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摘要：随着我国城市化进程的加快和基础设施建设的不断扩大，岩土工程勘察将继续向高精度、高效率、高可靠性、智能化方向发展。植物胶作为钻孔泥浆液中的处理液，可以提高冲洗液稳定剂，降低流体损失，具有提高钻进速度、减少钻井事故、保护钻头、降低环境污染，提高岩芯采取率等优点。通过对武山铜矿云池口尾矿库工程实例的研究，针对其矿山尾矿砂地层颗粒粒度不均、含水量高、堆积形态不规则、含有化学药品和重金属、地质环境影响的特征，发现植物胶在钻探施工过程中，具有良好的黏性、护壁及环保的特点，最终选用泥浆加植物胶的措施来降低施工难度，提高钻探的准确性及岩芯的采取率，在复杂地层钻进中效果非常明显。
关键词：铜矿,钻探工程,植物胶,尾矿砂
1前言
各项建设工程在设计和施工之前，必须按基本建设程序进行岩土工程勘察，岩土工程勘察作为岩土工程的重要组成部分，对于保障工程质量和安全具有不可替代的作用。随着我国城市化进程的加快和基础设施建设的不断扩大，岩土工程勘察的需求将会不断增长，前景广阔。
未来，岩土工程勘察将继续向高精度、高效率、高可靠性、智能化方向发展。一方面，通过引入新的技术手段和工具，比如无人机、三维激光扫描仪、遥感技术等，提高勘察数据的精度和覆盖面积，实现勘察成果数字化、可视化、智能化管理。另一方面，岩土工程勘察将结合新的材料、新的结构形式和新的施工技术，对现有的勘察标准和方法进行不断完善和创新，提高勘察的效率和可靠性，为岩土工程的设计和施工提供更加精准和可靠的依据。此外，随着我国参与“一带一路”倡议和推进国际化进程的不断深入，岩土工程勘察也将在国际市场上得到更广泛的应用和推广，为我国的工程技术“走出去”提供重要支撑。
因此，可以预见，在未来的发展中，岩土工程勘察将面临更加广阔的市场和更加丰富的机遇，成为岩土工程领域中不可或缺的重要领域。
2钻探工程简述
钻探工程是利用钻机或专用工具，以机械或人力做动力，向地下钻孔以取得工程地质资料的勘探方法，也是岩土工程勘察工作中最常用的勘探方法。
钻探工程根据不同钻探工艺可分为：回旋钻进、螺旋钻进、冲击钻进、锤击钻进、绳索取芯钻进、冲击回旋钻进、硬质合金钻进、金刚石钻进、反循环钻进等。不同的地层情况选用的的钻探工艺也不同。
3植物胶技术在金属矿山钻探中的作用
植物胶自20世纪30年代开始在国外的石油钻井中被广泛使用，它可以通过将植物淀粉煮成浆糊或用烧碱处理成胶化淀粉的方式，提高冲洗液稳定剂，降低流体损失。随着时间的推移，瓜尔豆逐渐被用作钻井用冲洗液的主要材料，美国在20世纪50年代末60年代初率先采用。在20世纪70年代，欧洲和中国开始直接研究植物胶在冲洗液中的应用。目前，植物胶的种类越来越多，主要有瓜尔豆、田莆、决明子、葫芦巴、雷公嵩叶、柳筋叶、魔芋及榆树皮等。这些植物胶根据原材料和配比的不同，可以分为SM植物胶、SH植物胶、CL植物胶、PW植物胶等。
在岩土工程勘察钻探中，植物胶作为钻孔泥浆液中的处理液，其主要作用有以下几个方面：
(1)提高钻进速度：植物胶可增加钻孔液的黏度，从而提高了钻进速度。特别是在软土层中，使用植物胶可以减少泥浆稀释现象，使得钻孔液黏度更加稳定，有利于提高钻进效率。
(2)减少钻井事故：植物胶可以增加钻孔液的黏度和稳定性，从而减少了钻井事故的发生，如掉杆、卡钻等。
(3)保护钻头：植物胶可以降低钻头的磨损程度，延长其使用寿命。由于植物胶分子较小，能够渗透到岩石或土壤孔隙中，减少了钻头在钻进过程中的摩擦和磨损，延长了钻头的使用寿命。
(4)降低环境污染：相比传统的钻孔液，植物胶钻孔液成分天然，对环境的污染更小，符合现代环保的要求。
(5)提高岩芯采取率：可以改善钻孔润滑性和减少钻孔摩擦，从而降低钻孔振动和钻头偏斜的风险，提高岩芯钻具的稳定性。可以减少钻进时的阻力，降低岩芯钻进的难度和时间。可以减少钻进过程中的颗粒物撞击和磨损，降低岩芯破碎和碎裂的风险，从而保护岩芯的完整性，最终提高岩芯采取率。
4植物胶在金属矿山工程勘察应用的工程实例
4.1项目概况
武山铜矿云池口尾矿库位于江西省瑞昌市白杨镇，矿区距瑞昌市8km，北距长江码头12km，东距九江市45km，交通方便。按照武山铜矿云池口尾矿库初步设计的方案，三号副坝建在尾矿库扩容工程尾砂干滩面上，但云池口尾矿库建设期间尾矿库扩容工程仍在使用，三号副坝无法建设。云池口尾矿库建成后，尾矿库扩容工程基本停用，现有条件开展三号副坝的建设工作。拟建物为模袋法尾矿坝，坝长约365m，坝高约28.5m，坝顶宽8m，最终坝顶标高72m。
根据《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)及《尾矿堆积坝岩土工程技术规范》(GB50547—2010)本工程拟建物为四等尾矿库，考虑到该库上有1#尾矿库，下游赤湖，设计将其级别提高一等，定为三等库；重要性等级为一级，场地等级为二级，地基等级为二级，岩土工程勘察等级定为甲级。
4.2勘察要求
本次勘察的目的是详细查明拟建场地地层分布特征及岩土层物理力学性质，为施工图设计、工程施工提供所需的岩土工程参数，使设计单位能够进行尾矿坝安全稳定验算。针对不同地层情况，其勘察具体任务与要求如下：
(1)尾砂面：
①查明坝址区尾砂的分层条件、层理特征；采用机械钻探或其他原位测试技术成果划分尾砂层，提出地基承载力特征值。
②对于各层尾砂试样应进行颗分试验，要求的颗分界限粒径为0.5mm、0.25mm、0.075mm和最大粒径含量不应大于5%。
③对于各层尾砂除了常规物理性质指标试验外，还必须提供土层的渗透系数k、压缩系数a、孔隙比e、饱和固结快剪(Cq)、饱和固结不排水剪抗剪强度指标(CU)。
④上部填土、尾渣采用冲击取土钻进，遇地下水或土体饱和会缩径、塌孔后采用回转跟管钻进。开孔直径Φ130mm，终孔直径Φ91~110mm。钻探回次进尺一般为0.5m~2.0m，钻孔垂直度0.5%~1%，钻探岩芯采取率不得低于85%。
(2)两岸山体：
①查明各坝基覆盖层厚度，各岩土层分布，查明各岩土层的物理力学性质。查明各坝基有无破碎带、透水层、泉眼等不良工程地质的分布情况及大小、标高，并估算渗漏量、涌水量，有无渗漏通道，对建坝有无影响作出评价。
②查明各坝基地层岩性构造、产状、节理裂隙构造发育情况及稳定性，有无断层、软弱带等不良工程地质条件。
③查明坝址区内微地貌形态和暗埋的塘、浜、沟、坑、穴的分布、埋深及其填土情况。
④要求提出副坝坝址区域的工程地质平面、纵剖面图、横剖面图(要求横剖面垂直纵剖面，坝的最大断面处必须有横剖面图)。
4.3库区工程地质条件
(1)地形地貌。拟建区及周边高程一般29.19~77.34m，最高标高位于3号副坝东侧的山顶，标高为77.34，最低标高为尾矿库原始地面低洼处，标高约为29.19m，最大相对高差约为48.15m，地形坡度一般3°~30°，整体属低丘岗地地形。拟建工程夹于两山之间，地形整体北部高，南部低，两边高，中间低。库区周边岩层经长期风化剥蚀作用，岩体风化强烈，地表多被坡积层覆盖，厚度约1m左右，植被繁茂。
(2)地层岩性。根据现场调查可知：尾矿库出露的地层主要有新近堆填的尾矿土、原地面填土、第四系全新统湖积层(Q4)及志留系中统罗惹坪组沉积岩(S2l)，岩性以砂质泥岩为主。钻孔揭露的地层岩性及分布特征描述如下：
第①-1层尾粉质粘土：灰褐色，软塑-流塑状，湿-饱和，局部夹粉土、细砂，稍具光滑面，韧性、干强度一般，干钻可钻进，钻进快，分布于北侧积水范围内及靠近积水附近。
第①-2层尾粉土：灰褐色，软塑-流塑状，湿-饱和，局部夹粘土、细砂，稍有光滑面，切面比较光滑，干钻可钻进，钻进快，韧性、干强度低，分布于南侧干摊，部分以互层形式分布。
第①-3层尾粉砂：灰褐色，松散，湿-饱和，颗粒成分主要为石英、长石，分选性较好，级配差，韧性、干强度低，部分钻孔有揭露，大部分分布于干滩，部分以互层形式分布。
第①-4层尾细砂：灰褐色，松散，湿-饱和，颗粒成分主要为石英、长石，颗粒粒径0.075-0.25mm之间，分选性较好，级配差；在放矿口附近与老坝体南侧有分布。
第①-5层尾中砂：灰褐色，松散，湿-饱和，颗粒成分主要为石英、长石，颗粒粒径一般大于0.25mm，分选性较好，级配差，在老坝体南侧有分布。
第②-1层杂填土：黄褐色，主要为筑路材料及老粘土；主要分布于初期坝内及老路面。
第②-2层粉质粘土：黄褐色，可塑-硬塑状，稍湿，无摇震反应，干强度、韧性中等，局部含砾，岩心呈土柱状，部分钻孔有揭露，多分布于两侧山体及尾矿库底部。
第③-1层全风化砂质泥岩：黄褐色，原岩结构基本破坏，风化作用剧烈，多风化成中密-密实状砂土。分布于尾矿库底及两侧山体。
第③-2层强风化砂质泥岩：灰黄色，原岩结构大部分破坏，风化作用强烈，裂隙很发育，岩心破碎，岩心多呈碎块状、半岩半土状，分布于尾矿库底及两侧山体。
第③-3层中风化砂质泥岩：灰黄色，原岩结构部分破坏，风化作用一般，裂隙发育，岩心多破碎，多呈碎块状、块状，少量呈短柱状，分布于尾矿库底及两侧山体，本层未揭穿，揭露厚度1.2~8.0m，平均3.51m。
4.4尾矿砂地层的特点
尾矿砂地层是由矿山生产过程中产生的尾矿砂和其他固体废弃物在地表堆积而成的地层，具有以下特点：
(1)颗粒粒度不均：尾矿砂地层的粒度分布范围很广，从粉状到大块状都有。这是因为尾矿砂是在矿山生产过程中产生的，包含了矿石破碎后的碎石、矿渣、化学品等多种物质，所以粒度分布范围不均。
(2)含水量高：尾矿砂地层通常含有大量的水分。这是因为尾矿砂在矿山生产过程中通常需要加入水进行处理和运输，导致尾矿砂地层含水量较高。
(3)堆积形态不规则：尾矿砂地层的堆积形态通常不规则，形成的堆积体积较大。这是因为尾矿砂是通过输送带、泵等方式运输到堆积场，堆积形态受到运输方式和堆积场地形等因素的影响。
(4)含有化学药品和重金属：尾矿砂地层中通常含有一定量的化学药品和重金属。这是因为矿山生产过程中需要使用化学药品和重金属来提取矿物，这些物质可能会残留在尾矿砂中。
(5)地质环境受到影响：尾矿砂地层的堆积可能会对周围的地质环境产生影响。例如，尾矿砂堆积会改变周围的地形和地貌，影响地下水位和水质，甚至会引起地震等地质灾害。
综上所述，尾矿砂地层具有粒度分布广泛、含水量高、堆积形态不规则、含有化学药品和重金属等特点。在尾矿处理和利用中，需要考虑这些特点，并采取相应的措施来降低尾矿对环境和生态系统的影响。
4.5尾矿砂地层对钻探的影响
(1)含水量高对钻探的影响
①钻孔稳定性差：地层含水量大会导致土层饱和，从而使土壤的内聚力和摩擦力大大降低，因此钻孔稳定性差，容易出现钻孔坍塌、钻头卡滞、钻杆卡住等问题。
②钻屑带难以清理：地层含水量大会使钻孔中形成大量的泥浆，泥浆容易沉积在钻孔周围，形成泥浆环，影响清理钻屑和冲洗孔内的效果，使钻探难度增大。
③钻探速度慢：地层含水量大会导致土层内部黏性增大，增加了钻探的阻力，因此钻探速度慢，难以满足钻探进度要求。
④设备损坏：地层含水量大容易导致钻具损坏，因为钻杆、钻头、钻机等钻探设备容易被泥浆和含砂颗粒等物质磨损或腐蚀，降低设备寿命。
(2)颗粒粒度不均的影响
①钻孔倾斜和偏离设计轨迹：颗粒粒度不均会在钻进过程中
导致岩土体变形，引起地层收缩或者变形。这些变形会使钻孔出现偏斜或者偏离设计轨迹的情况，从而影响钻探结果的准确性。
②钻孔稳定性降低：会导致钻孔周围地层产生变形，岩土体受到的支撑力减少，钻孔的稳定性降低，容易出现钻孔坍塌、塌陷、卡钻等情况。
③钻孔壁面不光滑：会导致钻孔周围的岩土体产生收缩变形，使得钻孔壁面不光滑，出现不规则的凸起和凹陷，从而影响钻探工作的进行和钻探设备的使用寿命。
④钻屑清理困难：会导致岩土体变形，钻孔周围的地层出现不规则的凸起和凹陷，使得钻屑清理困难，影响钻探的进度和效果。
尾矿砂地层具有颗粒粒度不均、含水量高、堆积形态不规则、含有化学药品和重金属等特点对钻探施工造成了严重影响，导致无法达到勘察要求。
5采取措施
根据尾矿砂的特点及对工程造成的影响，在钻探施工过程中，我们及时调整施工方案，根据《建筑工程地质勘探与取样技术规程》考虑到植物胶具有良好的粘性、护壁及环保的特点，最终选用泥浆加植物胶的措施来降低施工难度，提高钻探的准确性及岩芯的采取率，下面列举一些常用冲洗液和护壁堵漏材料及适用范围。
清水：致密、稳定地层；
泥浆(无固相冲洗液)：松散破碎地层，吸水膨胀性地层，节理裂隙较发育的漏失地层；
黏土：局部孔段的坍塌漏失地层，钻孔浅部或覆盖层有裂隙，产生漏、涌水等情况的地层；
水泥浆：较厚的破碎带，塌漏较严重的地层，特殊泥浆及黏土处理无效、漏失严重的裂隙地层等；
生物、化学浆液：裂隙很发育的破碎、坍塌漏失地层，一般用于短孔段的局部护壁堵漏；
植物胶：松散、掉快、裂隙地层或胶结较差的地层，如，卵砾石层、砂层；
套管：严重坍塌、缩孔、漏失、涌水性地层，较大的溶洞，松散的土层，砂层，其他护壁堵漏方法无效时，水文地质试验需封闭的孔段，水上钻探的水中孔段。
6措施实施前后对比
ZK16孔钻探施工时采用常规泥浆，钻探施工过程中，频繁出现钻孔坍塌、塌陷、卡钻等情况，造成施工进度缓慢、钻孔质量差、岩芯采取率低等问题。最后孔深37.6m，共历时7天才终孔，同时钻探取芯无法成型，无法达到取样和采取率的要求。
ZK12钻孔则采用泥浆加植物胶的工艺。通过计算合理的配比，配置出植物胶泥浆混合液，性能优于普通低泥浆，该混合液对尾矿砂地层可产生较强的胶结作用，使孔壁的稳定性得到增强。钻孔施工过程中未出现钻孔坍塌、塌陷、卡钻等情况，施工过程顺畅，历时3天完成孔深39.3m的钻孔。钻探取芯多呈土柱状，达到了取样和采取率的要求。
根据分层情况可知，ZK16孔与ZK12孔地层情况相似，ZK16钻孔采用的常规泥浆方法，ZK12表现出了更高的效率。对比两个钻孔相同位置的岩芯照片，可以明显看出钻探质量、取样质量及岩芯采取率得到了明显提高，施工工期明显缩短，同时也满足了勘察中钻探的要求。
7结论
钻探中运用的冲洗液还是以不分散低固相泥浆这种常规泥浆为主，从工程实例来看，植物胶泥浆混合液在复杂地层钻进中效果非常明显。主要体现在以下几个方面：
(1)钻探过程中减少了钻孔坍塌、塌陷、卡钻等情况，施工效率明显提高，大幅度缩短了整个项目工期。
(2)提高了钻探质量，很好地保持了岩芯的原状结构，更加真实地反应了地层情况。
(3)提高了取芯质量、采取率进而提高了取样质量。取样质量更高了，土工试验结果也就更准确。
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