李進(jìn)喜，程遠(yuǎn)秋

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第一地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450000)

0 前 言

改革開放以來，中國經(jīng)濟(jì)一直在高速發(fā)展，資源消耗成倍增加。隨之而來的是后備資源嚴(yán)重不足，據(jù)統(tǒng)計國內(nèi)緊缺需大量進(jìn)口的金屬礦產(chǎn)有鐵、銅、鋁、鎳、鉻、錳等。地質(zhì)找礦比以前難度更大，地表出露礦產(chǎn)越來越少，深部找礦遠(yuǎn)比地表困難。探礦技術(shù)，特別是鉆探工藝幾十年來幾乎沒有突破性進(jìn)展。傳統(tǒng)鉆探投資大，進(jìn)度慢，周期長，風(fēng)險高，在市場經(jīng)濟(jì)條件下這些不利因素又進(jìn)一步影響了投資人的心態(tài)。這也是近年來國內(nèi)探礦成果太少的一個主要原因。另一方面，新技術(shù)革命的飛速更新改變了我們生活的方方面面，探礦技術(shù)的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他工業(yè)技術(shù)。

隨著國家和社會對環(huán)保的日益重視，綠色礦山建設(shè)成為新形勢下礦產(chǎn)資源管理與礦業(yè)發(fā)展的重要方向和工作抓手。而勘查位于礦業(yè)的最前端，是礦業(yè)發(fā)展不可缺失的起點，“如何開展綠色勘查，從源頭上保護(hù)生態(tài)環(huán)境”成為今后乃至長遠(yuǎn)勘查的主要理念。以綠色發(fā)展理念為引領(lǐng)，以科學(xué)管理和先進(jìn)技術(shù)為手段，通過運用先進(jìn)的勘查手段、方法、設(shè)備和工藝，實施勘查全過程環(huán)境影響最小化控制，最大限度地減少對生態(tài)環(huán)境的擾動，并對受擾動生態(tài)環(huán)境進(jìn)行修復(fù)的勘查方式將是未來的發(fā)展方向。

傳統(tǒng)地質(zhì)勘查工作確實給生態(tài)環(huán)境帶來一系列影響，包括對植被和地表的擾動或破壞，對地表水、地下水的影響，機(jī)場占地、油污污染、廢棄物、揚塵等。勘查位于礦業(yè)行業(yè)最前端，實行綠色勘查可以從源頭上保護(hù)生態(tài)環(huán)境，減少植被破壞、降低環(huán)境污染和提高生態(tài)恢復(fù)治理效益，實現(xiàn)資源的綠色開發(fā)、綠色應(yīng)用、綠色發(fā)展。

激光技術(shù)是近年來飛速發(fā)展的一項技術(shù)，在金屬打孔，切割，寶玉石加工等方面已被廣泛應(yīng)用。近年來國內(nèi)外多個部門已開展激光鉆探在石油成井方面的研究，本文旨在探討激光鉆探在金屬探礦方面的可行性。利用激光的強(qiáng)能量迅速讓巖石氣化，在孔口用光譜分析儀捕捉高溫氣體，分析其中的元素含量，配合激光測深技術(shù)和計算機(jī)自動處理技術(shù)，迅速得出各孔的元素含量，從而摸清地下資源分布情況。

1 激光鉆探的可行性分析

1960年美國加州Hughes實驗室發(fā)射出第一束激光[1]。1971年，美國聯(lián)合飛機(jī)研究中心的Carstens J P和Brown C O成功完成了激光切割巖石試驗[2]。1997年芝加哥天然氣研究院和科羅拉多礦業(yè)學(xué)院研究結(jié)果表明：大功率激光器能為4 500 m井深鉆井破巖提供足夠能量[3-4]。俄羅斯和美國于2000年完成激光鉆井破巖的室內(nèi)試驗，發(fā)現(xiàn)根據(jù)巖性不同，激光破巖速度是傳統(tǒng)鉆機(jī)的10～100倍[5-6]。易先中等[7]進(jìn)行激光破巖機(jī)理與射孔技術(shù)的研究，發(fā)現(xiàn)在室內(nèi)進(jìn)行泥質(zhì)砂巖和頁巖試樣的破巖速度可達(dá)105～115 m/h。易先中等[8]進(jìn)行的激光射孔破巖的儲層物性研究，發(fā)現(xiàn)隨激光工作參數(shù)變化，巖石的熱形變有碎裂、熔化和氣化等不同情況。易先中等[9]進(jìn)行了激光破巖的排屑機(jī)理與溫度場特性研究，發(fā)現(xiàn)激光作用于巖石上，內(nèi)部會出現(xiàn)微裂紋，表面會出現(xiàn)焦跡、斑痕和釉化層，井壁有重凝和沉積情況發(fā)生。易先中等[9]建立的激光破巖溫度場等焓模型和Bjorndalen N等[10]建立的移動界面模型發(fā)現(xiàn)巖石相變的熱應(yīng)力場、應(yīng)變場、滲透率、孔隙度、導(dǎo)電性和溫度場密切相關(guān)。馬衛(wèi)國等[11]系統(tǒng)地總結(jié)了國內(nèi)外激光鉆井破巖技術(shù)研究與發(fā)展，其內(nèi)容包括激光與巖石、流體相互作用原理、巖石快速相變的熱力學(xué)與傳熱學(xué)、激光鉆井的安全與環(huán)保等方面內(nèi)容。韓彬、李美艷等[12-13]對激光輔助破巖的力學(xué)性能進(jìn)行研究，并做了可鉆性評價。周鵬[14]系統(tǒng)地對激光鉆井技術(shù)及其應(yīng)用前景進(jìn)行了分析。黃開釗[15]從激光發(fā)射裝置的參數(shù)、傳遞介質(zhì)、巖石特性特征等較為系統(tǒng)地分析了激光鉆井的影響因素。牟海維等[16]指出在激光功率和照射時間相同的情況下，有內(nèi)含物的巖石比無內(nèi)含物的巖石更容易碎裂。劉拓等[17]進(jìn)行花崗巖表面激光破巖預(yù)鉆孔工藝影響研究，結(jié)果表明：激光功率越大，輻照時間越長，去巖效果越好；激光功率為1 000 W 時，鉆孔效果較好。以上工作側(cè)重于激光鉆探在石油成井方面的研究，均未考慮在金屬探礦方面應(yīng)用。章婷婷等[18]用遠(yuǎn)程激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)分析巖石元素成分，實現(xiàn)探測2～10 m距離的目標(biāo)。截止目前還未有人提出在激光鉆井孔口對高溫氣體進(jìn)行光譜分析的思路。氣體光譜分析技術(shù)作為一種成熟的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在多個工業(yè)領(lǐng)域，把其小型化并整合到激光鉆機(jī)上，從理論上來說是可行的。

2 激光鉆探設(shè)備的組成

激光鉆探由以下幾個模塊組成：供電設(shè)備、GPS定位、激光發(fā)生器、光譜分析儀、氣體收集器、激光測深、計算機(jī)數(shù)據(jù)處理、打印輸出、無線傳輸?shù)冉M成，如圖1所示。

圖1 激光鉆探設(shè)備的組成

供電設(shè)備：一般用可搬運發(fā)電機(jī)，可放在交通方便地方，利用電纜和鉆探設(shè)備相連。

激光發(fā)生器：是鉆探核心設(shè)備，為節(jié)約能量，發(fā)射光束直徑可選厘米級、毫米級或亞毫米級，具體數(shù)據(jù)需在研究過程中試驗確定。

光譜分析儀：安裝在孔口，直接對孔內(nèi)溢出的氣體進(jìn)行分析。

激光測深：和鉆探同時進(jìn)行，用于對分析的元素含量數(shù)據(jù)進(jìn)行深度定位。

氣體收集器：孔口溢出的氣體，凝華后做化學(xué)分析，以校正光譜分析數(shù)據(jù)。

GPS定位：用于定位孔口地理坐標(biāo)，便于數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理。

計算機(jī)數(shù)據(jù)分析：把光譜分析，激光測深和GPS定位數(shù)據(jù)集中處理，為編制成果資料提供數(shù)據(jù)。

3 激光鉆探的應(yīng)用前景及優(yōu)缺點

根據(jù)不同孔深的成礦元素含量迅速定位成礦深度、厚度、含量等信息，多孔結(jié)合用以判定礦體規(guī)模、品位，估算資源儲量。根據(jù)不同孔深的造巖元素含量反演礦物組成，推斷巖石類型，結(jié)合地表地質(zhì)情況進(jìn)行三維地質(zhì)填圖。按一定網(wǎng)度布設(shè)激光鉆機(jī)，成果可制作區(qū)域或全國立體的地球化學(xué)圖，迅速摸清國土地下資源情況，確定后備礦產(chǎn)基地。

和傳統(tǒng)鉆探工藝想比，激光鉆探有以下優(yōu)點。

1)設(shè)備輕，搬運方便，易于安裝。

2)鉆進(jìn)深度大，理論上可以打穿地殼，打到軟流層上的任意深度。

3)鉆進(jìn)速度快，常規(guī)鉆機(jī)一個月的工作量，用激光鉆機(jī)一兩天就可以完成，新礦區(qū)用常規(guī)鉆探往往需要數(shù)年完成，而幾臺激光鉆機(jī)可在一個月內(nèi)完成探礦任務(wù)。

4)可以打任意方向孔，便于控制不同產(chǎn)狀的地質(zhì)體。

5)場地占用小，不污染環(huán)境。激光鉆井不需鉆具、套管、鉆井液、泥漿池，也不產(chǎn)生污水和巖屑。

6)孔徑小，不破壞地下水動力系統(tǒng)，不會對后期開發(fā)產(chǎn)生潛在危害。

7)激光能夠穿透各種類型巖石，高溫可使孔壁迅速熔結(jié)，減省孔內(nèi)事故發(fā)生率。

8)除能源外，幾乎不消耗其它材料。鉆進(jìn)速度快，所需人員少，可以進(jìn)一步降低人員成本。鉆機(jī)大批量制造，單機(jī)制造成本要低于傳統(tǒng)鉆機(jī)。

9)分析和鉆進(jìn)同步進(jìn)行，提高數(shù)據(jù)的獲取速度。

激光鉆探的現(xiàn)實困難有以下幾點。

1)現(xiàn)有規(guī)范，特別是儲量計算規(guī)范只認(rèn)可化學(xué)分析數(shù)據(jù)，對光譜分析數(shù)據(jù)的認(rèn)可還有待有關(guān)部門解決，這也是民營資本不愿投入研發(fā)的原因。

2)激光鉆探需要多種技術(shù)的組合，需要多個部門研發(fā)力量的互動，這需要國家組織專門機(jī)構(gòu)來協(xié)作完成。

3)孔徑的選擇，巖石高溫理化性質(zhì)的變化還需要大量試驗數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

激光探礦是一種新的探礦模式，金屬礦的激光鉆探技術(shù)在國際上尚屬空白，把光譜分析和激光鉆進(jìn)結(jié)合在一起實現(xiàn)快速探礦，如果該項技術(shù)走向應(yīng)用，將引領(lǐng)世界探礦模式邁向新的臺階，并將引領(lǐng)世界探礦行業(yè)走向一個新的技術(shù)時代。