0 引言

随着勘查工作程度的提高，矿产勘查重点从以寻找地表矿体或浅部矿体为主逐步转向寻找隐伏矿体和深部矿体，浅覆盖区找矿作为深部探测找矿的一部分，一直是国内外广泛关注的热点（胡建民等，2020；陈勇等，2021）。据不完全统计，中国运积物覆盖厚度小于 50 m 的覆盖区大约有 120 万 km²，主要分布在山地边缘、山间盆地、河谷两侧等构造运动活跃、矿产资源丰富的地区，具有巨大的找矿潜力（孔牧等，2015）。目前，国内对浅覆盖区矿产地质调查工作还没有明确的定义，相关行业规范及技术要求也尚未统一，综合“覆盖区区域地质地质调查（1∶50000）思路、原则与方法”（胡建民等， 2020）及《固体矿产地质调查技术要求放下一行 （1∶50000）》（自然资源部中国地质调查局，2019），可以定义浅覆盖区矿产地质调查工作为：在第四系厚度小于 200 m 地区进行的基础性、区域性找矿工作，通过地质调查、工程揭露（槽探、浅钻等）、地球物理和地球化学勘查等综合技术方法，大致查明工作区的地质背景、成矿地质特征和成矿规律，评价区域矿产资源潜力，为后续矿产勘查提供靶区和新发现矿产地（汪晶，2018）。钻探作为获得地下实物资料、建立测试通道、验证地质信息推断与解释、最终圈定矿体、计算储量、评估品位唯一的工程技术手段，是地质勘探及找矿中不可或缺的重要技术方法（谢文卫等，2013）。在浅覆盖区矿产勘查中，由于覆盖层类型多样、成分复杂以及松、散、碎的特点，常规岩心钻探遇到生产效率低、孔内事故多、施工成本高等系列问题（谭春亮等，2018），因此，如何利用钻探有效“剥离”覆盖层，精准快速探测覆盖层下伏地质结构和矿体信息成为浅覆盖区地质矿产调查的重要研究内容之一。

1 浅覆盖区矿产勘查技术现状

浅覆盖区矿产勘查技术方法一直是国内外关注与研究的热点。研究表明：中国新生界除边缘地带如西藏、新疆、东南沿海和台湾等地有海相沉积外，其余均为陆相沉积，分布面积 395.58 万 km²，占出露地层总面积的46%，占全国陆地面积的41.2%，其中第四系（覆盖区）面积 334.5 万 km²，浅覆盖区占 1/3以上（喻劲松，2013），典型浅覆盖类型分布包括：以风成砂、砂砾石为主体覆盖物的荒漠草原区； 以坡积物、冲洪积物为主覆盖物的森林沼泽区；以红土风化壳残积物为主覆盖物的南方强风化区等，多为断裂带发育、地质构造复杂，成矿、控矿地质条件有利的地区（胡建民等，2020；王东明等，2021）。目前，浅覆盖区地质矿产勘查遇到的问题：①有效方法少，覆盖区工作程度低，地质基础资料不足，出露区常用的地—物—化综合信息采集与多元信息集成预测方法技术难以奏效；②覆盖层物性和水文地质特征对找矿效果影响大，由于覆盖层的遮挡与屏蔽，物探异常信息呈“低缓、残缺和叠加复合”的特点，多解性强（黄桂珍，2013）；常规化探方法难以取得理想的找矿效果；③槽探揭露深度浅、破坏大，局限性强，不符合绿色矿业发展要求；④岩心钻探效率低、成本较高，由于覆盖层结构松散、胶结性差，岩矿层构造发育、复杂多变，传统岩心钻探存在钻进效率低、事故多、成本高等问题。因此，研究与推广一种绿色、高效、适用的精准快速探测技术手段，对提高浅覆盖区矿产勘查效率，具有重要的意义。

2 多工艺钻探技术方法研究

多工艺钻探是一种以满足地质要求、提高钻探效率为主要目的，集成多种钻探工艺技术优势的实用性综合钻探技术方法。在浅覆盖区矿产勘查中，依据已有地质信息，物探、化探等异常信息，按照地质目的、取样要求，结合覆盖层厚度、物质组成和施工条件，研究制定相适应的钻探施工方案，优选钻探设备、钻探方法和钻进工具，利用多工艺组合快速采集覆盖层—残积物—基岩等岩矿样品，通过分析测试追踪定位矿化体、计算储量、评估品位，是浅覆盖区找矿的有效方法。按照循环介质的不同，将钻探方法划分为3类：无循环钻进、空气钻进和冲洗液钻进（表1）。无循环钻进是指在钻探施工过程中，孔内没有冲洗液或虽有稳定液但不循环流动的钻进方式，主要适用于松散、破碎、易漏岩矿层的取样钻进（刘家荣，2010；冉灵杰等，2016；曾瑞垠等， 2016）；空气钻进是把压缩空气作为钻孔冲洗介质或兼作孔底碎岩动力的钻探方法，主要适用于干旱地区快速成孔、化探取样，以确定矿体埋藏深度、获取矿物成份、控制矿体品位为主的取样钻进（陆生林等，2017；姚建平和底衡波，2021）；冲洗液钻进是通过冲洗液冷却钻头、携带岩屑、稳定孔壁、平衡压力的传统钻探方法，一般可获取完整柱状岩心，满足地质构造、产状描述和岩石矿物分析等地质需求。

随着地质找矿向更深部、更复杂及多样化地层方向发展，单一钻探方法已无法满足优质、高效、低成本的要求。根据地质需要、地层条件和取样要求的变化，多工艺钻探可以充分发挥不同钻探方法的技术优势，利用一套钻探设备，通过调整钻探工艺和钻进参数，实现快速高效钻探验证。实践表明：无循环钻进工艺适用于离子型吸附型稀土矿床、沉积型铝土矿床、锆铪矿床等风化壳型与残坡积赋存的矿床勘探；空气反循环取样工艺适用于以获取矿物成份和矿体品位为目的的钻孔及快速评价，是一种成熟的适用于矿产勘查的钻探技术；水力反循环取心工艺适用于海洋区域地质调查和环境地质调查、含水区中硬岩层地质找矿等钻探取样需求；绳索取心工艺适用于深部矿体圈定与异常验证。紧密围绕地质目的、结合地层变化情况，通过科学组合多种钻探方法，可以实现快速查证。以浅覆盖区找矿为例，地质人员所需要数据主要集中在矿层顶底板之间的几米至十几米之内，对于其他地层内容，并不需要详细研究，这种情况下，先采用空气钻进施工至目标层位，下好套管，再使用金刚石回转钻进对矿层取心，既保证了较高的钻进效率，又准确搜集到所需的地质数据。因此，加强多工艺钻探技术的研究、试验与推广，可以完善浅覆盖区找矿勘查技术体系，为新一轮找矿突破战略行动提供高效的钻探技术支撑。

3 多工艺钻探装备研究进展

以空气反循环连续取样技术（Air Reverse Circulation Continuous Sampling Technology，简称 RC）为代表的多工艺钻探在国外发展较早，早在 20 世纪 70 年代，美国 Baker 公司首先在砂金矿床勘探中应用 RC钻探成功解决了常规钻探方法在砂金矿床勘探中取样难、采样质量低的难题，并凭借着高效、低耗、经济的优势快速推广到其他固体矿产勘探（张晓西和杨甘生，1996）。21 世纪初期，澳大利亚 RC钻探完成地质钻探工作量的比例超过总工作量的80％，美国接近80％，东南亚接近60％，非洲达到30％，最大孔深超过700 m（张永勤，2007）。多工艺钻探技术的推广促进了钻探设备的进步，经过几十年的发展，国外多工艺钻探设备基本实现了自动化操作和数字化控制，主要技术特点：①全液压动力头式结构，拼装式设计，回次进尺3～9 m，实现了自动加减钻杆、一键式操作等功能；②装载形式多样，根据需要可选用车载式、履带式和拖车式底盘，实现了产品的系列化；③具有较完善的技术体系，标准化的双壁钻杆和取心钻具，高效的岩样收集与缩分设备，配套的技术要求与操作规范等技术链条成熟（李雪峰，2013）。代表机型有：瑞典 Atlas Copco Explorac 系列（图1）、美国 Boart Longyear公司 LX系列、Sandvik公司DE系列等（图2），主要技术参数见表2。

国外多工艺钻机一般通过设计回转动力头的高低档位变化、变量马达、马达组合以及选配不同的回转头等一系列技术路线，获得高速回转取心钻进、低速回转空气钻进以及无循环钻进等不同工艺所需要的扭矩和转速要求，从而达到一机多用的 “多功能”运行效果，以 RC 钻探为代表的多工艺钻探技术在国外尤其是矿业市场比较成熟的国家已经形成一套完善的钻探技术与装备体系，并得到广泛的推广应用。

20世纪80年代，多工艺空气钻进技术被中国地质矿产部列入“七五”、“八五”科技攻关项目（许刘万等，2009），国内正式开始对多工艺钻探进行研究与推广。中国地质科学院勘探技术研究所与江苏省无锡探矿机械总厂联合研制了首台反循环钻机及配套工艺器具，并在内蒙古、黑龙江、贵州等地区进行试验应用，取得了较好的生产效果（姚建平和底衡波，2021），为该项技术发展打下了良好的基础。随着国外矿业公司进入中国进行固体矿产资源风险勘探，广泛采用多工艺钻探方法，加深了对多工艺钻探技术的认识，也带动了国内对多工艺钻机、双壁钻杆、贯通式潜孔锤等方面的投入，中国地质装备集团有限公司、吉林大学等行业单位陆续开展了以空气钻进为主的多工艺钻探设备及工艺的研究与推广工作，研制了系列反循环钻机及配套工具，并在矿山采掘、水文水井和岩土工程施工等领域广泛应用，但针对地质矿产勘查的钻探技术组合研究与应用不多，集成度高的多工艺钻机还没有形成系列化研制和规模化生产。国内代表机型有：中国地质装备集团有限公司 XD-12R 型多工艺钻机、中国地质科学院勘探技术研究所 FD-600型反循环钻机、宣化正远钻采机械有限公司 FSL500 型钻机、北京探矿工程研究所 TGQ 系列取样钻机（图3）等 （谭春亮等，2015；刘智荣等，2018；周政等，2020），主要技术参数见表3。

同时，国内陆续开展了空气正反循环连续取样、水力反循环连续取心、液动冲击回转钻探以及多工艺组合钻探等技术研究与试验，并取得了阶段性研究成果，探索研发采用不同结构形式的钻具，利用一台钻机、一套钻杆及辅助工具实现多种工艺，满足不同地层与地质要求的钻探取样需求（张永勤等，2003），但国内矿产勘查工作中，多工艺钻探工作量设计非常少，组合钻探工艺应用与推广机会较少，由钻探设备、钻进工艺、钻探方法等组成多工艺钻探技术体系尚不完善。

4 多工艺钻探在浅覆盖区矿产勘查中的应用

4.1 多工艺钻探技术应用情况

浅覆盖区矿产勘查技术方法一直是国内外广泛关注的热点。受外来运积物影响，常规化探方法在覆盖区难以奏效，利用钻探连续采集覆盖层—残积物—基岩等实物岩矿样品，开展地球化学分析，是一种有效的浅覆盖区找矿手段（任天祥和谢学锦，2010）。2006年以来，北京探矿工程研究所先后与中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所、武警黄金指挥部第二支队、青海省第五地质矿产勘查院等单位合作，采用以空气钻进为主的多工艺钻探技术分别在新疆东天山成矿带、内蒙古大兴安岭成矿带、青海祁漫塔格成矿带等重点调查区开展了不同勘查阶段的浅钻地球化学技术研究与试验（图4），取得了一系列研究成果（喻劲松，2013；杨帆等， 2015；谭春亮等，2016）。

通过对不同景观条件的浅覆盖区应用多工艺钻探开展不同阶段的浅钻化探方法技术试验研究，以及浅钻区域地球化学调查、异常查证、普查、详查、追踪定位矿化体、浅覆盖区资源潜力地球化学定量预测评价及地质地球化学立体填图等系列浅钻地球化学测量技术方法的应用研究，取得了以下认识：

（1）利用多工艺钻探采集自地表至基岩的不同覆盖结构单元层样品，可以提取到有效的化探异常，用以分析研究浅覆盖区不同沉积单元元素地球化学分布规律、揭露被覆盖区域下伏地层岩性变化特点（孔牧等，2015）。

（2）通过开展不同景观条件、不同覆盖类型的多工艺钻探技术研究与试验，总结了一套与地质要求、景观条件、地层特征相匹配的设备选型、工艺方法、地质取样和质量控制技术方法，并开展了钻探经济性分析与对比。实践表明：以空气钻进为主的多工艺钻探效率是岩心钻探的 3～5 倍，成本降低 1/3 以上（江宁成等，2007；杨恺等，2015；陈勇等， 2021）。

（3）总结了适用于不同勘查比例尺的采样密度、采样方法、采样部位、采样介质等技术要点，提出了中国浅覆盖区应用机动浅钻的地球化学勘查技术方法，并制定了地球化学浅钻测量技术规程，为浅覆盖区矿产勘查提供技术支撑（喻劲松， 2013）。

（4）利用“多工艺钻孔+元素化探分析+地形”可以构建各元素的三维地质地球化学图。利用钻孔在三维立体空间上进行取样分析，了解各元素在覆盖层和岩石中三维空间上的含量变化，构建由点（钻孔剖面）—面（分层截面）—三维立体（浅覆盖区风化地壳）组成的地质地球化学填图模型，以内蒙古东部浅覆盖区风化地壳 Ag元素为例（图5），说明通过构建三维地质地球化学分布模型，可以清晰判断元素含量高低与分布位置变化等。

4.2 存在的问题

多工艺钻探在水文水井、岩土工程、石油钻探等领域已经得到了广泛应用，但在地质矿产勘查领域应用较少，这与国内矿产资源储量评价以岩心钻探为主有关，另一方面，多工艺钻探技术体系的不完善也是制约了该技术发展的重要原因，结合近年来多工艺钻探在浅覆盖区找矿中的应用情况，梳理存在的问题如下：

（1）国内多工艺钻探设备自动化水平较低，配套工艺器具还有差距。多工艺钻探一般采用双壁钻杆，单体重量较大，对钻机的机械化、自动化水平要求较高，国外多工艺钻探技术的广泛应用，促进了设备的更新迭代，钻机基本实现了自动化作业、数字化操控等功能；国内通过引进吸收、技术创新已经取得了很大进步，但在钻机可靠性、自动化水平、工艺器具标准化生产等方面还有较大进步空间。如国内多工艺钻机一般采用人力加减钻杆，劳动强度较大，双壁钻杆一般采用订单式生产，各生产厂家在钻杆内外径尺寸、丝扣规格、密封性、耐磨性等方面标准不统一，内外管间经常存在串气、漏气等问题（黄晟辉等，2019），岩样收集与缩分设备与国外差距较大等（邓梦春等，2013）。

（2）多工艺钻探在地质矿产勘查中规模性应用少，不同钻探工艺组合的地层适用性研究较少，技术体系还不成熟。以 RC 钻探为例，国内主要用在加密钻孔、生产探矿等钻探工作量，在矿产普查、详查和勘探等复杂勘查场景系统性应用较少，行业对其在找矿中的应用效果，认识尚未统一，还需加强多工艺钻探技术的宣传与推广，加大钻探工艺与地质要求、地层条件的适用性研究，完善钻探技术体系。

（3）多工艺钻探相关的勘查规范不完善，特别是适用于现场的实施细则与质量控制标准。非全孔取心钻探工艺无法按照岩心钻探规范详细描述岩石矿体的构造与产状，建议结合地质目的和钻探工艺特点，制定多工艺钻探实施细则，规范施工流程、取样缩分流程、界定采取率、质量控制规范等，通过完善钻探标准体系，促进多工艺钻探的推广应用。

5 结语

以空气反循环连续取样为代表的多工艺钻探技术，作为按品位圈定矿岩界线、控制矿石品位、甚至作为地质勘探的一种手段，在国外矿山生产探矿中已得到广泛使用，得到广大业内人士的认可，被称作是继绳索取心之后，又一项技术革命，可见其在技术上和经济上的可行性。多工艺钻探同样适用于中国的地质矿产勘查工作，在新一轮找矿突破战略行动，特别是浅覆盖区找矿中，研究与应用绿色、高效、适用的多工艺钻探技术，可提高矿产勘查效率。

（1）多工艺钻探可以发挥不同钻探工艺的技术优点，提高钻探验证效率。利用跟管钻进快速穿透覆盖层，实现松散层护壁和快速成孔；利用空气反循环钻进实现以获取矿物成分、控制矿体品位为目的的快速取样；利用水力反循环钻进实现地下水位浅、水量大，中硬岩地层的连续取心；多工艺组合钻探解决覆盖层、破碎岩矿层等复杂地层钻进难题等。

（2）加强地质与钻探的融合，升级多工艺钻探产业链条。通过增加多工艺钻探的应用场景，提高地质矿产勘查领域认可度，从地质要求、钻探设计等需求端发力，推动多工艺钻探技术的应用；同时，完善多工艺钻探技术体系，研制可靠性强、自动化程度高的多工艺钻机，高效的钻具组合与级配，科学的钻探工艺参数，绿色的取样与除尘系统等，实现技术产品全产业链条标准化。

（3）完善钻探行业标准和规范，培养专业技术人才。紧密结合新一轮地质找矿需求，完善钻探行业标准体系，实现多工艺钻探规范操作，加强培养多工艺钻探技术人才，通过规模化应用，构建适用于不同地质目的、不同矿种类型、不同地层条件的多工艺钻探技术体系，提高矿产勘查效率。

参考文献