半干旱草原浅覆盖区手持钻机化探取样技术的应用及探索——以内蒙古拜仁达坝银铅锌矿区为例

周增辉,杨 振,刘 锐,林志恒,3,黄福兴,4

(1.广西交科集团有限公司，广西南宁 530007；2.中国地质大学(武汉)资源学院，湖北武汉 430074；3.同方知网(北京)技术有限公司，北京 100084；4.厦门海洋职业技术学院，福建厦门 361102)

0 引言

随着非覆盖区找矿难度日益增加，矿产勘查热点逐渐从基岩出露区向覆盖区延伸。地表化探取样是覆盖区找矿的常用方法，但需排除自然因素和覆盖物物源的影响，以避免测量结果的不确定性和不可靠性(张必敏,2008；徐启东等,2012；于桑等,2014;王翰等,2018;徐剑波和陈军林，2019)，对于覆盖层厚度较大、覆盖物复杂的地区，若辅以垂向化探取样，则可为识别和排除非矿致异常的干扰、获取覆盖物所携带的下伏地质及矿化信息提供依据。浅层钻探技术是一种采用地质取样钻机连续采取浅层覆盖物的钻探工程。与常规钻机相比，浅层地质取样钻机具有机动性和轻便性较好的特点，且在提高取样效率、减小施工占地、降低取样成本、减轻钻探工程对植被和环境的破坏等方面具有明显优势(谢学锦等,2010;赵洪波等,2015)。近年来，国内学者利用多种取样钻机在新疆干旱荒漠戈壁覆盖区(张必敏,2011;段星星等,2018,2019;肖艳东等,2019)、内蒙古干旱-半干旱草原浅覆盖区(卢猛等,2015)、安徽平原丘陵浅覆盖区、多宝山森林沼泽区(卢猛,2017；李小东等,2018)、海南植被覆盖区(赵洪波等,2014;赵洪波,2015)等不同地理景观区开展浅钻化探应用研究，为该技术的发展和推广奠定了基础。

浅层地质取样钻机在发达国家发展较早，具有轻量化、小型化、组件化、液(气)动化和运输现代化的特点(张志民,2007;谭春亮等,2012)。我国浅层地质取样钻机的研制起步于20世纪70～80年代，经过30多年的发展，目前大致形成了机动型和轻便型两大系列(冉恒谦等,2011;赵洪波等,2014)。其中手持钻机是轻便钻机的一种，钻探深度通常小于20m，具有搬运方便、取样快捷的优点。探索手持钻机在化探取样上的适用性、可行性和有效性，对轻便钻机的发展及其在化探取样技术方面的推广应用具有重要意义。

内蒙古中东部的荒漠-草原浅覆盖区是矿产勘查及地质研究的热点(郭祥义等,2019;沈存利等,2019;闫岩等,2019)，拜仁达坝银铅锌矿区是位于该地区的一隐伏矿床。前人在该矿区及周边采用铲子等工具和探槽、浅井等工程开展过常规地表化探和土壤剖面取样，工作量较大，取样深度有限。本次研究采用回转式和冲击式两类手持取样钻机在该地理景观覆盖区开展化探取样对比试验，探索其应用效果和适用性，为浅钻化探技术在浅覆盖区的应用和发展提供借鉴和参考。

1 研究区覆盖特征

拜仁达坝银铅锌矿床大地构造位于兴蒙造山带东缘，大兴安岭南段西坡地区。矿区第四系覆盖层广泛发育，基岩鲜见出露，属半干旱草原景观浅覆盖区。矿区勘查资料显示，区内覆盖层厚度不均，最大厚度45.5 m，平均厚度14.21 m，地形起伏较大，坡度最大约30°，相对高差最大约186 m。

矿区覆盖层以东西矿区之间的沟谷处厚度较大，其次为西矿区中部等地势相对较低处。矿区出露断面及常规土壤化探显示，覆盖层结构和成分较复杂。地表多为灰黑色砂土，草本植物根系发育，腐殖质较高；往下以坡积物和冲积物为主，主要为灰褐色、灰黄色、黄褐色砂土，夹少量砾石，局部可见褐黄色粉质黏土、黏土等。所夹砾石分布及含量不均，砂土中约为5%～10%，黏土中约为5%；往下基岩岩屑和碎块增多，同时亦含上部砂砾石，向下过渡到残积层、半风化层和基岩。此外，覆盖层中发育有砂砾石夹层，其中矿区南部可见2层砂砾石夹层，埋深分别约为1.0 m和1.5 m；北部可见1层，埋深约2 m。砂砾石层平均厚度约0.2～0.5 m，为砂、砾石混合堆积。其中砾石大小不一，分选较差，来源及成分复杂，以浑圆状为主，粒径一般0.2～2 cm，大者可达3～6 cm，含量约25%～40%，其中亦有部分分选和磨圆较差的基岩岩屑、碎块等。矿区地表景观及典型冲沟断面见图1。

图1 拜仁达坝矿区地表景观及冲沟断面Fig.1 Photos showing surface landscape and gully section in Bairendaba mining area of Inner Mongoliaa-地表景观；b-冲沟断面a-surface landscape;b-gully section

2 手持钻机工作方式

由于拜仁达坝矿区内的构筑物、冲沟、牧场隔离网等较多，机动钻机的搬运和使用不便，因此选用手持钻机开展取样试验。手持钻机轻便灵活，易于搬运，且种类较多，工艺多样。本次选用WD-H回转式取样钻机和GL钻杆冲击式取样钻机，二者在钻进、提钻、取样工艺等方面具有较强的可比性。两类钻机组成及钻进工艺见表1。

表1 回转式和冲击式手持钻机组成及钻进工艺

根据钻具种类不同，WD-H回转式钻机钻进方式有两种：(1)单管螺旋钻进：配螺旋合金钻头，取心管安置在钻具内部，钻进时无需加入冲洗液，主要用于开孔和地表土层钻进。(2)双动双管钻进：钻杆由内外两层硬质合金管组成，内管直接作为取心管，配硬质合金钻头。钻进时可向内外管间的夹缝中注入清水作冲洗液。当用于半风化层或基岩层的破碎和取样时可采用金刚石钻头。两类钻进方式均需提取全部钻具取样。

GL冲击式钻机的钻头为坚硬锋利的圆凿形切割头。钻进时由小型液压泵驱动顶部液压头提供垂直向下的给进动力，通过高频冲击和振动钻杆，使钻头、钻杆携带取样管贯入土壤。敲入一定深度后停止液压头运行，提起内管连接杆并拆卸底部取样管取样。通过逐回次将取样管打入和取出实现取样目的。外管在终孔后使用提钻设备拔出(图2)。

图2 WD-H回转式钻机和GL冲击式钻机钻具及提钻设备Fig.2 WD-H rotary and GL percussion hand-held drilling and lifting toolsa-回转式钻机螺旋钻进；b-回转式钻机双动双管钻进，清水作 冲洗液；c-冲击式钻进；d-冲击式钻机提钻设备a-auger drilling of rotary drilling tool;b-double-pipe drilling of rotary drilling tool using water as flushing fluid;c-percussion drilling;d-lifting tool of percussion drilling tool

3 手持钻机试验情况

3.1 回转式和冲击式钻机取样特点对比

两类钻机钻头结构、取样方式及本次试验所揭露的覆盖层典型剖面示意见图3，研究区应用特点对比见表2。

图3 回转式和冲击式钻机钻头结构及所揭露覆盖层剖面示意图Fig.3 Structures of rotary and impacted drilling tools and sketch showing cover profile revealed by drilling

试验表明，回转式钻机钻杆和钻头的旋转作用可以间接减小钻具与管壁之间的摩擦力，钻进和提钻省时省力，效率较高。研究区内获取到的样品主要为黏土、粉质黏土、地表腐殖层砂土、密实的砂土；钻头处易残留少量大粒径的砂土、砾石等(图4a、b)，受样品类型影响，采取率变化较大，原状性较差。

冲击式钻机穿透能力强，回次钻深较大，钻进时效高。采用提内管取样，可避免塌孔和样品污染。研究区内平均回次进尺较大，回次采取率较高。钻进时不需加入冲洗液，样品连续完整，分层清晰，原状性较好。获取到的样品包括黏土、粉质黏土、粉土及大部分粒径的砂土等(图4c、d)。

3.2 应用试验存在问题及产生原因

试验表明，回转钻进存在的问题主要有：(1)对于砂砾石层，螺旋钻进、双动双管钻进都易发生砂砾石打滑和卡钻，导致给进困难(图5a、b)。(2)取样过程中，样品易漏失和流失。其中螺旋钻进提钻取样过程中，干燥松散的砂土易漏失；以清水作冲洗液时，双动双管钻进会使粉砂、细砂等被水冲走或带到地表而流失(图5c、d)；中砂、粗砂则易在钻头处胶结压实和堵钻；砾砂易在钻头旋转时打滑，或被钻头磨圆后卡住钻头，造成钻头磨损(图5e、f)。(3)由于每回次提钻取样时没有套管护壁，提钻过程中易发生塌孔，影响样品有效性。

图4 回转式钻机和冲击式钻机取样效果对比Fig.4 Comparison of sampling effects of rotary and percussion hand-held drilling toolsa-回转式钻机螺旋钻进，砂土层样品采取率5%～20%；b-回转式钻机双动双管钻进，砾石层，砾石含量约40%～70%，样品采取率约10%～30%；c-回转式钻机双动双管钻进，含砾砂土层，砾石含量小于20%，样品采取率约40%～60%；d-冲击钻进，含砾砂土层，样品采取率 80%～95%a-auger drilling of rotary drilling rig with 5%～20% of sampling rate of sand layer;b-double-pipe drilling of rotary drilling in gravel layer,content of gravel is about 40%～70%,sampling rate is about 10%～30%;c-double-pipe drilling of rotary drilling in gravel bearing sand layer,content of gravel less than 20%,sampling rate is about 40%～60%;d-impacted drilling in gravel bearing sand layer,sampling rate is about 80%～95%

图5 回转钻进取样试验主要问题Fig.5 Main problems in sampling test of rotary drillinga-螺旋钻进砾石卡钻；b-卡钻砾石磨圆；c-清水作冲洗液时样品流失；d-砾石和砂土堵钻；e-砾石堵钻，样品漏失；f-金刚石钻头磨损a-gravel sticking while auger drilling;b-rounded gravel by sticking of tool;c-sample loss during clean water flushing ;d-gravel and sand plugging tool;e-gravel plugging and sample loss;f-diamond bit wearing

冲击钻进存在的问题主要有：(1)随着钻进深度增加，套管与孔壁的摩擦阻力增大，钻进难度变大，钻进效率降低；相应地，人力和机械设备(支架和葫芦)提升套管时需克服的阻力也会增大，不仅费时费力，而且钻具亦发生损耗。(2)由于该钻机为孔外冲击，顶部冲击头对钻杆持续强烈的冲击易造成钻杆丝扣部位损坏(图6a)、钻杆崩裂(图6b)、折断(图6c)、钻头磨损(图6d)。(3)提钻时所施加的巨大拉力和摩擦阻力可能会造成套管拉断，钻杆和钻头断落(图6e)。(4)钻进过程中，采样管进口处土壤易被压实，偶见大颗粒砾石(粒径>2 cm)堵死采样管(图6f)，导致样品无法进入，取样困难。

图6 冲击钻进取样试验主要问题Fig.6 Main problems in sampling test of percussion drillinga-钻杆丝扣部位变形；b-顶部钻杆崩裂；c-孔外钻杆折断；d-钻头磨损；e-提钻过程中钻杆拉断，下部钻杆及钻头断落；f-样品堵死采样管a-deformation of thread of drill pipe;b-top drill pipe cracking;c-break of drill pipe outside hole;d-wearing of bit;e-drill pipe pulled off and lower drill pipe and bit broken down while lifting;f-sample plugging tube

4 浅钻化探取样技术应用效果及展望

4.1 研究区应用特点及效果

研究区应用试验表明，与传统土壤化探相比，手持钻机化探取样的优势主要为：

(1)取样深度大，浅层取样效率高，节省时间和人力消耗；

(2)样品完整连续，原状性较好，清晰直观，分层和层位较为详尽，易于辨别；

(3)可在排除和穿透顶部风积物等的干扰后，采集深部残积层、半风化层、基岩等层位的覆盖物样品，更好地满足化探取样要求。

此外，试验表明，由于研究区内有砂砾石夹层，不同钻机及工艺在取样深度、质量及砂砾石层穿透性能等方面存在优劣：回转钻进克服土壤阻力的能力强，工作效率高、强度低，但遇到砂砾石夹层时，钻头易发生打滑和卡钻；另外，清水冲洗液会造成砂土流失，降低样品采取率，并影响该类钻机在取水不便地区的使用；提钻时干燥松散的砂土易塌孔，造成样品扰动。回转钻机在采取松散砂土及砾石等覆盖物时较困难，表明其取样效果受地理景观、土壤特点、冲洗液种类及用量的影响较大。

冲击式钻机钻进效率较高，对于研究区浅部砂砾石层及成分较为均一的砂土、黏土等覆盖物具有较强的穿透能力，对于松散砂土亦能保证较高的采取率，样品较为完整。钻进时不需加水等冲洗液，可在干旱及取水不便地区使用。因此，冲击式钻机更适用于研究区，但钻进和提钻难度随深度增加而加大，深部砾石层难以排除和突破，可行的有效钻进和取样深度一般小于4 m。

4.2 浅钻化探取样技术展望

(1)前人及本次覆盖区浅钻化探取样应用试验的经验表明，为了适应和满足不同类型覆盖层取样的需要，需促进钻具及钻进工艺的多样化，克服钻进方式单一、钻深受限等问题，使手持钻机“一机多能”。近年发展起来的声波钻机同时具备振动及回转工艺，在部分国家的环境钻探、矿产勘探、岩土施工、海洋工程勘探等领域得到应用，为取样钻机发展提供了新的思路(吴光琳,2004;叶成明等,2007;张培丰等,2011；吴浩等,2012;雷开先,2013;Li et al.,2014)。典型浅层地质取样技术的钻进及取样工艺、适用环境等特点对比见表3。

表3 典型浅层地质取样钻机技术及应用特点对比

(2)覆盖区覆盖物类型多样，结构成分复杂，浅钻化探取样要根据工作区地理景观、交通和取水条件、地质和覆盖情况、覆盖物特点,并结合钻深及取样要求灵活选用合适的钻进和取心工艺。例如，砂土取样大多可采用冲击钻，半风化层及基岩宜采用螺旋钻进等(谭春亮等,2012；卢猛等,2015)。

(3)浅钻化探取样要采用合适的冲洗液。冲洗液一方面可以冷却、润滑和保护钻具钻头，减少钻进和提钻阻力，另一方面，合适种类的冲洗液还可以护壁、防塌，提高样品的有效性。例如，砂土层透水性好，胶结性差，易塌孔，为了避免取样时松散砂土样品的流失和成分结构的破坏，可采用植物胶作冲洗液(岳永东等,2018)。此外，套管、绳索取心、膨润土、注浆喷嘴等工艺也是常用或新近研究的护壁工艺(谭春亮等,2012;冉灵杰等,2019;张建松等,2020)。

5 结论与建议

(1)手持钻机具有轻便高效、易于搬运的优点。在半干旱草原浅覆盖区，相比于传统土壤化探取样方法，手持钻机化探取样浅层取样效率高，样品完整连续，可采集深部层位的覆盖物样品，适用性较强。回转式、冲击式等不同钻进和取心工艺在取样深度、质量、穿透性等方面应用效果有优有劣，需根据取样要求和实际情况灵活选用。

(2)浅钻与化探技术的结合在覆盖区和交通不便地区有着较强的实用和研究价值，在不同地理景观覆盖区对不同类型覆盖物开展取样试验研究，探索不同浅钻取样工艺的适用性和有效性，可以寻找出合适配套的取样方法，并推动浅钻化探取样技术和取样钻机进一步发展和成熟。