劉 蓓，寇少磊，朱芝同，楊 可*，張 晨，張 雄，牛恩寧

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心，陜西 西安 710100；2.中國地質(zhì)科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000；3.北京集佳知識產(chǎn)權代理有限公司西安分公司，陜西 西安 710100）

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟發(fā)展，生態(tài)文明建設地位和作用日益凸顯。習近平總書記提到“生態(tài)環(huán)境保護是功在當代、利在千秋的事業(yè)”，因此要正確處理好經(jīng)濟發(fā)展同生態(tài)環(huán)境保護的關系，推動綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展。綠色勘查工作在國內(nèi)起步較晚，近些年，在國家相關政策大力支持與鼓勵下，綠色勘查技術研究和推廣工作發(fā)展迅速，取得了良好的環(huán)保效益和眾多成效。

2015-2020 年，國內(nèi)逐步探索研究綠色勘查工作技術和方法，貴州省西南能礦集團率先探索出了貴州固體礦產(chǎn)綠色勘查技術經(jīng)驗；中國地質(zhì)調(diào)查局探礦工藝研究所探索了高原生態(tài)脆弱區(qū)綠色勘查鉆探技術體系；青海省有色地勘局創(chuàng)造了生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)的“多彩模式”勘查方法，并開始在全國倡導綠色勘查。同時，國內(nèi)綠色勘查相關政策和法規(guī)也在不斷地更新完善，自然資源部、部分?。ㄗ灾螀^(qū)）以及地勘行業(yè)團體針對綠色勘查工作逐步發(fā)布了相關要求和標準規(guī)范，自然資源部明確提出了調(diào)整對生態(tài)環(huán)境影響大的勘查技術方法，開展綠色勘查項目示范工作，已評選出95 個綠色勘查示范項目，加快了建立新時代綠色勘查管理制度和標準規(guī)范體系。2021 年，自然資源部印發(fā)《關于促進地質(zhì)勘查行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導意見》特別提到推進綠色勘查和綠色礦山建設，國內(nèi)綠色勘查技術和標準體系現(xiàn)已基本建立起來，現(xiàn)行綠色地質(zhì)勘查相關標準見表1。

表1 國內(nèi)現(xiàn)行綠色地質(zhì)勘查相關標準Table 1 Current standard of green geological exploration in China

2020-2021 年，西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心分別在陜西省和青海省開展地質(zhì)鉆探工作。陜西省明確規(guī)定在核心保護區(qū)、重點保護區(qū)實施戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源勘查項目，應當依法進行環(huán)境影響評價，并提出堅持依法勘查、規(guī)范工程施工、綠色達標驗收等具體工作要求；青海省規(guī)定提出最大限度減少對生態(tài)環(huán)境的不良影響［1］。施工單位應采取有效的技術和措施，做好安全文明施工、生態(tài)環(huán)境保護等各項管理工作，自然資源主管部門應認真核實綠色勘查工作實施情況。為貫徹推進和落實好以上相關要求，結合戰(zhàn)略性礦產(chǎn)地質(zhì)勘查工作實際所需，西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心配備了一批便攜式模塊化鉆機，并科學組織綠色地質(zhì)鉆探試點和推廣應用工作，獲得了良好的應用效果和經(jīng)濟效益，順利完成了地質(zhì)工作目標，有效服務和支撐了綠色地質(zhì)勘查工作。

1 鉆機簡介

1.1 鉆機基本參數(shù)

表2 EP600 系列鉆機性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of EP600 series drilling rig

1.2 鉆進工藝特點

便攜式模塊化鉆機以動力頭高轉速實現(xiàn)鉆頭快速切削碎巖為優(yōu)勢，采用“薄壁系列鉆桿+薄壁系列繩索取心鉆具+無（或低）固相沖洗液”薄壁金剛石繩索取心鉆探工藝［3-4］，鉆進口徑以HTW（96.4 mm）-NTW（75.9 mm）-BTW（60.1 mm）級配為主，鉆進采用無固相或低固相沖洗液。該鉆進工藝具有以下幾點優(yōu)勢：

一是鉆桿可作為護壁套管使用，實現(xiàn)不提鉆換口徑鉆進。在鉆進不穩(wěn)定地層時，薄壁系列鉆桿可作為套管實現(xiàn)不提鉆護壁，即直接作為護壁套管，只需換小一級口徑鉆具組合即可繼續(xù)正常鉆進。以HTW 口徑鉆進為例，若鉆進過程中發(fā)生嚴重的坍塌、掉塊等情況，造成事故（卡鉆或埋鉆）致使鉆具無法回轉或起拔，則只需換為NTW 口徑鉆進即可。需要注意的是必須先打撈出HTW 鉆具中內(nèi)管總成，使用NTW 鉆頭磨銑掉HTW 鉆頭內(nèi)臺階，NTW 鉆具通過后方可正常鉆進［5］。

二是薄壁系列與標準Q 系列繩索取心鉆具相比［6-7］，具有以下優(yōu)勢：（1）薄壁鉆頭碎巖效率較高，鉆速快。鉆頭底唇與巖石接觸面積少，孔底扭矩阻力小，鉆頭切削巖石的環(huán)狀面積小，H 口徑和B 口徑分別減少了19%，N 口徑減少了28%（見圖1），結合鉆機的高轉速，巖石切削速度快，可獲得較高的鉆進速度；（2）薄壁系列鉆具取心直徑更大，H 口徑取心體積提高了23%，N 口徑和B 口徑分別提高了36%（見圖2），能夠更好滿足地質(zhì)技術質(zhì)量要求；（3）孔壁環(huán)狀間隙較小，鉆柱整體具有滿、直的特點，可有效控制孔斜，一定程度上可抑制孔壁掉塊卡鉆，鉆孔安全性較高。薄壁系列與標準Q 系列鉆桿環(huán)狀間隙對比見圖3。

圖1 不同系列鉆頭切削面積對比Fig.1 Cutting area comparison between different series drill bits

圖2 不同系列巖心直徑對比Fig.2 Comparison of different series core diameter

圖3 不同系列鉆桿與孔壁環(huán)狀間隙對比Fig.3 Comparison between different series drill rod and hole wall annular gap

需要注意的問題，便攜式模塊化鉆機的鉆進參數(shù)選擇確定，要結合工作區(qū)地質(zhì)條件、地形地貌及鉆孔技術要求等因素，才能獲得較高的工程質(zhì)量與較好的經(jīng)濟效益。

1.3 鉆機優(yōu)勢

模塊輕量化設計，80%以上結構件采用高強度鋁合金材料，機身輕便易于搬運［8］；機臺占地破壞面積少；液壓系統(tǒng)高度集成，全液壓驅動，無級調(diào)速，液壓管路快速插接接頭，安拆快速［9］；頂驅式動力頭，油缸推進，無需倒桿，鉆機操作性好；動力輸出穩(wěn)定，噪聲小，機械故障率較低，維護保養(yǎng)簡單；作業(yè)省時省力，機臺作業(yè)每班組僅需2～3 人即可開展工作，工人勞動強度低，現(xiàn)場作業(yè)安全風險?。ㄒ妶D4）。

圖4 鉆機作業(yè)現(xiàn)場Fig.4 Drill working site

2 工區(qū)概況

2.1 地形地貌

工作區(qū)主要在陜西和青海兩地（見圖5）。陜西秦嶺工作區(qū)分布在陜西商洛丹鳳、漢中寧強和安康旬陽地區(qū)，區(qū)內(nèi)都有公路相通，交通較為便利，屬中低山區(qū)，地表第四系覆蓋層厚為0～6 m 不等，地形切割強烈，山勢陡峭，植被覆蓋茂密，以高大落葉闊葉植被為主，溝谷溪流常年有水，季節(jié)性雨水豐沛，國家級野生保護動植物豐富。青海工作區(qū)在魚卡地區(qū)，地處柴達木盆地北緣，屬青海省海西州大柴旦行政委員會管轄，海拔在3000～4000 m 之間。工區(qū)內(nèi)少量區(qū)域有失修的道路可通行，大部分區(qū)域車輛無法通行，交通極其不便。地表水系極少，植被稀疏，山勢陡峻，多為禿山荒漠且沙漠化較嚴重，屬典型的高原荒漠型景觀。

圖5 便攜式模塊化鉆機在工作區(qū)的應用Fig.5 Application of portable modular drill in working area

2.2 地層巖性

陜西秦嶺工作區(qū)地層巖性主要為片巖、片麻巖、角閃巖、花崗巖、千枚巖、硅質(zhì)千枚巖、砂巖、石英砂巖、石英閃長巖、板巖、碳質(zhì)板巖、石灰?guī)r、白云巖等，地層較完整、風化程度較弱；青海魚卡工作區(qū)揭露的地層巖性主要為云母石英片巖、二云母片巖、榴輝巖、糜棱巖、大理巖等，地層裂隙發(fā)育，淺層風化程度較強。工作區(qū)地層情況見圖6。

圖6 工作區(qū)地層主要巖性Fig.6 Main lithology in the working area

3 應用情況

3.1 因地制宜，保障任務，提升成效，降低環(huán)境影響

（1）因地制宜應用便攜式模塊化鉆機，有力保證了鉆探任務順利完成。

農(nóng)作物的各種農(nóng)藝性狀通常為數(shù)量性狀，而且相互影響，相互關聯(lián)。根據(jù)紅花主要農(nóng)藝性狀間的關系，對產(chǎn)量影響最大的分枝總數(shù)與莖粗、株高、單株有效果球數(shù)[9]密切相關，在栽培上，應以提高單株有效果球數(shù)為主攻方向，而把單株無效果球數(shù)、一級分枝數(shù)控制在適當?shù)乃缴蟍10]。種子百粒重和第1級分枝數(shù)可以作為豐產(chǎn)栽培的主攻性狀[11]。通過調(diào)整播種期和種植密度對莖粗進行調(diào)節(jié)，適時早播的紅花莖粗較粗，種植密度越稀莖粗越粗。

結合工區(qū)地質(zhì)地形條件、物資保障環(huán)境、鉆孔質(zhì)量要求和費用成本等因素，科學合理選用便攜式模塊化鉆機，可達到事半功倍的效果。2020-2021年，采用便攜式模塊化鉆機分別在陜西商洛丹鳳、漢中寧強、安康旬陽和青海魚卡4 個工作區(qū)試點開展工作，共完成巖心鉆孔30 個，累計完成工作量8799.64 m，詳見表3。分析表3 數(shù)據(jù)，單孔設計深度大部分在200～400 m，平均臺月效率為652.37 m。鉆進7 級及以下的巖層，最高臺月效率達到了1008.68 m（灰?guī)r地層），最低臺月效率為323.25 m（千枚巖、長石石英砂巖地層），平均臺月效率為697.19 m；鉆進8 級及以上的巖層，臺月效率僅為211.39～293.12 m（花崗巖、石英片巖、榴輝巖地層）?？梢钥闯觯貛X工作區(qū)內(nèi)巖石級別普遍較低，為中等硬度以下，結合地形地貌情況，選用便攜式模塊化鉆機開展鉆探工作較為科學合理［10］。同時，在巖石級別較高的花崗巖地層（ZK5801）、榴輝巖和石英片巖地層（ZK803、ZK3602）開展鉆探工作，該鉆機的施工效率則非常低，表現(xiàn)出不適用于硬巖及以上的地層?？偟膩砜?，便攜式模塊化鉆機較適于巖石級別為中硬以下的地層，此次鉆機試點應用取得了良好的預期效果。

（2）實施“一基多孔”以及小傾角鉆孔鉆進技術，大力提升綠色地質(zhì)鉆探工作成效。

安康旬陽工作區(qū)地形切割強烈，山高坡陡，地表基巖裸露，鉆孔孔位選址和道路修筑非常困難。考慮施工作業(yè)安全管理風險，通過反復溝通和論證，鉆孔定于山體較為穩(wěn)定和便于修筑機臺的有利位置，采用便攜式模塊化鉆機實施“一基兩孔”即ZK001和ZK002（見表3），成功解決了以上施工諸多困難。一是有效降低了設備安拆運輸與道路修筑等輔助時間，加快了鉆探工程總體進度，降低了費用成本；二是可極大減少因機臺和道路修筑而破壞地表植被，既滿足了地質(zhì)任務，又能最大限度降低地表破壞，體現(xiàn)了綠色勘查工作思想［11］。同時，與傳統(tǒng)立軸鉆機相比，便攜式模塊化鉆機施工的鉆孔傾角設計范圍更寬，可滿足小傾角淺孔鉆探施工技術要求，例如商洛丹鳳工作區(qū)ZKC01、ZKC21 以及安康旬陽工作區(qū)ZK1501、ZK7-1 均為小傾角鉆孔（參見表3），鉆進作業(yè)存在一定的難度，采用該鉆機均順利高效完成了鉆孔施工任務。

表3 各工作區(qū)便攜式模塊化鉆機施工效率情況Table 3 Working efficiency of portable modular drill in different working area

（3）鉆探工程臨時占地面積得到控制，有效降低了環(huán)境影響程度，獲得了良好的效益。

鉆探工程占地始終堅持“盡量不占用耕地和永久基本農(nóng)田，嚴格控制林草地的占用規(guī)模，充分利用荒地和植被稀疏區(qū)域”的原則，鉆探場地和物資運輸臨時便道用地得到了有效控制。鉆孔孔位選址要綜合考慮地質(zhì)目標要求、工程布設可行性、安全風險以及經(jīng)濟成本等因素，鉆探場地要因地制宜合理利用有限空間實行分區(qū)布設，科學規(guī)劃鉆探裝備物資的運輸進出場的路線方案，宜采用環(huán)境擾動小的修筑、開挖方式，以最大程度上減少臨時占用地和地表開挖破壞規(guī)模。通過便攜式模塊化鉆機的應用和統(tǒng)計分析，該鉆機臨時占地規(guī)模與傳統(tǒng)立軸式鉆機相比，鉆探場地占用或修筑面積可減少80%～85%，臨時便道占用或修筑面積可減少60%～65%。同時，堅持臨時運輸便道可利用現(xiàn)有便道的盡量不修筑，極大減少了人工活動對自然環(huán)境的影響程度。模塊化鉆機與傳統(tǒng)立軸式鉆機作業(yè)經(jīng)濟成本相比，經(jīng)測算單機臺綜合費用成本可節(jié)省12.18～18.91 萬元/年，人員、臨時用地（青苗）補償、綠色環(huán)保材料及復墾復綠等綜合費用成本降低了約40%［12］，獲得了良好的社會和經(jīng)濟效益。

3.2 創(chuàng)新技術方法，提高鉆探工程質(zhì)量和效率

（1）初步探索出“便攜式模塊化鉆機+高效碎巖鉆頭+環(huán)保沖洗液”的綠色勘查鉆探技術方法。

結合模塊化鉆機高轉速的優(yōu)勢，通過在硬-堅硬花崗巖地層開展N 口徑鉆頭試驗，優(yōu)選不同參數(shù)的金剛石鉆頭，并通過處理優(yōu)化鉆頭結構形式，對碎巖效率進行了研究探索，發(fā)現(xiàn)齒輪鉆頭（5 號鉆頭）在相同鉆進參數(shù)情況下，減少鉆頭與巖石的接觸面積，鉆進效率平均提高了1.8 倍（5 號鉆頭處理），鉆頭試驗效果見表4。通過優(yōu)化鉆頭底唇結構有效提高了鉆進效率，縮短了施工工期和對周圍環(huán)境的擾動周期［13］，節(jié)約了施工成本，減少了廢物的產(chǎn)（排）出量。同時，在沖洗液使用方面，優(yōu)選無毒、無害、可自然降解的環(huán)保型沖洗液材料，控制污染來源；比較復雜不穩(wěn)定地層采用低固相沖洗液，以確保鉆孔安全和質(zhì)量；較穩(wěn)定完整地層采用高潤滑性沖洗液材料或使用鉆桿潤滑脂［14-20］，以降低鉆孔壁摩阻力，減少鉆機功率損耗，保證動力頭高轉速。

表4 金剛石鉆頭試驗Table 4 Diamond bit tests

（2）結合鉆機優(yōu)勢，探索研究信息化技術服務，提升綠色鉆探工作質(zhì)量。

研究開發(fā)鉆探施工數(shù)字化與動態(tài)監(jiān)測信息系統(tǒng)［21-25］，主要包括3 部分內(nèi)容：一是實現(xiàn)原始班報表的數(shù)字化記錄、自動計算存儲、查詢和傳輸；二是實現(xiàn)鉆進參數(shù)實時采集、存儲、報警與遠程傳輸監(jiān)控；三是實現(xiàn)鉆探工程“全生命周期”管理信息化。目前，已完成“地質(zhì)巖心鉆探班報表數(shù)字化錄入系統(tǒng)”應用程序開發(fā)，移動設備（安卓系統(tǒng)）即可安裝使用［26］。該應用程序可實現(xiàn)無紙化現(xiàn)場辦公，能有效提高現(xiàn)場報表記錄效率，降低人工計算錯誤率，自動生成電子版文檔，便于鉆探原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、存儲與共享，極大地提高了數(shù)據(jù)的分析利用效率。

3.3 環(huán)境保護與治理措施

為加強作業(yè)場地防護，減少環(huán)境污染，實行了生產(chǎn)作業(yè)全流程的控制。嚴格沖洗液材料消耗和使用管理，探索沖洗液循環(huán)系統(tǒng)和凈化處理措施，采用可移動式沉淀箱體，避免地表開挖破壞，廢棄沖洗液經(jīng)過沉淀或絮凝實現(xiàn)固液分離，避免沖洗液外排污染環(huán)境；臨時蓄水探索采用柔性（帆布）可折疊輕便式儲水池，減少了地表植被破壞；機臺內(nèi)鋪設防滲材料有效防止了油脂和廢液污染地表土體；廢油脂類材料集中收集處理，施工作業(yè)結束后可用于鉆探設備零部件潤滑清洗和管材的存儲保養(yǎng)，廢油脂得到了充分利用［27］。減少浪費和環(huán)境污染，基本實現(xiàn)了經(jīng)濟和環(huán)保雙贏。

鉆探工程結束后開展環(huán)境恢復治理工作。鉆探場地及時清理現(xiàn)場廢料、廢液及垃圾等，并進行地形地貌恢復治理。復墾復綠遵循自然規(guī)律因地制宜，宜林則林，宜草則草，宜耕則耕、宜荒則荒［28］。復墾復綠還要做好維護管理工作。秦嶺工作區(qū)植被覆蓋區(qū)復綠面積達到了95%以上，農(nóng)田復耕率達到了100%（見圖7）；青海魚卡工作區(qū)用地屬于工業(yè)性質(zhì)用地，為基巖裸露區(qū)［29］，高原荒漠型景觀，根據(jù)地方自然資源主管部門要求實施了現(xiàn)場垃圾清理和地形地貌恢復工作。

圖7 臨時用地恢復治理效果Fig.7 Temporary land recovery result

3.4 綠色勘查管理工作探索

一是加強綠色勘查管理體系建設，為綠色勘查工作提供制度保障。完善本單位綠色地質(zhì)勘查作業(yè)管理辦法，制定綠色勘查工作總目標和方案，項目結合所在工作區(qū)地方政策要求，編制勘查項目環(huán)境影響報告、臨時用地復墾方案以及具體的綠色勘查實施方案等。施工作業(yè)制定現(xiàn)場管理實施細則，約束了從業(yè)人員的工作行為。二是探索高質(zhì)高效的組織管理模式。實行項目-機臺-班組的三級管理，把機臺綠色勘查年度目標完成情況納入年終考評，不同層級的相關人員考核與所屬機臺考評情況關聯(lián)，促使管理人員和從業(yè)人員認識到綠色勘查工作的重要性，確保綠色地質(zhì)勘查工作有效實施。三是提升勘查技術，培育和宣傳綠色勘查理念。重視鉆探技術水平提升工作，堅持“理論+實踐”和“請進來+走出去”的基本思路，對從業(yè)人員進行技術實操訓練，與局內(nèi)、外行業(yè)單位加強交流學習，依托相關單位提升業(yè)務能力。針對野外工區(qū)特點，加強從業(yè)人員的綠色地質(zhì)勘查培訓，向地方群眾、學校和政府宣傳綠色地質(zhì)勘查工作理念［30-31］，把地質(zhì)勘查工作與駐地需求相結合，以獲得地方政府與群眾的理解與支持。

4 成果與建議

4.1 取得的成果

（1）因地制宜應用便攜式模塊化鉆機，配套科學的鉆探技術方法，如“一基多孔”以及小傾角鉆孔鉆進技術，提升了鉆探工程質(zhì)量和效率，有效控制了環(huán)境影響程度，獲得了較好的社會和經(jīng)濟效益，提升了綠色地質(zhì)勘查工作成效。

（2）結合便攜式模塊化鉆機研究創(chuàng)新，初步探索出了“便攜式模塊化鉆機+高效碎巖薄壁鉆頭+環(huán)保沖洗液”的綠色勘查鉆探技術方法，鉆探工程信息化工作也取得了初步進展，鉆探班報表錄入系統(tǒng)的應用可實現(xiàn)鉆探原始數(shù)據(jù)快速流動和存儲共享，提高數(shù)據(jù)分析利用效率。

（3）初步探索出了綠色勘查管理工作方法，綠色地質(zhì)勘查工作關鍵點在組織管理和保障措施，管理得當，制度保障有力，可確保綠色勘查工作有效落地。

4.2 下一步工作建議

（1）繼續(xù)探索提升便攜式模塊化鉆機配套技術和工藝。發(fā)揮便攜式模塊化鉆機特點，深入研究小傾角（或水平）鉆進技術，試點應用該鉆機實現(xiàn)“以鉆代槽”技術，服務地質(zhì)勘查工作。

（2）完善制度，持續(xù)加強鉆探工程精細化管理。完善綠色勘查相關工作制度，明確從業(yè)人員的責權利之間的關系，激發(fā)工作人員積極性。鉆探工程實施活動中人是關鍵，注重從業(yè)人員的綜合教育，提升業(yè)務素養(yǎng)，加強技術經(jīng)驗積累，培養(yǎng)良好的環(huán)保和經(jīng)濟成本意識，細化鉆探工程現(xiàn)場責任分工，以實現(xiàn)施工組織管理往精準化方向轉變。

（3）繼續(xù)深入推進鉆探信息化建設。試點應用鉆探班報表數(shù)字化錄入系統(tǒng)，根據(jù)使用中發(fā)現(xiàn)的問題不斷優(yōu)化，以達到可提供強大的功能和友好的操作環(huán)境，提升使用客戶滿意度；結合便攜式模塊化鉆機的優(yōu)勢，攻關鉆探數(shù)據(jù)采集及遠程監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)鉆進參數(shù)實時監(jiān)測和采集（包括鉆壓、轉速、鉆速、扭矩、泵壓/泵量、稱重、鉆機發(fā)動機功耗、鉆機運行溫度、電壓及時間統(tǒng)計、設備保養(yǎng)時間提醒等），讓數(shù)據(jù)流動和利用起來，通過后臺管理分析研究，給鉆探現(xiàn)場提供決策依據(jù)，為綠色地質(zhì)勘查工作錦上添花。