绿色勘查中以钻代槽技术应用前景浅析

郑 杰，张福良，李晓宇，王华青，杨 敏，杨师宇

(1.中国冶金地质总局矿产资源研究院，北京 101300；2.中国冶金地质总局，北京 100025；3.中国地质调查局发展研究中心，北京 100037；4.自然资源部矿产勘查技术指导中心，北京 100120；5.中国地质大学(北京)，北京 100083)

0 引言

近年来，以习近平同志为核心的党中央坚持保护和改善生态环境就是保护和发展生产力的理念，着力补齐生态短板，生态文明建设顶层设计日益完善。绿色勘查是在找矿领域践行生态文明战略的具体举措(宋祥昌等，2018)，是生态文明战略背景下一种全新的勘查模式(张福良等，2018)。当前，绿色勘查之路刚刚起步，全国各地勘查单位都在积极探索绿色勘查建设的方法(孙之夫等，2019)，而技术创新则是绿色勘查的核心关键。随着航空物探技术、多光谱及信息提取遥感技术、地球化学勘查技术等一批地质找矿方法的改进和研发，目前在异常圈定、靶区定位方面取得了长足的进展(杨少平等，2014；崔志强，2018；宋艳茹等，2019)，异常查证和取样分析往往离不开地表工程的控制。在以往地质工作中，槽探或浅井是揭露地质体、追索地质界线和测试分析样品、控制矿体产状的常用地表工程手段。随着地质工作程度逐步提高，可供勘查开采的浅部矿产资源越来越少，矿产勘查正由浅部转向覆盖区、深部和隐伏矿。常规的地质钻探设备笨重，其机动性和轻便性难以迎合景观区施工取样，槽(井)探等进行地表揭露又由于其自身的局限性(破坏大或深度浅)，也已无法满足新形势下绿色勘探的工作要求(林广利等，2017)。因此以钻代槽技术方法的建设，是实现生态环境保护和资源勘查需求的有力保障。

1 研究现状

浅层取样(心)钻探技术又称浅钻技术，该技术在覆盖区地质填图(谭春亮等，2017；林广利等，2017；岳永东等，2018；冉灵杰等，2019)、地球化学取样方面(喻劲松，2013；卢猛等，2015；谭春亮等，2016；杨汉水等，2017；尹飞等，2017)成效显著。近年来，随着便携式钻机在国内已经得到了普及和推广，利用浅钻技术替代传统槽(井)探功能，可用于解决地表异常查证、采样分析及地层、矿(化)体产状控制及资源量估算等问题(赵洪波等，2015，2016，2018；吴金生等，2016；赵元艺等，2016；刘海声等，2017；王小刚；2018；孙之夫等，2019)，很大程度上改变井探、槽探和人工挖掘等破坏生态的传统地质取样方法，但其存在不能对基岩进行水平方向连续取样的缺点，造成地质现象观察不连续、样品代表性不强、容易丢失脉状矿体。基于此，近年来由黑龙江省地质矿产局自主研发GQZ-120/180钻机以及国内厂商英格尔引进的EP200H与EP600PLUS钻机,从浅层取样(心)钻机的不足出发，尝试利用地表基岩水平(0～45°)钻探技术(又称小角度钻探)替代槽(井)探的新型勘查技术方法。该技术在黑龙江省内推广应用较好，特别在异常查证、样品取样分析、深部矿(化)体延伸情况等取得了一定进展(刘祥旭等，2017；易亚东，2019)。

目前，尚未有研究对上述两种勘查技术在替代槽(井)探上的成效对比，本文以浅层取样(心)钻探技术中具有代表性的北京探矿工程研究所研发的TGQ系列浅层取样钻机和地表基岩水平钻探技术中英格尔公司引进的EP200H与EP600PLUS、黑龙江省地质矿产局自主研发GQZ-120/180钻机为例，从设备工艺、关键技术特点两方面探讨上述技术方法在以钻代槽应用前景，旨在为今后绿色勘查工作提供有益借鉴。

2 设备与工艺

浅层取样(心)钻探技术与常规地质钻探工艺一致，主要在垂直方向(60°～90°)完成对岩层的钻进、取心工作，在设备、钻头、钻具、冲洗液具有多样性及适应性。目前TGQ系列根据钻进动力、钻进深度，配备硬质合金钻头、PDC(金刚石复合片)钻头、不同浓度不同结构的金刚石钻头，完成不同地质任务①。

地表基岩水平钻探技术则是通过在地表钻机底座安装的全液压取心钻机主机、驱动钻杆和带钻头的双管钻具回转、沿水平方向(0～45°)钻孔进入基岩后开始连续采取岩心，其原理见图1。黑龙江省地质科学研究所自主研发的钢索取心工艺，更是解决了以往水平钻进中采用普通的单管钻进，岩心易被钻具消磨而变形、破碎(李占锋，2016)，传统的绳索取心无法靠重力自由下放内管总成和打捞器，受力情况较差的问题(常江华等，2012)。钢索取心工艺，相对已有的利用水压进行绳索取心钻具的打捞推送工艺，钢索取心更快速，打捞内管成功率更高，不受钻孔施工角度的影响。浅钻设备与小角度钻探设备主要型号及性能参数见表1。

图1 小角度钻探设备原理图Fig.1 Schematic diagram of small-angle drilling equipment

表1 浅钻设备与小角度钻探设备参数一览表

3 关键技术与特点

3.1 布孔要求

浅层取样(心)钻探技术工作程序与槽探工程要求相同，即：施工前明确地质体走向。浅钻的布设依据地质体倾角和浅钻深度确定浅钻间距，以地质剖面作为浅钻勘探线剖面，布孔采用探索孔→追索孔→验证孔循序渐进的方法，一般要求地质体在浅钻深度允许的情况下，至少有2个浅钻控制，倾角大则孔距密，倾角小则可放稀或2个以上浅钻控制(图2)。对于矿化体、矿脉等形态不规则时，可采取斜孔布设，以达到对地质体产状的控制(赵洪波等，2016)。利用浅钻技术开展以钻代槽工作，针对需要解决的问题，以布置最少的钻孔数、最少的工作量来完成对地质体的揭露，满足地质目的(赵洪波等，2015)。

图2 浅钻施工与样品布置示意图(据赵洪波等,2016修改)Fig.2 Schematic diagram of shallow drilling construction and sample layout (modified from Zhao et al.,2016)1-地形线;2-浅钻孔;3-地质界线;4-断层;5-矿体;6采样位置1-topographic line;2-shallow drilling hole;3-geological boundary;4-fault;5-orebody;6-sampling location

地表基岩水平钻探技术结合不同的地质构造、地质目的、地形坡度、控制的剖面长度等可采用不同的布孔方式(图3)：

图3 小角度钻探布孔原理图Fig.3 Schematic diagram of layout of small-angle drilling holesa-单向孔;b-接续孔;c-对穿孔及双向孔;d-全方位孔a-single-direction hole;b-continued hole;c-opposite drilling and bidirectional drilling hole;d-omni-directional drilling

a单向孔：适用于解决单点异常、标志层产状、矿(化)体深部延伸等；b接续孔：适合于地形坡度角较大、面状异常查证、斑岩型矿产勘查等;c对穿孔及双向孔：适用于石英脉型、接触交代型等类型矿产勘查及异常查证;d全方位孔(一基多孔)：适用于物化探异常查证、查明矿(化)体产状、实现三维立体异常查证，即：可在同一孔位通过调转钻机进行全方位不同倾角的小角度钻探施工，单方向实施150 m，反方向实施150 m，可控制300 m以内异常；采用单地盘四个方向不同倾角的小角度施工，可以实现对环形异常有效控制。该布孔方式是物化探异常查证最优布孔方式，占林占地最少、找矿效果最好、异常查证最高效②。

3.2 产状厘定

两种勘查技术根据布孔要求及施工标准均可厘定标志层产状。浅层取样(心)钻探技术通过对钻孔岩心详细编录明确地质体倾角，在地质体关键部位施工3孔(或采用十字形布孔)，确保穿过同一层位的标高，利用计算机精准获取地质体倾向(赵洪波等，2016)(图4)；当标志层不明显时，可利用同一钻孔连续三次进尺(或任意三个钻孔)的数据迭进，计算求得地质体产状(林银山，1987)。地表基岩水平钻探技术可通过两种方法厘定产状：(1)通过在同一位置施工不同方位和(或)倾角的三个钻孔准确测定(图5)；(2)通过在两个不同剖面上施工均见到同一标志层，则其连线为该标志层走向，在其中一个剖面上施工第二个小角度钻孔可确定标志层倾角(图6)，公式如下:

式中：α为标志层视倾角；β为钻孔倾角；L为钻孔距标准层的斜距。

图4 浅钻通过3孔测量产状示意图①Fig.4 Schematic diagram of shallow drilling through 3 holes to measure the attitude

图5 同一位置施工三孔测量产状示意图Fig.5 Schematic diagram of three-hole measurement at the same position

3.3 样品规格

对于传统槽探工程，采样长度可控，刻槽取样一般在10 cm×5 cm～5 cm×3 cm，矿(化)体及顶底板可(近)水平方向连续取样，可视性强。而浅钻技术样品需依托钻孔取心直径大小，目前可取岩心直径为27～46 mm，可在(近)垂向连续取样。以往成果认为①钻孔垂直于矿层取样(与刻槽样取样长度一致)，浅钻取样重量明显少于刻槽取样，而采用垂直钻孔方式时(钻孔与矿层夹角<90°)，浅钻在矿层中穿过的距离大于矿层的厚度，在同样的投影长度上，通过调整钻孔角度可以使取样重量达到或超过刻槽取样的重量。小角度钻探钻孔在岩性分层、地质界线划分上具有与固体矿产勘查小口径金刚石钻探工艺相同的优势，终孔孔径Φ76 mm时，岩心直径在49 mm，保证了样品取样的代表性和可靠性。通过精确测量回次进尺、岩矿心采取率和终孔深度，可以清晰、准确地划分岩性界线及位置，精确厘定分层厚度，为后续地质资料综合整理和资源储量估算提供可靠的数学基础。槽探工程、小角度钻探、浅钻对比成效见表6。

图6 剖面法标志层产状测量示意图Fig.6 Schematic diagram of measuring the occurrence of marker layer by profile methoda-同一剖面确定倾角;b-不同剖面确定走向；1-剖面线;2-小角度钻孔;3-标志层;4-标志层走向线;5-钻孔斜距;6-标志层视倾角;7-钻孔倾角a-determining the inclination from the same profile;b-determining strike using different profiles；1-profile;2-small-angle drilling hole;3-marker layer;4-trend line of marker layer;5-drilling hole slope;6-apparent dip angle of marker layer;7-dip angle of drilling hole

3.4 测试成效

据海南、云南、陕西(赵洪波等，2015，2016；王小刚等，2018)近年来开展的利用浅钻技术替代槽探工程取样分析效果来看，与同一位置的槽探工程刻槽取样分析结果对比，在控制矿体信息上基本一致，吻合程度较高，均能达到圈定矿(化)体。同时，在槽探工程无法揭露的深度下(地表3 m以下)可获取更多的矿化信息，但局限于无法进行水平方向连续取样，在矿(化)体与顶底板界线尚无精确厘定，对于矿化较弱且不均匀的矿化体样品分析存在不足。

小角度钻探技术已在黑龙江省内多个勘查项目应用③，该技术不再局限于地表残坡积层的矿化现象，更能反映地下30～50 m矿体的赋存情况，更好地揭示物化探异常，样品分析均能达到同一位置槽探工程效果，受限于现行勘查规范的影响，在探求资源量储量时，与需要地表工程控制的技术要求不统一，目前尚无达成共识。

4 研究结论

(1)浅层取样(心)钻探技术，采用探索孔→追索孔→验证孔循序渐进的部署方法，在地质体关键部位施工3孔(或采用十字形布孔)可确定地质体产状，通过调整钻孔角度可获得同等刻槽取样重量，满足测试样品要求。在合理布孔的工作程序下，该技术在一定范围内可以实现部分替代槽探工程的功能，减少槽探工作量。作为一种新兴的技术方法，不同于传统槽探工程水平方向取样，矿体与顶底板界线不能精准厘定，存在漏掉产状直立的矿(化)体的可能，在细微地质现象观察与取大样上，不如传统方法直观。

(2)地表基岩水平钻探技术，针对点、面、环形异常及标志层产状、矿(化)体深部延伸等情况可以按4类需求部署，并根据同一位置施工不同方位和(或)倾角的三个钻孔或根据不同剖面同一标志层方法厘定地质体产状。样品采用与固体矿产勘查小口径金刚石钻探相同的工艺，保证了样品取样的代表性和可靠性，可较好地取代槽探工程。目前，该技术工艺受限于冲洗液(水)的约束，无法在无水或少水地区开展钻探取心工作。

(3)浅层取样(心)钻探技术、地表基岩水平钻探技术作为技术可行、经济可控、社会效益显著的新型矿产勘查方法来替代槽探工程施工，可减少对森林植被等环境的破坏。依据地质目的和施工条件，合理选用浅钻技术与小角度钻探技术势必将成为新时期一种重要的行之有效的绿色勘探手段。

致谢：由于新冠疫情影响给项目带来了不小的阻力，调研工作得到了北京探矿工程所宋殿兰主任、青海有色地勘局陈海福主任、黑龙江省地质科学研究所刘祥旭副主任、中国地质调查局油气资源调查中心赵洪波高工、黑龙江省第五地质勘查院易亚东高工及珠海英格尔刘许勇经理等一批专家的有益支持与帮助，在此一并表示诚挚的感谢。

[注 释]

①赵洪波,郭强,宋殿兰,何远信,王宝盛,何玉生,庄有光,卢猛.2016.以钻代槽勘查技术研究与应用示范成果报告[R].北京探矿工程研究所.

②刘祥旭.2015.钻探代替槽井探技术方法应用研究成果报告[R].黑龙江省地质科学研究所.

③刘祥旭.2017.水平钻探技术经济指标研究成果报告[R].黑龙江省地质科学研究所.

[附中文参考文献]

崔志强.2018.高精度航空物探在重要成矿带资源调查中的应用[J].物探与化探,42(1):38-49.

李占锋.2016.地表近水平孔绳索取心工艺钻探实践[J].探矿工程(岩土钻掘工程),43(1):48-50.

卢猛,何远信,宋殿兰,谭春亮,赵洪波.2015.草原浅覆盖区浅钻取样技术的研究与应用[J].探矿工程(岩土钻掘工程),42(11):1-6.

林广利,谭春亮,岳永东,宋殿兰,卢猛,冉灵杰.2017.TGQ-50型轻便钻机在浅覆盖区地质填图中的应用[J].西部探矿工程,29(9):31-33．

刘祥旭,周丹.2017.水平方向钻探代替槽探在黑龙江省矿产勘查中的实践[J].科技技术创新,24:51-52.

刘海声,穆元红,刘鹏,高元宏,窦斌,汪洪民,庞怀玮,张世元.2017.绿色勘查技术在青海格尔木铜金山矿区钻探施工的应用分析[J].探矿工程(岩土钻掘工程),44(3):27-30.

林银山.1987.利用钻孔资料确定岩层产状[J].华东地质学院学报,(4):75-87.

冉灵杰,何远信,宋殿兰.2019.浅钻技术在宁夏青铜峡地区地质填图中的应用研究[J].地质与勘探,55(1):187-193.

孙之夫,游鲁南,王林钢,所建成,李浩伟.2019.黄金地质绿色勘查方法与实践[J].探矿工程,46(4):1-6.

宋祥昌,李兴兵.2018.绿色勘查方法技术探索与实践[J].西部探矿工程,39(9):181-185.

宋艳茹,付钰莹,刘琦,周树英.2019.现代遥感技术在地质找矿中的应用[J]技术应用,3:169.

谭春亮,宋殿兰,岳永东,林广林.2017.钻探技术在敖汉旗浅覆盖区1:5万地质填图中的应用研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程),44(12):43-47.

谭春亮,宋殿兰,苗国文,林广利,田滔.2016.浅钻找矿技术在祁漫塔格成矿带的应用研究[J].西部探矿工程,(9):27-30.

吴金生,李子章,李政昭,黄晓林.2016.绿色勘查中减少探矿工程对环境影响的技术方法[J].探矿工程(岩土钻掘工程),43(10):112-116.

王小刚,刘林,陈清石,刘小宝,孙晓飞,柳云龙.2018.以钻代槽勘查技术在安康茨沟地区试验效果及应用前景浅析[J].陕西地质,36(2):100-106.

岳永东,谭春亮,宋殿兰,林广利,苏兴涛.2018.基于绿色勘查的浅钻技术在浅覆盖区填图中的应用研究[J].探矿工程,45(12):5-11.

杨汉水,苏兴涛,卢猛.2017.轻便浅层取样机具在大兴安岭森林植被覆盖区化探样品采集中的应用研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程),44(8):81-84.

杨少平,孙跃,弓秋丽.2014.“十一五”以来化探方法技术研究主要进展[J].物探与化探,38(2):194-199.

尹飞,陈天红,徐恒.2017.内蒙古草原半干旱浅覆盖区地质调查钻探取样工艺[J].现代矿业,33(3):26-34.

易亚东.2019.大顶角或水平定向钻孔替代槽探方法分析[J].黑龙江科学,10(4):30-31.

喻劲松.2013.浅钻地球化学勘查技术方法及应用研究[J].地质学报,87(增刊):236-237.

张福良,薛迎喜,马骋,顾安琪.2018.绿色勘查—新时代地质找矿新模式[J].中国国土资源经济,(8):11-15.

赵洪波,何远信,祝强.2016.以钻代槽勘查方法研究与应用[J].探矿工程(岩土钻掘工程),43(11):6-10.

赵洪波,何远信,张俊岭.2018.三维地质建模应用于以钻代槽的方法研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程),45(10):166-170.

赵洪波,何远信,宋殿兰,郭强,庄有光,卢猛.2015.海南戈枕成矿带峨麻岭矿区以钻代槽勘查技术[J].地质与勘探,51(3):573-578.

赵洪波,何远信,宋殿兰,王宝盛,郭强,卢猛,冉灵杰,郭坤,祝强.2016.云南漕涧锡矿矿区以钻代槽勘查技术研究[J].地质学报,90(10):2919-2929.

赵元艺,李小赛,乔东海,王松.2016.西藏多龙矿集区绿色勘查与绿色矿山建议[J].地质评论,62(S1):287-288.