“深部矿体勘探钻探技术方法及设备研究”项目及其成果简介

(一)项目来源及研究目的

安徽是资源储量的大省,具有得天独厚的成矿地质条件。它地处华北、扬子、大别山三个板块结合带,在华北、扬子两个板块结合缝上,驰名中外的郯庐断裂自北向南纵穿全省,是全国19个成矿带之一的长江中下游铜铁多金属成矿带。为了进一步加快深部找矿步伐,安徽省地矿局313地质队于2008年4月向安徽省国土资源厅、安徽省地矿局申请“深部矿体勘探钻探技术方法及设备研究”项目立项,2009年被列入安徽省重点科技攻关项目(编号:09010301015)。

该项目的研究目的是提高深部矿体勘探速度、勘探靶区精度、地质成果的准确性,为加速我国寻找隐伏矿与开拓深部“第二找矿空间”提供技术支持。主要任务是通过研发钻探设备及机具、钻探方法、取心方法、钻孔护壁、高效长寿钻头等技术,解决深部钻探效率问题;通过研究受控定向钻探技术解决深部陡矿体和异型矿体、地表障碍物下部矿体勘探难题;通过钻孔摄像及定向取心技术完成钻孔地质信息采集,由单孔获取岩矿层参数的任务。历经近四年的研究、试验,再研究、试验与完善,于2012年底结题,通过鉴定验收。

(二)项目研究的主要内容

“深部矿体勘探钻探技术方法及设备研究”项目由安徽省地矿局313地质队主持承担,合作单位有:中国地质装备总公司、中国地质大学、中国科学院武汉岩土力学研究所、无锡探矿工具厂、唐山市金石超硬材料有限公司、张家口探矿机械厂等,同时聘请了国内部分资深专家作项目指导。

“深部矿体勘探钻探技术方法及设备研究”项目指导思想是,结合我国深部找矿技术需要,充分集成国内探矿技术优势,实行产、学、研、用相结合机制,以缩短研究周期,加速成果转化。项目的总体思路是:符合我国国情,以野外生产需求为中心,要求研究成果适用性好、可靠性强,易推广应用,且具有先进性、创新性,有自主知识产权。该项目共分4个课题:

课题一:分体塔式全液压动力头钻机及高强度绳索取心钻杆研制

(1)分体塔式全液压动力头钻机(FYD-2200型)

1)钻机实行分体结构设计,改变深孔钻探车载、桅杆式结构存在的弊端,以适应山区、丘陵、农田等道路较差的地区运输;

2)提升钻具设计为高塔形式,以增加立根长度;

3)钻机实现无级变速,增加调速范围;

4)钻机长行程(4.8m)设计,以增加回次进尺长度;

5)钻机动力头卡盘设计为卡瓦夹持和顶驱式两用结构;

6)钻机操作系统实现参数数字化,塔上操作可视化及钻探现场远程监控。

(2)高强度绳索取心钻杆

1)钻杆及接头优选国产高钢级无缝管材,进行特殊热处理,以增加强度和耐磨性满足3000m以内孔深钻探要求;

2)钻杆螺纹副设计为特殊形式,以增加抗扭、抗拉、防脱和密封性;

3)采用成型精密刀具加工钻杆接头螺纹,以提高螺纹加工精度。

课题二:钻孔摄像及定向取心技术在地质勘探中的应用研究

(1)钻孔摄像技术

1)实现360°孔壁数字成像、无缝拼接及高清晰度虚拟钻孔岩心图显示;

2)具有深孔内信息传输与数字分析处理功能;

3)运用钻孔摄像技术在单孔中解析岩矿层产状。

(2)定向取心技术

1)研究垂直孔、倾斜孔岩心定向系统,以扩大定向取心技术应用范围;

2)设计恒压岩心打印装置,保证可靠的导向钻进和平衡反扭矩效果;

3)研究水压力平衡,提高机械仓密封的可靠性;

4)研究孔底岩心打印控制装置,实现电机工作状态的自动控制;

5)研制微型金刚石钻头,以保证定向取心器孔底打印可靠性;

6)研究定向取心技术,在泥浆护壁钻孔中解析岩矿层产状。

课题三:钻孔设计与轨迹动态监控技术研究

1)钻孔弯曲规律分析,预测待钻钻孔的轨迹形态变化规律;

2)钻孔轨迹设计及钻孔轨迹形态绘制;

3)钻孔轨迹空间位置计算及中靶精度预测;

4)探矿、地质综合设计书编制;

5)钻孔综合资料整理及其电子文档自动生成;

6)钻孔轨迹三维可视化动态显示。

课题四:深部岩心钻探钻进工艺方法研究

1)关键装备优化选择与配置;

2)钻孔结构及套管设计;

3)特殊地层钻进取心技术;

4)高效、长寿命金刚石钻头研制与使用;

5)泥浆与护壁技术;

6)钻孔轨迹控制技术;

7)孔内事故预防与处理;

8)钻头成本与技术指标分析。

(三)项目研究主要成果

经过几年的研究与实践,“深部矿体勘探钻探技术方法及设备研究”项目按任务书设计要求完成了FYD-2200型分体塔式全液压动力头钻机及配套机具、高强度绳索取心钻杆(N、H系列,施工深度3000m以内)、地质勘探钻孔摄像及定向取心技术、钻孔设计与轨迹动态监控技术、深部岩心钻探钻进工艺方法的研究与开发。完成了“江淮下游新生代晚期环境变化研究”与“湖北神农架晚期第四纪环境研究”不扰动样环境科学钻探孔、“汶川地震断裂带科学钻探”WFSD-3孔、“深部矿体勘探钻探技术方法及设备研究”ZK1725孔等科学钻探试验孔,国家深部探测3000m科学钻探“华南于都赣县矿集区科学钻探选址预研究”NLSD-1孔与“华东庐枞盆地科学钻探选址预研究”LZSD-1孔、安徽寿县正阳关铁及多金属潜力资源预查项目和滁州明光盐矿勘探孔等深部找矿钻孔的钻探任务,并在安徽霍邱铁矿、金寨沙坪沟钼矿、泥河铁矿、庐枞铁矿、琅琊山铜矿以及山东、浙江、江西、甘肃、四川、北京、上海等地不同地层、不同口径、不同钻进方法的深孔地质找矿和科学钻探中加以应用,取得了良好的效果。

项目研究共获得8项国家专利(其中发明专利3项)、1项国家计算机软件著作权。项目四个课题全部通过国内外科技查新及安徽省科学技术厅组织的专家技术鉴定。项目全面总结的小口径深部岩心钻探工艺及配套机具体系,对地质岩心钻探、科学钻探、环境地质勘探、水文地质水资源勘探施工等项目具有指导意义。项目研究成果总体评价为达到国际先进、国内*水平。

岩心扫描技术在实物地质资料管理中的应用

岩心扫描是利用专业岩心扫描仪对岩(矿)心表面进行信息采集形成图像，并通过图文数据管理系统将岩心图像存入到图像数据库中，配合录入岩心相关地质信息(岩石名称、岩性描述等)，构成岩心综合图文图像库，实现图文图像信息的统一管理。

一、岩心扫描工作的重要性

岩心扫描技术运用于实物地质资料管理中，不论是对实物的管理还是利用，均提供了很多方便。

——岩心扫描实现了图文图像信息的统一管理，并为岩心利用提供了快捷、先进、方便的观察手段，为岩心信息的开发提供了新的途径。

——利用岩心扫描技术，将比较笨重、不便携带、直接接触对人体有害、保存在特殊环境的或十分珍贵且易损毁的实物资料以图像的形式进行存储，通过信息网络系统进行图文信息传输，可以实现岩心远程非接触观察。

——岩心利用者可以在计算机上对整孔岩心图像进行浏览、查询、观察，确定要观看的重点层位，这样可减少因直接观察实物而造成的巨大工作量。

——在软硬件设备支撑下从不同角度观察实物，全面准确了解实物信息，通过人机交互操作，实现实物的三维重现和重点研究部位的放大观察等功能。

——岩心图像的利用，减少了对实物直接观察造成岩心磨损和损坏岩心的几率，有效地保护馆藏实物。

二、岩心扫描系统

岩心扫描系统由彩色岩心扫描仪、计算机、网络设备等硬件部分和系统平台、数据库管理、应用系统等软件部分组成。系统总体结构见图1。

1.硬件配置

岩心扫描仪采用CISS型彩色岩心扫描仪。它的核心部件是用德国产每行2098像元线阵CCD，在单片机和计算机控制下对宏观圆柱岩心、平面岩心、起伏不平的岩心表面进行高分辨率(150dpi～400dpi或150dpi～800dpi)、高保真的快速扫描成像。

计算机服务器，通过运行图像录入软件，对图像进行处理、入库；同时利用图文信息软件进行图像查询浏览等管理。扫描计算机，运用图像录入软件，对图像进行采集与存储。客户机，运行岩心网站查询软件，实现图像查询。

网络设备使用D-link交换机、网卡、网线，将扫描计算机、服务器与客户机形成一个小的局域网。

2.软件配置

(1)系统平台

服务器和扫描计算机为Windows2000操作系统，客户机为WindowsXP操作系统。

(2)数据库管理系统

服务器采用SQLserver2000作为后台数据库，通过与应用系统的协同工作，对所保管的各类数据库进行有效的管理，实现添加、查询、删除、统计、备份与恢复等功能。其中岩心图像管理库是本系统的核心，岩心扫描的图像均存储在该数据库，利用数据库管理系统还能够实现对岩心资料的查询。

(3)应用系统

图像录入系统控制彩色扫描仪进行图像采集并存储。图像采集方式包括平动扫描和滚动扫描。平动扫描用于采集岩心平面图像，扫描长度不超过1m；滚动扫描是采集直径为30～160mm的圆柱状岩心的360°外表面图像。

岩心图文信息系统利用岩心图像管理库对岩心图像信息及相关地质资料进行永久性储存及综合管理。系统采用B/S模式，用户可利用Web浏览器对岩心图像及岩心综合柱状图进行浏览观察。同时系统可按地区、井名、井段、井深、层位、入库时间等条件进行查询。

三、岩心扫描的工作内容

岩心扫描工作主要包括岩(矿)心的图像扫描、图像处理、图像入库、岩心相关地质信息录入与入库、综合柱状图生成等。

1.选择扫描类型

根据岩心图像的不同技术要求，选择不同的扫描方式，扫描方式包括平动扫描、滚动扫描。平动扫描主要是采集岩心上表面图像信息(如图3)，完整岩心和破碎的岩心均可进行平动扫描。滚动扫描是采集圆柱状岩心外表面图像信息(如图4)，而此种扫描方式必须在岩心完整的情况下才能进行。滚动扫描图像通过三维重建，可以恢复岩心三维立体图像。

2.设定扫描参数

主要是对扫描分辨率的选择，扫描仪分辨率从150dpi～1200dpi，一般的岩心扫描选择200dpi即可，对于有特殊地质特征的重点层位岩心可采用高分辨率采集图像。

3.图像扫描

岩心图像扫描，以岩心盒的一个格为一个单元进行扫描，储存成图像文件，文件格式为JPG形式。文件的组织形式和命名规则是以钻孔所在矿区为名称建一个文件夹，如福建紫金山，在此文件夹内再以钻孔名建一个子文件夹，如ZK305，将所有扫描图像存在此文件夹中的临时文件夹中，图像文件的命名方式是以岩心盒号加格号，例如001-1、001-2、001-3。

4.图像处理

将临时文件夹中的文件打开，进行图像处理，主要包括剪裁、拼接、亮度调节等。

裁剪是针对岩心盒的一格岩心图像进行的，若岩心为同一回次的，只要将岩心图像周围无用信息裁掉即可；若岩心为多个回次的，则以回次为单位进行裁剪，使每一回次的岩心图像独立保存。

拼接主要是针对滚扫时形成的图像，由于扫描一个岩心圆面不是一个扫描动作所能完成的，因此图像有重复部分，将重复的部分进行重叠拼接，使图像保持岩心原样。

亮度调节主要是调节岩心图像的明亮度。

5.岩心图像入库

即将处理好的岩心图像按钻孔名称、井段及孔深入到岩心图像管理数据库中。由于全孔岩心图像无法一次显示，因此在进行岩心图像入库时，会自动按约30m一段对钻孔图像进行分段。

为了方便扫描图像管理及图像入库和便于实际工作中查找，避免混乱，在进行岩心图像入库过程中应随时记录，填写岩矿心扫描记录表。

6.信息录入

根据钻孔野外记录表及钻孔综合地质柱状图将与岩心图像对应的相关地质信息，如岩石名称、岩性描述等录入到数据库中，形成图文图像数据库。

7.形成综合柱状图

每一个钻孔均按图像入库时所分的段为单位形成综合柱状图(见图5)，从综合柱状图上可以看到钻孔岩心图像对应的深度以及该层位岩心的岩石名称及岩性描述的内容。

四、岩心扫描技术的应用

1.为国家地质资料数据中心提供基础数据

要了解地球的组成以及某些资源信息和经济条件，实物信息是*直接的、*基础的，实物地质资料是“国家地质资料数据中心”必不可少的信息资源，岩心图像信息可以直接被“国家地质资料数据中心”所利用，成为其重要的信息资源。

2.岩心检索

岩心扫描技术可以为岩心利用者提供不同分辨率的图像，利用低分辨率的图像可进行钻孔岩心的全钻检索，利用者要想有选择地进行岩心观察，则可在计算机上将整孔岩心图像及相应的资料进行浏览，选择想要观察的岩心段或岩性段，然后再对实物进行观察。

3.岩心观察

岩心利用者可直接在计算机上对高分辨率的图像进行观察。观察已储存在计算机中的平面图像及三维图像，并通过人机交互操作，实现旋转、放大等，对特殊部位进行仔细观察。

4.数据传播

岩心扫描技术为岩心利用提供了大量的岩心图像，包括平面扫描图像和滚动扫描图像，可根据来访者的需要为其提供岩心图像，还可对所需岩心图像进行下载或打印，使岩心图像的数据信息在被利用的同时进行传播。

岩心扫描技术是获取实物信息的主要手段之一，岩心扫描技术应用到实物地质资料管理与服务领域，不仅丰富了馆藏实物地质资料信息内容，大大提高了实物地质资料管理水平，同时也为国家地质资料数据中心提供了基础数字化信息资源，以实现实物资料信息共享。

ApplicationofRockCorescanningTechnologyinGeologicalsamplemanagement

HuijuanDeng，AilingJiang

(NationalGeologicalsampleCenter，ministryofLandandResources，Beijing101149)

AbstractThispaperelaboratesonthesignificancesofrockcorescanning，introducestheoverallcorescanningstructureintheNationalGeologicalsampleCenter，briefstherelevantworkingcontentsandprocess，sumsuptherolesplayedbycorescanningtechnologyinmanagementofgeologicalsamples.

Keywordsrockcore；scanningtechnology；management；application

岩心检测取样长度

岩心检测取样长度为7~10厘米（JTS133-1-2010）