位于背斜转折端，矿体及岩层产状均较缓，多在8~25°之间，因此适合采用以钻代槽的技术实现地质目的，在相应间距位置通常布设1~3个“一”字型代槽浅钻孔即可控制矿体。矿区东部代槽浅钻钻孔实际工程分布见图4。
2.2.2取样钻施工
矿区开展以钻代槽施工以来，记录了取样钻施工的钻机搬运、钻进速度、取芯情况、油料及耗材使用、人工耗用量等情况(表2)。
(1)搬运及操作：取样钻机可拆分，最大单体重量50kg，总重量约150kg，一次性搬运需要人数4~5人。对道路的要求低，人员可通行的地方均可以搬运，不需单独修建便道。施工机台面积仅需2m2左右即可，对植被及土壤破坏小。钻机操作简单，工人短期培训即可操作。操作人数2~3人，搬运距离较远的施工地点，可增加配置2人辅助搬运。
(2)钻进速度：不同的岩性钻进速度不同，合适的钻头选用是关键，本次选用的钻头主要为：齿轮金刚石钻头、平底金刚石钻头。保证取芯率的情况下，厚层状碳酸盐岩层钻进速度约2m/h、普通层状硅质岩钻进速度约1m/h，硅质岩夹煤线层钻进约0.5m/h(钻机转速必需以中低速钻进以保证取芯率)、铝质粘土岩层钻进约0.7m/h(钻进过快难以保证取芯率)。上述平均施工速度包含提钻取芯等辅助时间，钻进速度与工人熟练程度及经验有关，因此，钻进速度尚有进一步提高的空间。
(3)取芯情况：矿区铝质粘土岩及含炭硅质岩夹煤线层取芯相对较困难，通过不断调整，取芯率基本可达到85%以上，灰岩层及层厚较厚的硅质岩层取芯率可达95%以上(图5)，满足勘查规范的要求。影响取芯率的因素主要有钻机转速、钻压大小、冲洗液配置及工人施工经验等，对施工工人进行一定的培训和练习即可满足施工要求。
(4)油料及耗材：钻机油料使用以汽油为主，耗用量1.2~1.3L/h，润滑油及齿轮油用量约1L/100h。耗材主要包括钻头、卡簧、扩孔器及其他汽油机易损件等，其中钻头每个可钻进20~40m，卡簧约每个可取芯5~10m。
针对煤层、粘土岩及破碎带等难以取芯的岩层，使用配置无污染、经济型的水基高聚物无固相冲洗液(水解聚丙烯酰胺PHP)可以有效絮凝钻进过程中形成的钻屑(岩粉、屑)(刘广志，1991;何远信，2001)，并显著提高取芯率。配置好的冲洗液具有一定的护心护壁能力，流动性好，降低钻杆与孔壁间的摩擦系数，降低扭矩，减少动力消耗，有效防止卡钻堵钻塌孔事故发生，同时大大提高了岩芯的采取率(何远信等，2005;赵洪波等，2011)。
3以钻代槽与槽探应用效果对比
3.1施工场地对比
矿区钒矿层易风化形成负地貌，浮土较厚，槽探开挖深度大，在本矿区施工的探槽，普遍场地占地面积在20~30m2,对植被和土壤影响较大。而取样钻机搬运较方便、操作较简单、施工场地要求小，场地占地面积仅为2~3m2。施工场地对比明显(图6、图7)。
3.2安全、环境影响对比
探槽施工往往需破坏大量植被及土壤，局部还易引发次生地质灾害，如滑坡、崩塌等;施工较深的探槽还能对人或动物产生安全隐患。采用以钻代槽因其占地面积小，对环境的影响甚微，并且基本不会产生地质灾害和安全隐患，能大大减小槽探施工对植被和土壤的破坏，做到绿色勘查，安全、环境影响对比明显。
3.3施工效率及经济对比
矿区施工探槽经统计，平均每个探槽需用5天/4人，揭露到矿体及顶底板的情况下需开挖的平均土石方方量约50m3，按照中国地质调查局《地质调查项目预算标准(2010试用)》预算标准槽探深度0~3m单价为110元/m3，因此平均每个探槽的直接经济成本约为5500元。
使用以钻代槽，每个取样钻平均需用2天/2人，达到地质目的的平均钻进深度约为12m，按照中国地质调查局《地质调查项目预算标准(2010试用)》预算标准孔深0~20m单价为279元/m，每个取样钻的直接经济成本约为3348元。
因此使用以钻代槽不仅能节约大量人力，且节约大量经济成本，效果明显。
4结论
(1)采用取样钻控制地表矿体能够达到槽探控制的效果，取芯质量能满足规范要求，钻取岩芯分析结果与槽探样品分析结果基本吻合;对缓倾矿体及浮土较厚的区域，取样钻能更有效的控制矿体。施工进度能够满足勘查施工要求。
(2)取样钻施工能大大减轻槽探施工对土壤及植被的破坏，场地占地面积极小，能有效的减少地质勘查对环境的影响。
(3)以钻代槽技术在绿色勘查探矿工程中可以作为一种重要的技术手段推广应用，对类似粘土矿、石墨矿等质软易风化形成负地貌导致探槽难以揭露的矿种勘查具有很好的示范作用。——论文作者：黎龙昌1,2，冉强2，段威1,2，张飞1,2，邹林1,2，熊观1,2
