地质矿产勘查及绿色勘查技术创新研究.pdf

2023年6月上 世界有色金属85地质勘探Geological prospecting地质矿产勘查及绿色勘查技术创新研究周凯（安徽省地质测绘技术院，安徽 合肥 2 3 0 0 0 0）摘 要：以往地质矿产勘查技术方案在具体实施时，极容易给周边自然生态环境带来较为严重的破坏，十分不利于地质矿区的可持续发展。因此，文章首先分析了地质矿产勘查带来的环保危害问题，而后结合当前业内主流应用的环保勘测技术，从勘测布孔、泥浆材料使用以及勘查回填三个方面，深入探究了绿色勘查技术的具体实施办法。希望可以为经济地质工程相关的建设单位与设计单位，带来一些理论启示，能够始终以“绿色发展观”为价值引导，最大化实现地质矿产经济与生态环保效益目标。关键词：地质矿产；绿色勘查；技术创新；钻孔中图分类号：P 6 2 4 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 1-0 0 8 6-3Research on Innovation of Geological and Mineral Exploration and Green Exploration TechnologyZHOUKai(A n h u i P r o v i n c i a l I n s t i t u t e o f G e o l o g i c a l S u r v e y i n g a n d Ma p p i n g T e c h n o l o g y,He f e i 2 3 0 0 0 0,C h i n a)Abstract:I n t h e p a s t,g e o l o g i c a l a n d mi n e r a l e x p l o r a t i o n t e c h n o l o g y s c h e me s w e r e p r o n e t o c a u s i n g s e r i o u s d a ma g e t o t h e s u r r o u n d i n g n a t u r a l e c o l o g i c a l e n v i r o n me n t d u r i n g t h e i r s p e c i f i c i mp l e me n t a t i o n,w h i c h i s n o t c o n d u c i v e t o t h e s u s t a i n a b l e d e v e l o p me n t o f g e o l o g i c a l mi n i n g a r e a s.T h e r e f o r e,t h e a r t i c l e f i r s t a n a l y z e s t h e e n v i r o n me n t a l h a z a r d s b r o u g h t b y g e o l o g i c a l a n d mi n e r a l e x p l o r a t i o n,a n d t h e n c o mb i n e s t h e c u r r e n t ma i n s t r e a m a p p l i c a t i o n o f e n v i r o n me n t a l s u r v e y t e c h n o l o g y i n t h e i n d u s t r y t o e x p l o r e t h e s p e c i f i c i mp l e me n t a t i o n me t h o d s o f g r e e n s u r v e y t e c h n o l o g y f r o m t h r e e a s p e c t s:s u r v e y h o l e l a y o u t,mu d ma t e r i a l u s e,a n d s u r v e y b a c k f i l l i n g.I t i s h o p e d t h a t i t c a n b r i n g s o me t h e o r e t i c a l e n l i g h t e n me n t t o t h e c o n s t r u c t i o n u n i t s a n d d e s i g n u n i t s r e l a t e d t o e c o n o mi c G e o p r o f e s s i o n s#G e o l o g i c a l e n g i n e e r i n g,a n d c a n a l w a y s t a k e t h e g r e e n d e v e l o p me n t c o n c e p t a s t h e v a l u e g u i d a n c e t o ma x i mi z e t h e e c o n o mi c a n d e c o l o g i c a l e n v i r o n me n t a l b e n e f i t s o f g e o l o g y a n d mi n e r a l r e s o u r c e s.Keywords:g e o l o g y a n d mi n e r a l r e s o u r c e s;G r e e n s u r v e y;t e c h n o l o g i c a l i n n o v a t i o n;d r i l l h o l e收稿日期：2 0 2 3-0 3作者简介：周凯，生于1 9 8 7 年，汉族，男，安徽合肥人，本科，工程师，研究方向：地质调查与矿产勘查。地质矿产勘查是指借助一系列勘测技术措施，根据矿产或矿床的赋存规律以及地质变化特征，对待开采地区的矿产资源分布情况、开采难度与开采经济性进行评价分析，它的作用是为矿区资源的合理化开采利用提供信息数据支撑。然而当前地质矿产勘查工作所使用的槽探、钻探与坑探技术中，不仅会使勘查工作面形成裸露的地质脆弱区，引起局部“桑德化”反应，还容易给周边地区带来严重的毒性污染排放。因此只有采用绿色环保技术减轻地质矿产勘查技术对生态环境的危害影响，才能够实现矿产行业的长期可持续发展。1 地质矿产勘查对环境的扰动影响1.1 污染排放问题首先是工程排放问题，地质勘查活动在组织实施的过程中，会产生大量的污染排放物。例如在修筑拦河坝、截水沟等水土保持设施时，若弃土场、排石场等排放地点规划不合理，会出现施工现场的废石废土以及人造固体材料等乱排乱放问题，而这些固体废弃物在雨洪与地表径流的作用下，就会在地势险恶的地方形成带有大量泥沙与石块的泥石流，严重威胁下游地区的生态环境与交通安全。其次是地质勘查工作对环境造成的直接威胁，矿区石块土体以及排放物中含有大量的金属元素与硝酸盐、硫化物，这些物质一旦经由水源、农作物进入食物链，将会表现出微量或中量的毒性，导致人畜中毒1。上述污染物若是不经遮蔽直接暴露于自然空气中，将会发生缓慢的氧化、分解以及逸散挥发反应，固体可漂浮颗粒首先会进入大气环境中成为空气污染物。而后在空气、水、放线菌的综合作用下生成大量的酸性物质，与空气中的水蒸气团混合形成酸雨，最终侵蚀地表生态环境，影响动植物生长。除此以外，若在地质矿产勘查工作中挖掘排放的少量残煤物质，在太阳光长期直射条件下还容易引起自燃发火，形成难以控制的火灾危害。1.2 勘测作业的土地破坏问题地质矿产勘查活动包含大量的土石方作业内容，例如坑探、槽探等挖掘过程产生的弃土，不仅会使勘查部位的土体因ph值平衡被破坏而失去可耕种功能，且还会压占周边土体，导致地表植物生长受限，最终使测区地表破坏位置形成“土壤沙化”区，严重影响矿区裸露地表的水土保持与渗透功能。另一方面，地质矿产勘查的土地破坏问题还表现在土地沉降塌陷所带来的地质灾害方面，无论是坑探、槽探还是钻探，都需要在覆土层以下挖掘形成一个空腔结构，而这样世界有色金属2023年6月上86地质勘探Geological prospecting的过程将会使地下围岩结构的整体性遭到破坏，即使勘查活动结束后及时地组织回填作业，也很难使围岩自稳性能恢复至破坏之前的水平。因此地质勘查工作结束后，探井、探洞等部位很容易在地质活动的影响下出现沉降、塌陷等地质灾害，使动植物的生长环境遭到严重破坏。2 地质矿产勘查中绿色勘查技术的应用举措2.1 绿色勘查技术项目概况某市地质调查中心于一自然山脉西部规划一处锰矿带整装勘查区，整个矿带沿东西方向分布，全长约100km，其中矿带中部主要的矿床发育类型为沉积型锰矿，地下含锰岩系大多被第四系覆盖区掩埋，地下锰矿岩脉的分布走向以及延伸状况还尚不明确。为了使该锰矿矿带的中部矿区与东边矿产开发区相连，实现锰矿开采的增量目标，计划由当地冶金地质总局、第二地质大队以及地质设计院等多方地质矿产勘查机构，共同负责矿带中部地区锰矿找矿线索的收集工作。在整个勘查区内，通过7个验证钻孔，找到3处含锰岩系的见矿地点，锰矿地下岩体情况分别为如下：18线发现了锰品味为9.42%22.11%的五层隐伏矿体，累计视厚度约为8.73m；25线发现了锰品味为22.31%24.17%的二层隐伏矿体，累计视厚度约为2.75m；32线发现了锰品味为17.25%19.34%的三层隐伏矿体，累计视厚度约为5.73m。2.2 定向钻进技术在地质矿产勘查项目中的应用2.2.1 结合环境条件选用钻探工艺在锰矿找矿线索的勘查作业中，为了最大程度地避免土石方施工的环境破坏影响，应当选择钻探技术作为主要勘探手段，而不宜选用槽探或坑探等大动土量的勘探作业方案。在该地区应用钻探技术，减小对地上植被的施工破坏影响。钻孔勘查作业是为了揭露浅部岩体与上覆土层的岩性，通过获取矿区岩土层物理力学参数性能以及化学成分，为地下矿脉的隐伏岩基岩性以及矿带地质体相互关系提供信息依据。本次勘查项目主要使用液动锤WL钻探技术，将液动钻机平台按照勘查方案设计的方向角度架设安装，再用液动锤钻头向下深进采取钻探岩心2。以该勘查项目的WFSD-11钻孔的为例，考虑到该锰矿勘查项目的所在地位于断陷盆地地区，根据地质矿产的形成预估，含锰岩系的节理层应在泥质灰岩层以及薄层状灰岩层之间的互层结构中延伸发育。而从沉积环境分析来看，矿脉岩系多为色调深、粒径小的方解石，极少出现陆源碎屑物岩体，可以判断地下含矿地层主体有低能带表现。因此WFSD-11钻孔在结合地质环境条件要素后，将钻孔深度设置为1507.53m孔深，孔口直径为150mm，当钻孔深进至1000m以上时，钻孔直径会缩短至100mm，在到达终孔部位时，孔径会进一步缩小至77mm。2.2.2 严格控制钻孔的设计要求标准WFSD-11钻孔所在部位的地下岩层分布依次为：粉砂岩含砂砾层、片状泥岩层、岩屑砂层、泥灰层以及碳质页岩层，从底层分布情况来看，该部位经历过数次强烈地震，地层以下部位的围岩结构呈破碎状分布，不仅存在互层涌水、漏失，且不同地层之间的应力较为集中。因此，在钻孔作业过程中为了较好地获得束缚水饱和度，使围岩自稳较差的地带的岩心采取率达到设计标准水平，本次岩心直径设置为85mm，向下逐渐收拢；当钻进深度达到1000m时，岩心直径控制在75mm；到达终孔部位时，岩心直径回缩至50mm。在钻孔作业时需要控制斜度，使其尽可能地形成90的垂直孔，钻孔终孔顶角最大不得超过10，井眼“狗腿度”最大不超过2/30m。2.2.3 定向钻进实现“一孔多用”定向钻进就是指在一个公共的钻探基台上同时进行多个钻孔的钻进作业，或者是为了满足地下复杂互层结构的岩心物性分析需求，在同一个钻孔内以多个分支孔的形式分别在不同的方向进行钻进。这样的技术做法目的是通过降低向下深进与物料搬运的施工难度，减少钻机平台、运输道路等额外保障性设施的建设内容，为勘探项目施工单位节省经济成本开支的同时，还有效地减少了钻孔弃土、废石以及泥浆废料等固体排放污染4。在该项目中，由于采用了以钻代槽、一机多用的先进做法，累积减少挖槽与挖孔22条，节省钻机平台数量约12个，少修建便道约2264m，节约测区内土地占用面积约6470m2。定向钻孔技术中，孔径变化主要是依靠钻孔结构与套管程序的配合来实现的：在一开阶段先用311液动锤钻头将孔口扩张至23.5m，而后改用150mm的取心钻向下深进至26.01m，最后在钻孔内下设一根直径为219mm的套管，埋入深度为23.50m，与下部形成并固井结构；二开阶段用255液动锤钻头将孔口扩张至457.1m，而后改用150mm的取心钻向下深进至466.1m，最后在钻孔内下设一根直径为219mm的套管，埋入深度为411.6m，与下部形成并固井结构；以此类推，钻孔六开阶段取心深度最大为1502.3m，下设一根直径为73mm的筛管直达孔底，为整个钻孔的换浆洗井做好充足准备。2.3 环保泥浆体系在矿产勘查项目中的应用2.3.1 泥浆材料在钻探作业中的作用采用钻探技术的矿产地质勘查工程中，泥浆材料主要有如下作用：首先是确保钻头作业期间不发生故障，在孔内通过循环灌入泥浆的做法，可以将沉淀在探孔内的硬质碎石全部排出，避免冲击钻头在长时间运作条件下发生疲劳磨损。另一方面，液动锤钻头在长时间高频率的工作条件下会因过热而影响材料刚度，因此需要在探孔形成的过程中使钻头始终浸在泥浆液面以下，起到冷却钻头的作用。2023年6月上 世界有色金属87地质勘探Geological prospecting其次是提高钻孔孔壁结构的稳定性，泵送入钻孔的泥浆材料具有一定的质量与密度，因此它可以使孔壁内的液位压力始终大于地下水位的压力，对孔壁产生外挤压力而起到护壁功能。同时在泥浆循环的过程中，可以使钻屑悬浮于液面之上，最终与清孔泥浆一同排出探孔。2.3.2 环保泥浆体系的应用措施首先是环保泥浆材料的选择，应当尽可能地选择无毒、无害、可自然降解的泥浆材料，例如本次矿产地质勘测项目中，泥浆的主要制配材料选择蒙脱石，而聚合物则选择植物瓜胶、人工合成的电解质材料，上述材料不仅水溶破乳效果较好，不容易出现材料腐坏变质的问题，而且还不具有腐蚀性与异味，使泥浆落地的污染危害降至最低水平。其次是钻井泥浆的滤失量控制，泥浆材料在循环使用的过程中，会因老化作用而使清孔、排渣作用大打折扣3。因此实际泥浆的使用过程中还需要以外掺的形式加入降滤失滤来延缓泥浆的絮凝作用，使泥浆得以在较长时间内保持较好的滤失性与流变性。该勘查项目使用的降滤失剂材料为硫化酚醛树脂SMP材料，是一种可溶于盐水中的树脂材料，它在增加泥浆降失水性能的同时，还能够明显提高泥浆的高温抗性与粘度，而这样的泥浆制配方法，不仅可以控制泥浆的污染排放量，还能使泥浆的重新制配成本降至最低水平。最后是建立高效率的泥浆循环固控系统，应当在钻井冲孔前将振动筛、离心除砂机、旋流分离器以及过滤除泥器等固控设备，组建为一个完整的钻井液循环系统。在确保钻井泥浆性能稳定的前提下，实现泥浆的“不落地式”循环供应管理，当钻井液老化失效后应当排入弃浆池中进行沉淀絮凝，而后再通入泥水分离装置后进行高温晾晒，等到泥浆分离物质充分完成固化结块后，集中装车运往指定处理地点。固化处理时可以选择使用粉煤灰作为凝胶组合物，它的活性组分成分为三氧化二铝、二氧化硅，当处于有水环境中时活性组分中碱性物质会被激发，在水化与硬化反应的作用下，它可以使钻井废液中的泥砂系统与凝胶物质组合为一个整体，最终实现泥浆的高效率固化效果。2.4 勘查钻孔的回填处理上文中论述了矿产地质勘查钻孔未封闭回填的危害，因此以WFSD-11、WFSD-25与WFSD-47三个地质条件不同的钻孔处理做法为例，总结出该勘查项目施工中钻孔回填处理的技术措施。2.4.1 回填土料的选择勘查钻孔回填时应当根据钻孔位置土体的特性选择回填材料，其中11号钻孔有丙级基坑工程，因此回填土料可以选择就近借土回填。但为了避免弃土给周边自然植被造成影响，本次勘查施工选择将挖出的素土在制定的弃土场进行晾晒后，掺入一定比例的灰土进行回填；25号钻孔有乙级基坑工程，素土回填已经无法满足结构稳定需求，需要将水泥浆与黏土按照一定比例混合后，采取分段回填的方法封闭夯实；而47号勘探孔孔有甲级基坑工程，需要使用水泥砂浆以喷注封孔的方法来进行处理。2.4.2 钻孔回填的技术要求使用素土回填时，应当严格遵循“以砂还砂、以土还土”的原则，回填分层的厚度应当控制在0.5m左右，回填深度较大的勘探钻孔时，需要使用一定功率的液压夯实机以强夯法锤击密实该层土体后，再逐层向上提升回填高度5。使用黏土球回填时，需要先向勘探钻孔内通入足量的清水置换出孔内残余泥浆，避免黏土球出现粘黏而影响钻孔封孔效果。黏土球直径通常应当控制在2.0cm2.5cm范围以内，粘粒成分含量不应低于30%，黏土塑性指数不应低于17。在封孔作业开始时，投入钻孔之前需要先将黏土球预先风干处理，而投入勘查钻孔时则应当注意控制一次倾倒量，一边倒入一边由专人操作钻杆进行捣通，避免黏土球在钻孔内淤堵形成空腔。每当粘土球投入高度达至3m时，应当使用击实器对其进行密实夯击至0.3m。使用水泥砂浆进行封填时，应当选择强度标号在32.5以上的普通硅酸盐水泥作为封堵材料，制配砂浆时需要使用筛分网将砂砾的粒径控制在1.5mm以下，其中粒径小于0.5mm的细砂质量不宜超过50%。向钻孔灌注水泥砂浆时应当选择水下导管法，应当一边向孔内注料一边用钻杆振捣密实，等到灌注高度到达孔口后，每12小时记录一次砂浆沉降速度，并使用相同配合比的砂浆将液面下降部分封填补齐。3 结语综上所述，绿色勘查技术就是指以“绿色发展理念”为指导思想，以“先进技术手段”与“科学管理”为手段，在选取最先进的勘查技术方案与工艺设备的条件下，建立起环境影响的控制评估体系，从勘测布孔、泥浆材料使用以及勘查回填三个方面，实施全过程最小化环境影响的勘查方案。绿色勘查技术在地质矿产勘查工作中的应用意义有多个方面，它既是建设与服务经济地质行业生态文明的前卫策略，又是缓解我国自然能源匮乏短缺问题的重要举措。1焦文俊.地质矿产勘查及绿色开采技术创新探究J.冶金管理,2022,(07):13-15.2张翔,毛学佳.地质矿产勘查及绿色勘查技术创新J.世界有色金属,2022,(05):112-114.3何小明.阐述地质矿产勘查及绿色开采技术创新J.世界有色金属,2022,(03):85-87.4薛斌,赵闯.金属矿产勘查中地质找矿技术的应用创新J.世界有色金属,2022,(03):82-84.5韩伟.地质矿产勘查及绿色开采技术创新J.内蒙古煤炭经济,2022,(02):169-171.