綠色勘查技術(shù)在河北省古馬鐵礦鉆探工程中的應(yīng)用

趙志杰，丁寧寧，孔令璽，張博，曲國(guó)宇，趙興達(dá)

（河北省地礦局第二地質(zhì)大隊(duì)，河北 唐山 063000）

0 引言

礦產(chǎn)勘查是礦業(yè)開(kāi)發(fā)的前端和基礎(chǔ)，綠色勘查是礦產(chǎn)勘查中生態(tài)文明建設(shè)的重要體現(xiàn)。所謂綠色勘查，就是運(yùn)用綠色理念指導(dǎo)地質(zhì)勘查工作［1］。隨著礦產(chǎn)資源勘查工作量的加大，勘查與環(huán)境矛盾不斷出現(xiàn)，如槽探、鉆探施工的大型設(shè)備搬遷過(guò)程中進(jìn)場(chǎng)便道、施工場(chǎng)地對(duì)植被造成的影響，施工場(chǎng)地機(jī)械設(shè)備漏油及廢棄油料、廢棄泥漿、巖粉和生活生產(chǎn)垃圾等都會(huì)造成對(duì)環(huán)境的污染［2-4］。深孔鉆探施工周期長(zhǎng)，對(duì)施工場(chǎng)地地表土壤污染嚴(yán)重，機(jī)械設(shè)備修理過(guò)程中，廢棄油料的處置不當(dāng)污染地表土壤，存放油類(lèi)的臨時(shí)倉(cāng)庫(kù)、廢棄泥漿、巖粉如處理不當(dāng)也會(huì)污染地表土壤，鉆孔沖洗液漏失會(huì)污染地下水等。因此，采取針對(duì)性的技術(shù)措施防止破壞、污染生態(tài)環(huán)境，在當(dāng)前礦產(chǎn)勘查鉆探施工中是至關(guān)重要的［5-7］。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況及鉆探工程

古馬鐵礦礦區(qū)位于河北省灤州市城區(qū)西南15 km，行政區(qū)劃隸屬古馬鎮(zhèn)管轄。普查區(qū)處于灤河沖洪積扇頂部，地形平緩，地面標(biāo)高一般36～44.1 m。

礦區(qū)構(gòu)造屬于中朝準(zhǔn)地臺(tái)（Ⅰ2）燕山臺(tái)褶帶馬蘭峪復(fù)式背斜開(kāi)灤臺(tái)凹東部，冀東司（家營(yíng)）馬（城）長(zhǎng)（凝）鐵礦成礦帶的西部。

區(qū)域上主要以第四系覆蓋層為主，周邊出露零星殘山，出露基巖巖性為蓋層的長(zhǎng)城系、薊縣系石英砂巖和白云巖及基底的太古宙變質(zhì)巖。

基底地層屬太古宇單塔子群，為一套綠簾角閃巖相的中等變質(zhì)程度變質(zhì)巖。該層曾是冀東地區(qū)鐵礦的主要賦礦層之一。

基底構(gòu)造以北西向的斷裂構(gòu)造為主，褶皺構(gòu)造不明顯，總體地層產(chǎn)狀西傾。

本區(qū)域混合巖化作用強(qiáng)烈，混合花崗巖、混合巖大面積分布，成為太古宙基底的主體。

早在20世紀(jì)70年代就開(kāi)展了地質(zhì)勘查工作。本次主要是對(duì)1000 m以深進(jìn)行勘查，設(shè)計(jì)鉆孔1個(gè)，設(shè)計(jì)深度1500 m，傾角85°，方位60°。

2 傳統(tǒng)鉆探工程對(duì)環(huán)境的影響

2.1 鉆前的影響

巖心鉆探施工進(jìn)場(chǎng)便道的修復(fù)會(huì)損壞耕地青苗和樹(shù)木，對(duì)原地形、地貌進(jìn)行了改變；泥漿池、沉淀池的挖建需要損壞原地貌。鉆探機(jī)械設(shè)備進(jìn)場(chǎng)需要汽車(chē)?yán)\(yùn)和吊車(chē)（裝載機(jī)）裝卸，運(yùn)輸車(chē)輛的進(jìn)、出對(duì)耕地進(jìn)行碾壓。拉運(yùn)裝卸過(guò)程中產(chǎn)生的垃圾處理不當(dāng)而造成的環(huán)境污染［8-10］。

2.2 鉆進(jìn)施工過(guò)程中的影響

鉆進(jìn)施工過(guò)程中鉆機(jī)、泥漿泵、繩索取心絞車(chē)及其動(dòng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)等機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的尾氣、廢油、噪聲、沖洗液循環(huán)系統(tǒng)對(duì)地表土壤的污染；繩索取心絞車(chē)鋼絲繩飛濺的沖洗液對(duì)機(jī)臺(tái)地板及表層土壤的污染；修理機(jī)械設(shè)備時(shí)更換零件廢油、廢件處理不當(dāng)對(duì)環(huán)境的污染；沖洗液處理劑保存不當(dāng)、使用不當(dāng)，廢棄巖粉、廢棄沖洗液處理不當(dāng)對(duì)地表土壤的污染；機(jī)械設(shè)備的突然故障造成油料泄露，冷卻液泄漏污染場(chǎng)地，對(duì)地表土壤的污染［11］；鉆遇嚴(yán)重漏失地層，沖洗液漏失對(duì)地下水的污染；村莊附近施工，噪聲對(duì)村民的影響等。

生活、居住區(qū)，日常生活產(chǎn)生的廢棄物影響環(huán)境，例如生活垃圾、廚余垃圾等；臨時(shí)構(gòu)筑物，如帳篷、臨時(shí)廁所等，撤場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生廢棄物影響環(huán)境［12-13］。

2.3 鉆后的影響

鉆孔終孔停鉆后，封孔不當(dāng)造成地下水貫通，甚至影響地下水開(kāi)采，對(duì)地下水的污染，甚至影響居民生活用水質(zhì)量；鉆塔拆卸施工中，塔件隨意拋棄對(duì)樹(shù)木的破壞或?qū)Φ孛媲f稼（青苗）的損壞。

鉆機(jī)施工場(chǎng)地恢復(fù)過(guò)程中，泥漿池、沉淀池、蓄水池、循環(huán)槽中廢棄沖洗液、巖粉處理不當(dāng)，造成地表土壤污染，甚至發(fā)生沉陷事故，影響耕地種植農(nóng)作物。

3 綠色勘查技術(shù)的應(yīng)用

巖心鉆探施工，首先施工場(chǎng)地（機(jī)臺(tái)）、進(jìn)場(chǎng)便道的修造，都是影響環(huán)境的主要因素。河北省灤州市古馬鐵礦區(qū)為平原區(qū)，布置的鉆孔在農(nóng)作物耕田內(nèi)（見(jiàn)圖1）。鉆探工程在施工組織設(shè)計(jì)階段就要求有綠色勘查的工作計(jì)劃和措施，在鉆探施工過(guò)程中盡量少占施工場(chǎng)地，盡可能利用田間便道，施工結(jié)束后，嚴(yán)格按照綠色勘查設(shè)計(jì)要求做好環(huán)境保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)工作［14］。

圖1 施工現(xiàn)場(chǎng)為花生種植區(qū)Fig.1 Drilling site located in a peanut planting area

3.1 開(kāi)鉆前的準(zhǔn)備工作

由于鉆孔位置處于村莊附近，所以直接選取租用居民住房，統(tǒng)一安排生活區(qū)域，避免生活垃圾影響環(huán)境。在滿(mǎn)足施工要求的條件下，盡量少占用施工場(chǎng)地，載重量允許的情況下，選用小型運(yùn)輸車(chē)輛，利用田間便道，少修道路，少占用耕地；在滿(mǎn)足施工設(shè)備、管材、巖心擺放的情況下，施工場(chǎng)地15 m×15 m。對(duì)于鉆塔底梁下部（6 m×6 m）和泥漿池（2 m×2 m×1 m）、沉淀池（1 m×1 m×0.5 m）范圍內(nèi)，將開(kāi)挖的地表耕作土壤集中堆放，便于回填恢復(fù)耕地。鉆塔底梁范圍內(nèi)將表層土壤（深50 cm）開(kāi)挖后，采取人工平整、夯實(shí)，然后鋪設(shè)防滲布，防滲布上方擺放枕木，再安裝鉆塔底梁，避免鉆機(jī)廢油、廢棄泥漿污染地表土壤；機(jī)臺(tái)施工現(xiàn)場(chǎng)四周采用彩鋼瓦圍擋（高2.0 m），施工場(chǎng)地鋪設(shè)面包磚進(jìn)行硬化，避免鉆桿、套管直接堆放在原地表（見(jiàn)圖2、圖3）；按照鐵箱規(guī)格開(kāi)挖泥漿池、沉淀池，分別將鐵箱放置泥漿池、沉淀池內(nèi)，防止泥漿污染地表土壤，人工開(kāi)挖泥漿循環(huán)槽，將鐵質(zhì)循環(huán)槽（300 mm×300 mm）（見(jiàn)圖4）置于開(kāi)挖的循環(huán)槽內(nèi)，防止循環(huán)泥漿污染地表土壤。施工現(xiàn)場(chǎng)鉆桿、套管、巖心擺放整齊。施工現(xiàn)場(chǎng)擺放垃圾箱，生產(chǎn)垃圾集中存放和處置，生產(chǎn)工具有序擺放，嚴(yán)禁亂丟亂放，油料桶存放處底部鋪墊防滲布，以防污染場(chǎng)地。

圖2 施工現(xiàn)場(chǎng)彩鋼圍擋Fig.2 Color steel closure at the drilling site

圖3 施工現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)面包磚Fig.3 Laying of bread bricks at the drilling site

圖4 埋入地下的鐵質(zhì)循環(huán)槽、水箱Fig.4 Iron circulating tank and water tank buried underground

3.2 鉆探施工過(guò)程控制

3.2.1 合理選擇孔身結(jié)構(gòu)

為防止鉆進(jìn)時(shí)沖洗液的漏失，在沖洗液內(nèi)添加少量的“隨鉆堵漏劑”，確保沖洗液無(wú)滲漏。并將? 89 mm套管下入基巖5～8 m深度，換用?75 mm繩索取心鉆進(jìn)至終孔（見(jiàn)圖5）。

圖5 孔身結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Borehole structure

3.2.2 第四系覆蓋層施工

采用優(yōu)質(zhì)粘土配制泥漿，防止孔壁坍塌及漏失。泥漿配方：每立方米水加鈉土50 kg，腐殖酸鉀25 kg，磺化瀝青粉6 kg，火堿0.5～1 kg，純堿2 kg，羧甲基纖維素鈉（CMC）25 kg，聚丙烯酰胺6 kg。羧甲基纖維素鈉和聚丙烯酰胺分別提前用水浸泡、攪拌溶解，并將羧甲基纖維素鈉和聚丙烯酰胺水溶液按照體積比1∶5比例加入攪拌好的泥漿中。泥漿性能參數(shù)：蘇式漏斗粘度19 s，pH值9～10，密度1.03～1.05 g/cm3，失水量7.5 mL/30 min。采用此泥漿材料配方，有利于鉆孔護(hù)壁，防止泥漿滲漏，同時(shí)，有利于巖粉沉淀，便于收集巖粉。穿過(guò)第四系覆蓋層后，下入?108 mm套管，封堵第四系覆蓋層，下入?108 mm套管前向孔內(nèi)投擲適量粘土球，封堵套管底端，防止清水鉆進(jìn)時(shí)，沖洗液滲入套管外圍第四系地層內(nèi)，避免污染第四系地層水體現(xiàn)象發(fā)生。下好?108 mm套管后，將泥漿池內(nèi)泥漿采用吸污車(chē)將廢棄泥漿運(yùn)至當(dāng)?shù)卣付ǖ睦鴪?chǎng)，再采用清水補(bǔ)滿(mǎn)泥漿池，繼續(xù)鉆進(jìn)。

3.2.3 基巖鉆探施工

該礦區(qū)基巖為：混合花崗巖、磁鐵石英巖，巖石結(jié)構(gòu)完整。石英巖較硬，研磨性弱，采用合理的鉆進(jìn)工藝參數(shù)能夠提高鉆探施工效率，選用金剛石鉆頭胎體硬度是關(guān)鍵。采用環(huán)保型沖洗液：清水+切削膏（皂化油）+聚丙烯酰胺沖洗液即可達(dá)到清理孔底巖粉、冷卻鉆頭、潤(rùn)滑鉆桿的作用，又能達(dá)到不污染地下水的效果。鉆進(jìn)過(guò)程中的巖粉經(jīng)過(guò)沉淀池沉淀后，定期采用吸污車(chē)將摻有大量巖粉的沖洗液運(yùn)至當(dāng)?shù)卣付ǖ睦鴪?chǎng)地，并及時(shí)補(bǔ)給沖洗液。

3.2.4 施工機(jī)械設(shè)備管理

加強(qiáng)機(jī)械設(shè)備“班維護(hù)保養(yǎng)”，防止油料漏失影響環(huán)境。對(duì)于鉆機(jī)、泥漿泵、繩索取心絞車(chē)、攪拌機(jī)等機(jī)械設(shè)備實(shí)行每班定人保養(yǎng)，對(duì)于鉆機(jī)部分的立軸、滑道、鎖緊裝置及定位軸、下降偏心、提升偏心，對(duì)于泥漿泵的各部件之間的連接，機(jī)架在基礎(chǔ)上的固定，皮帶的松緊，泵體內(nèi)潤(rùn)滑油的部位，進(jìn)排水軟管的緊固及濾水器是否堵塞必須每班進(jìn)行潤(rùn)滑和檢查。減少機(jī)械設(shè)備故障及修理時(shí)間，避免機(jī)械設(shè)備故障的發(fā)生，防止油料漏失污染環(huán)境事故發(fā)生。

3.2.5 雨天施工

沿機(jī)臺(tái)四周開(kāi)挖排水槽，雨天時(shí)將機(jī)臺(tái)滲水集中排至儲(chǔ)水池，防止機(jī)臺(tái)內(nèi)的油污、廢漿通過(guò)雨水流至場(chǎng)地外的其他區(qū)域。施工設(shè)備漏油及時(shí)修復(fù)，不湊合使用，沖洗液供給系統(tǒng)，如：水泵、高壓管、水龍頭等漏漿時(shí)，立即停鉆修復(fù)［15］。

3.2.6 地下水的保護(hù)

預(yù)防鉆孔施工中造成地下水污染或破壞，做好鉆孔護(hù)壁堵漏工作，對(duì)于鉆孔漏失孔段，采用隨鉆堵漏劑及聚丙烯酰胺水溶液加鋸末進(jìn)行封堵，封堵無(wú)效時(shí)采取速凝水泥封孔后掃孔隔離漏失層等方法，減少和控制沖洗液對(duì)地下水污染破壞。施工開(kāi)始前、結(jié)束后依據(jù)《中華人民共和國(guó)生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006）對(duì)地下水進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果滿(mǎn)足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，施工過(guò)程對(duì)地下水無(wú)污染（見(jiàn)表1）。

表1 施工前后地下水檢測(cè)結(jié)果Table 1 Groundwater test results before and after drilling

3.2.7 廢料、廢液、垃圾的處理

施工過(guò)程中，機(jī)械設(shè)備更換的液壓油、廢機(jī)油應(yīng)及時(shí)回收，采用廢桶存放，便于涂抹鉆桿外壁或套管外壁；廢機(jī)油可用于涂抹鉆桿絲扣，密封鉆桿柱。

嚴(yán)禁在施工現(xiàn)場(chǎng)明火焚燒廢棄塑料布、廢棄油類(lèi)及產(chǎn)生的垃圾，防止引燃現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)備或器具，避免造成空氣污染。

施工現(xiàn)場(chǎng)一旦發(fā)生油類(lèi)污染場(chǎng)地現(xiàn)象，要及時(shí)將被污染的場(chǎng)地土壤挖運(yùn)至當(dāng)?shù)卣付ǖ睦鴪?chǎng)地，然后拉運(yùn)新土進(jìn)行換填。

3.3 鉆后控制

鉆孔封孔施工，嚴(yán)格執(zhí)行地質(zhì)技術(shù)人員下達(dá)的“封孔設(shè)計(jì)書(shū)”，制定切實(shí)可行的“封孔施工方案”，該礦區(qū)采取全孔灌注水灰比0.5的水泥漿進(jìn)行封孔。因此，封孔實(shí)施前先將?89 mm套管起拔出來(lái)，然后下鉆桿至孔底，將攪拌好的水泥漿液用泥漿泵送入孔內(nèi)，邊泵送邊提拉鉆桿，確保鉆桿下頭插入水泥漿深度10～15 m，防止埋鉆事故發(fā)生。泵送水泥漿液至?108 mm套管底端時(shí)，將?108 mm套管全部起出后，重新下鉆桿泵送水泥漿液至溢出孔口。再起拔?146 mm套管，確保水泥漿液全孔封閉，防止第四系水流入下部基巖內(nèi)。

對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)垃圾，如：防滲布、塑料布等進(jìn)行清理并運(yùn)至指定位置，對(duì)于油類(lèi)污染場(chǎng)地進(jìn)行換填土處理。

利用機(jī)械設(shè)備如挖掘機(jī)或裝載機(jī)對(duì)泥漿池、沉淀池進(jìn)行有序掩埋、平整；對(duì)于鉆塔底梁安裝部分進(jìn)行人工回填、平整；人工配合機(jī)械對(duì)場(chǎng)地硬化部分進(jìn)行拆除；利用機(jī)械對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)及施工便道進(jìn)行復(fù)墾，符合當(dāng)?shù)馗貥?biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)圖6）。

圖6 施工前后現(xiàn)場(chǎng)地貌Fig.6 Site landscape before and after drilling

3.4 施工前后現(xiàn)場(chǎng)土壤檢測(cè)

依據(jù)《中華人民共和國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）對(duì)施工前、后現(xiàn)場(chǎng)土壤進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比，滿(mǎn)足當(dāng)?shù)馗貥?biāo)準(zhǔn)，施工過(guò)程對(duì)場(chǎng)地土壤無(wú)污染（見(jiàn)表2）。

表2 施工前后現(xiàn)場(chǎng)土壤檢測(cè)結(jié)果Table 2 Site soil test results before and after drilling

4 結(jié)論與建議

針對(duì)立軸式巖心鉆機(jī)和四角鉆塔施工的巖心鉆探工程，通過(guò)對(duì)鉆塔底盤(pán)和泥漿泵底座鋪設(shè)防滲布、對(duì)泥漿循環(huán)槽鋪設(shè)鐵質(zhì)循環(huán)槽、泥漿坑及沉淀池埋設(shè)鐵質(zhì)水箱及場(chǎng)區(qū)面包磚硬化，有效保護(hù)了鉆探施工場(chǎng)地環(huán)境，防止了泥漿循環(huán)對(duì)土壤的污染，更有效地防止了升降鉆具施工飛濺泥漿對(duì)場(chǎng)地的污染；同時(shí)，在機(jī)臺(tái)周?chē)谠O(shè)排水槽，防止下雨時(shí)機(jī)臺(tái)泥漿及油污流入場(chǎng)地以外，有效保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。

保護(hù)生態(tài)環(huán)境是保持礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展中不可或缺的關(guān)鍵因素，巖心鉆探工程是勘查礦產(chǎn)資源的重要、關(guān)鍵手段，實(shí)施綠色勘查，巖心鉆探工程是關(guān)鍵，在保護(hù)生態(tài)環(huán)境下實(shí)施鉆探工程有如下建議：

（1）加強(qiáng)綠色勘查方面的立法和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)，各地勘單位和施工隊(duì)伍嚴(yán)格執(zhí)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）在鉆探設(shè)備方面進(jìn)行創(chuàng)新，如開(kāi)發(fā)全液壓模塊式巖心鉆機(jī)，開(kāi)發(fā)大功率可充電式電動(dòng)鉆機(jī)，縮小施工場(chǎng)地占用范圍，有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

（3）在鉆探工藝方面進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)沖洗液固相進(jìn)行機(jī)械分離，施工現(xiàn)場(chǎng)取消泥漿循環(huán)槽，既能縮小施工現(xiàn)場(chǎng)占地面積，又能確保沖洗液性能。

（4）采用環(huán)保型、無(wú)毒、無(wú)害沖洗液處理劑，減少?zèng)_洗液循環(huán)對(duì)地下水體污染、地表土壤污染程度、甚至達(dá)到無(wú)污染、不影響環(huán)境的目的；對(duì)于深覆蓋層及破碎復(fù)雜地層及時(shí)下入套管隔離，防止沖洗液浸入地層裂隙污染地下水體。

（5）鉆探工程項(xiàng)目概預(yù)算中增加綠色勘查施工費(fèi)用，加大施工投入；在鉆孔工程質(zhì)量驗(yàn)收時(shí)，增加綠色勘查驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，增強(qiáng)綠色勘查意識(shí)。