深部找礦的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

深部找礦的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快，對(duì)地下礦產(chǎn)資源的需求和需求逐年增加，礦產(chǎn)資源的供應(yīng)和保障成為制約國(guó)家發(fā)展和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“瓶頸”。全國(guó)大多數(shù)經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)的淺部礦產(chǎn)資源已被探明、開采而趨于枯竭?，F(xiàn)有的1600多個(gè)大中型礦山企業(yè)幾乎都面臨資源危機(jī),有相當(dāng)一部分礦山企業(yè)生產(chǎn)到了中晚期,保有儲(chǔ)量銳減,一些老礦山經(jīng)過幾十年乃至上百年的開采已經(jīng)到了枯竭階段。資料表明:我國(guó)多數(shù)礦山的勘查深度一般在500m以淺,而相當(dāng)一部分危機(jī)礦山的深部和外圍存在著許多未經(jīng)充分勘查的成礦遠(yuǎn)景區(qū),深部找礦潛力巨大。國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)表明,進(jìn)行深部找礦,在地質(zhì)測(cè)量、物化探圈定礦床勘查靶區(qū)后,最關(guān)鍵的技術(shù)就是用鉆探取出實(shí)物樣,經(jīng)觀察、研究、分析、計(jì)算后確定其產(chǎn)狀、成分、儲(chǔ)量、埋藏空間、開采條件等技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù),做出開采利用的正確評(píng)價(jià)。因此,鉆探工作的成功與否直接關(guān)系著地質(zhì)找礦的成敗,而在深部地質(zhì)找礦中,鉆探技術(shù)起著最終決定性、不可替代的關(guān)鍵作用。1動(dòng)力頭鉆機(jī)的研制和發(fā)展我國(guó)目前采用的鉆機(jī)仍然以20世紀(jì)70年代研制的立軸式鉆機(jī)為主。立軸式鉆機(jī)鉆進(jìn)能力大多在1500m以內(nèi)。近幾年部分廠家陸續(xù)研制了2000m鉆機(jī),2007年連云港黃海探礦機(jī)械廠還研制了3000m鉆機(jī)。這些鉆機(jī)性能特點(diǎn)基本一致,沒有大的突破。我國(guó)自1960年開始研究動(dòng)力頭鉆機(jī)。原長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院于1962年研制出一臺(tái)電力-液壓傳動(dòng)300m鉆機(jī)。此后至1976年,上海探礦廠、重慶探礦廠、張家口探礦廠、北京探礦廠等紛紛研制了600m、1000m和1500m動(dòng)力頭鉆機(jī),但在生產(chǎn)中沒有推廣開,后來由于鉆探工作量銳減,該鉆機(jī)的研究工作基本停止。近年來,國(guó)內(nèi)一些科研院所、大學(xué)和廠家在消化吸收國(guó)外動(dòng)力頭鉆機(jī)基礎(chǔ)上,相繼研發(fā)了新產(chǎn)品,如中國(guó)地調(diào)局勘探技術(shù)研究所研發(fā)了YDX-3及YDX-3A型,山東省地質(zhì)探礦機(jī)械廠研發(fā)了XD-3、XD-5型等等。另外,勘探技術(shù)研究所在立軸鉆機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究、改進(jìn),研發(fā)成功了新型機(jī)械傳動(dòng)立軸鉆機(jī),較好地克服了原立軸式鉆機(jī)固有的給進(jìn)行程短、頻繁停機(jī)倒桿的缺點(diǎn),加長(zhǎng)了給進(jìn)行程,并實(shí)現(xiàn)了無主動(dòng)鉆桿、不停機(jī)倒桿鉆進(jìn),提高了工作效率。盡管在國(guó)內(nèi)眾多科研機(jī)構(gòu)的努力下,在鉆探設(shè)備研發(fā)中有了一些改進(jìn)和創(chuàng)新,但是總體而言,研制工作還不夠深入,新技術(shù)應(yīng)用不足,技術(shù)創(chuàng)新不夠,適合我國(guó)國(guó)情、性能優(yōu)良的深孔鉆機(jī)(鉆進(jìn)深度大于1500m)亟待盡快研制開發(fā)。2wl鉆頭與國(guó)外建筑基我國(guó)于20世紀(jì)70年代中期開始研究并在地質(zhì)找礦中推廣應(yīng)用金剛石WL鉆進(jìn)技術(shù),總鉆探工作量達(dá)400×104m,鉆進(jìn)速度和臺(tái)月效率大幅度提高,在地質(zhì)找礦中發(fā)揮了重要作用,獲得了國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。但近20余年來,由于礦產(chǎn)勘探工作量銳減及鉆探施工單位向建筑基礎(chǔ)領(lǐng)域的轉(zhuǎn)產(chǎn),金剛石WL鉆探技術(shù)的應(yīng)用也明顯減少,導(dǎo)致了該項(xiàng)技術(shù)與WL相關(guān)鉆具的發(fā)展比較緩慢。在應(yīng)用廣度和深度上與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家相比存在較大差距,特別是WL鉆探用鉆桿的使用壽命、可靠性、鉆進(jìn)效率和鉆進(jìn)孔深等多項(xiàng)指標(biāo)同美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家還不在同一個(gè)水平上,利用WL鉆探技術(shù)完成的巖芯鉆探工作量仍不足全部固體礦產(chǎn)巖芯鉆探工作量的1/3。在鉆探技術(shù)方法方面,我國(guó)開展了很多研究工作,取得了大量研究成果。2.1車橋資金開采技術(shù)研究從1958年底開始進(jìn)行研究,到20世紀(jì)80年代末,我國(guó)的液動(dòng)錘研究進(jìn)入鼎盛時(shí)期。地質(zhì)、冶金等部門分別研制出多種規(guī)格型號(hào)的液動(dòng)錘用于小口徑取芯鉆探,其類型涵蓋了正作用、反作用和雙作用、復(fù)合式液動(dòng)錘等,全部型號(hào)達(dá)到30種以上。液動(dòng)錘累計(jì)鉆探進(jìn)尺超過了百萬米,取得了良好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效果,粗略統(tǒng)計(jì)可提高鉆進(jìn)效率30%～50%以上,同時(shí)還可明顯提高鉆孔質(zhì)量和巖芯采取率、延長(zhǎng)回次進(jìn)尺、降低材料消耗。這個(gè)階段我國(guó)的液動(dòng)錘研究和應(yīng)用水平已經(jīng)居于世界先進(jìn)水平,是繼前蘇聯(lián)以后在小口徑礦產(chǎn)勘探領(lǐng)域廣泛應(yīng)用液動(dòng)錘鉆進(jìn)技術(shù)的國(guó)家。進(jìn)入20世紀(jì)90年代,由于我國(guó)的地質(zhì)勘探工作量大幅下降,液動(dòng)錘的研究投入銳減,已有成果并沒有得到很好的應(yīng)用和進(jìn)一步提高,對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究應(yīng)用也轉(zhuǎn)向?qū)τ吞?、水文水井和工程施工用大口徑液?dòng)錘的研究。研究重點(diǎn)是對(duì)提高液動(dòng)錘的單次沖擊功和能量利用率方面進(jìn)行深入研究,研制成功ZC-800、YYQ-178、Q-150、SYC-178、YS-219等型號(hào)以及YZX系列的液動(dòng)錘。直到1997年,中國(guó)地調(diào)局勘探技術(shù)研究所研制了一種新型的液動(dòng)錘,液動(dòng)錘靜密封的耐高溫性能、可靠性以及對(duì)深孔背壓適應(yīng)性都有了改善和提高。特別是在中國(guó)大陸科學(xué)鉆探工程中,他們研制的YZX127液動(dòng)錘被連續(xù)鉆進(jìn)了近500個(gè)回次,在較為復(fù)雜的泥漿環(huán)境中創(chuàng)造了單井總進(jìn)尺3485.71m、最大應(yīng)用深度達(dá)5118.2m的世界紀(jì)錄。此外,勘探技術(shù)研究所還為大陸科學(xué)鉆探工程研制了SYZX273液動(dòng)錘、KS-157液動(dòng)錘WL和螺桿馬達(dá)/液動(dòng)錘/WL三合一鉆具,都取得了較好的效果,在提高鉆進(jìn)效率,延長(zhǎng)回次進(jìn)尺,防止巖芯堵塞,減輕孔斜等方面都發(fā)揮了重要作用。液動(dòng)錘鉆進(jìn)技術(shù)在大陸科學(xué)鉆探工程中的成功應(yīng)用,在推動(dòng)了我國(guó)鉆探技術(shù)水平的進(jìn)步、拓寬應(yīng)用領(lǐng)域起到了非常重要的作用,得到眾多國(guó)外同行的高度評(píng)價(jià)。但是,對(duì)深孔條件下液動(dòng)錘工作性能的理論分析研究尚待進(jìn)一步深入。特別是在普通鉆探生產(chǎn)條件下,由于泥漿固控系統(tǒng)還停留在傳統(tǒng)的巖粉自然沉淀的水平,鉆進(jìn)過程中泥漿固相含量較高,導(dǎo)致液動(dòng)錘內(nèi)部零件頻繁卡死,工作壽命大幅度降低,從而導(dǎo)致提鉆頻繁。在推廣過程中,液動(dòng)錘鉆進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)雖為大家所認(rèn)識(shí)和接受,但是實(shí)際應(yīng)用還較少。2.2地質(zhì)成功成果我國(guó)自20世紀(jì)80年代開始,開展了固體礦產(chǎn)定向鉆探技術(shù)的研究。原地礦部把“定向鉆探技術(shù)研究”列為“六五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目,重點(diǎn)開展了“定向孔連續(xù)造斜器及配套工具與施工工藝研究”和“螺桿鉆隨鉆測(cè)量定向鉆探配套器具及施工工藝研究”。前者在研制成功LZ-73造斜器的基礎(chǔ)上,又先后研制了LZ-54、LZ-89造斜器及SQ-73隨鉆取芯造斜器等;后者成功研制了與WL鉆桿配套使用的DG-38型定向儀、與普通Φ50mm鉆桿配套使用的DX-38型定向儀和YS-1型、ZS-1型、GSX-40型隨鉆定向監(jiān)測(cè)儀以及其它配套機(jī)具與鉆進(jìn)工藝,研究工作均獲得成功,相繼獲得原地礦部科技成果一等獎(jiǎng)。該成果已在國(guó)內(nèi)多個(gè)固體礦床勘查中推廣使用,先后在安徽冬瓜山銅礦、安徽李樓鏡鐵礦、黑龍江多寶山銅礦和山西銅礦峪深孔鉆探中成功應(yīng)用,曾在一個(gè)主孔中成功施工6個(gè)分枝孔,取得了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。此后,隨地質(zhì)勘探工作量的銳減,該項(xiàng)技術(shù)在地質(zhì)勘探領(lǐng)域處于停滯狀態(tài)。不過,同時(shí)在石油探采和鉀鹽、鈉鹽探采領(lǐng)域得到進(jìn)一步研究和發(fā)展,已形成較完善的水平井、對(duì)接井技術(shù)。2.3其它研究研究進(jìn)展該項(xiàng)技術(shù)主要有兩種類型。一種是由帶RC取芯(樣)鉆頭的貫通式氣動(dòng)錘+雙臂鉆桿來實(shí)現(xiàn),即貫通式RC鉆探技術(shù);另一種是由普通氣動(dòng)錘+交叉通道接頭+雙臂鉆桿實(shí)現(xiàn),即RC或CSR鉆探技術(shù)。我國(guó)自20世紀(jì)80年代開始對(duì)該技術(shù)進(jìn)行研究。前者主要有原長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院進(jìn)行研究,并相繼研發(fā)了GQ系列貫通式潛孔錘和相應(yīng)的RC取芯(樣)鉆頭等,特別對(duì)RC取芯(樣)鉆頭的RC機(jī)理和引射器原理及內(nèi)部流場(chǎng)等方面做了大量研究工作,并取得了多項(xiàng)研究成果。后者主要由勘探技術(shù)研究所等單位進(jìn)行研究,1987年引進(jìn)加拿大鉆機(jī)進(jìn)行CSR鉆探試驗(yàn);另外還相繼開發(fā)了專用設(shè)備、不同規(guī)格的雙壁鉆桿以及輔助器具等,并在個(gè)別礦區(qū)進(jìn)行應(yīng)用。但是由于國(guó)內(nèi)地質(zhì)界對(duì)以巖屑代替?zhèn)鹘y(tǒng)柱狀巖芯來評(píng)價(jià)礦產(chǎn)資源還不認(rèn)可,在鉆探設(shè)計(jì)時(shí)不采用該技術(shù),因此,該項(xiàng)技術(shù)一直未得到推廣應(yīng)用。只有當(dāng)?shù)V區(qū)地層特別復(fù)雜無法成孔取芯時(shí)才進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用。如新疆白干湖鎢錫礦、河南欒川縣三道莊鉬礦、河南嵩縣金礦等復(fù)雜地層地質(zhì)勘探中均采用了貫通式氣動(dòng)錘RC鉆探技術(shù)。另外由國(guó)外業(yè)公司出資勘探的部分礦區(qū),如澳大利亞瑞翔公司在黑龍江嫩江爭(zhēng)光巖金礦勘探中,要求采用RC鉆探技術(shù),采用后取得了較顯著的技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效益,鉆探施工效率提高3～10倍,成本降低1/2～2/3。2.4預(yù)處理和增壓工藝研究我國(guó)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究起步較晚,20世紀(jì)80年代中期,首先在石油系統(tǒng)利用泡沫進(jìn)行洗井、鉆井工作,同時(shí)也研制了幾種泡沫劑(如F873、TAS等)。與此同時(shí),煤炭系統(tǒng)也進(jìn)行了這方面的研究工作,并研制成功了KZF123泡沫劑。原地質(zhì)礦產(chǎn)部在泡沫鉆進(jìn)技術(shù)方面也做了初步研究,被列入“七五”和“八五”期間的重點(diǎn)科研攻關(guān)項(xiàng)目,由勘探技術(shù)研究所、原長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院、原成都地質(zhì)學(xué)院和甘肅地礦局等科研院所、高校和相關(guān)生產(chǎn)單位聯(lián)合完成,先后研制出了CD-1、CDT-812、CDT-813、DF-1、ADF-1等類型的泡沫劑,研制了一整套泡沫測(cè)試裝置,同時(shí)還開展了泡沫鉆進(jìn)工藝的技術(shù)研究,經(jīng)過不同環(huán)境條件及機(jī)具試驗(yàn)研究總結(jié)了一套比較成熟的泡沫工藝和鉆進(jìn)規(guī)程,有力地推動(dòng)了泡沫鉆進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。但由于其后正值地質(zhì)鉆探工作量銳減,而此技術(shù)在初期投資、能耗和后期泡沫劑回收方面的費(fèi)用都比普通鉆進(jìn)技術(shù)高,因此其推廣應(yīng)用處于停滯狀態(tài)。直到20世紀(jì)90年代中后期,長(zhǎng)春科技大學(xué)又在原地礦部立項(xiàng),進(jìn)行了水泵泡沫增壓裝置的研究,取得了泡沫增壓泵的容積效率達(dá)到90%的效果。2000年,為配合西部大開發(fā),在上述研究的基礎(chǔ)上專門研制了大型的水泵再增壓泡沫灌注系統(tǒng),經(jīng)在寧夏西海固地區(qū)的實(shí)際施工試驗(yàn),取得了水泵的增壓能力達(dá)到5MPa令人可喜的效果。此外,還在吉林省科委立項(xiàng)進(jìn)行專門的泡沫潛孔錘的研究,已取得了突破性進(jìn)展[22,23,24,25,26,27]。3深孔鉆進(jìn)面臨的主要問題綜上所述,深部找礦在我國(guó)是一個(gè)新問題、新領(lǐng)域。深孔鉆探面臨更大的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn),除鉆遇的地層類型多、復(fù)雜多變等客觀因素外,在深孔鉆探設(shè)備、鉆探方法和工藝方面存在以下主要問題。3.1大型深孔鉆機(jī)我國(guó)目前采用的鉆機(jī)大多還是20世紀(jì)70年代研制的立軸鉆機(jī),幾年前鉆進(jìn)能力最深為1500m,近幾年才研制了2000m鉆機(jī)和3000m樣機(jī)。該類鉆機(jī)從小(型)到大(型)結(jié)構(gòu)、性能基本一致,其給進(jìn)行程短、啟動(dòng)不平穩(wěn)、加接鉆桿慢等特點(diǎn)不利于深孔鉆探。動(dòng)力頭鉆機(jī)的研發(fā)、生產(chǎn)還剛剛開始,已投入使用的鉆機(jī)其鉆探施工能力不強(qiáng),最大也只有1500m(2000～2500m的正在研發(fā)),不能滿足1500m以深的鉆探需要。3.2鉆孔限制設(shè)計(jì)過去大量采用的WL鉆桿只適用于1000m左右的鉆孔。近幾年不少?gòu)S家生產(chǎn)的加強(qiáng)型(加重型)鉆桿雖已突破2000m,但對(duì)更深鉆孔能否適用依據(jù)不足。3.3wl鉆芯的研