5 新型钻探技术提高矿业行业的可持续性

 在欧盟的资助下，研究人员开发了一款开创性的专业钻探系统样机，该系统将声波钻探、分析仪器和信息科学集于一体，提高了矿山生产作业的效率。

 近年来，矿业行业因其生产活动对环境和人类的有害影响而屡次遭到批评。采矿作业可能严重影响矿山所在社区的空气、水和土地，造成的污染会一直影响几代人。在绿色环保技术的研究与创新方面，欧盟付出了巨大努力来改变矿业行业的声誉，使其从环境污染型产业转变为可持续且具有高能源效率的产业。

 数字技术指出明确的转型方向

 数字创新和技术创新有可能彻底转变矿业行业的关键领域。矿山可以利用这些创新更详细地了解具有经济价值的矿物的富集状况，可以利用自动化技术提高运营效率，实时监测工艺流程和优化物料流。

 欧盟资助开展的SOLSA项目开发了一种稳健的专家系统。该系统能加快和优化矿产资源开发的三个主要阶段（矿物勘探、开采和加工）。这个新开发的系统由三个不同的子系统组成，分别是实时采集样品并同时测定不同参数的声波钻探系统、在取样地点分析土壤取心样品化学组成的现场实验室以及将所有可用的分析数据汇集于数据库的软件解决方案（数据库可实现自动更新）。

 声波钻探的工作原理

 项目协调员Monique Le Guen解释道，“声波钻探是一项土壤穿透技术。可造成土壤液化、惯性效应和土壤孔隙度暂时降低，从而降低土壤作用于钻具上的摩擦力。”与传统的钻探技术相比，由于作用于钻具上的摩擦力降低，声波钻探作业减少了能量消耗。声波钻探的这一独特功能可防止扭力作用于钻具。

 应用高频声波的另一项优势是，容易从钻孔取回钻具，即使在快速膨胀的粘土层或砾石层及恶劣条件下钻进也是如此。钻探人员可以更快速和更容易地从钻孔取出所有钻杆、套管和钻头。钻机头部结构中的其他旋转和振动部件帮助操作人员更好地控制钻进所需要的力，从而优化在土壤和基岩层中的钻进。

 SOLSA系统第一次采用无损检测传感器来检测岩心。这些传感器基于的是X射线荧光、X射线衍射、振动光谱和三维成像。该系统也集成了用于矿物填图的表面粗糙度测量仪、RGB摄像头和红外摄像头。自动化的综合分析可准确提供岩心的矿物组成和化学组成信息。

 SOLSA系统颇具应用潜力

 目前，SOLSA系统尚处于测试阶段。钻机已运至新喀里多尼亚，将用于在红土镍矿进行现场测试。这些红土镍矿因其非均质性、难以钻进和取样而闻名。SOLSA系统将扩大数据采集范围、降低钻探成本和缩短取样分析时间，从而显著提高勘探效率。

 Le Guen总结道，“SOLSA系统可提供多种创新技术，因此能可持续地满足不断增长的矿物和金属需求，也能帮助优化金属生产，确保提高采矿作业的能源效率和减少对环境的负面影响。”

 6 利益相关者参与和技术进步帮助实现勘探4.0

 尽管欧洲对矿产资源的需求不断增长且原材料对清洁生产技术的应用非常重要，但是矿产资源勘探仍然面临许多障碍。欧盟资助的INFACT项目旨在开发对环境影响较小的技术，并通过大规模的实际现场工作向社会进行推广，从而提供可促进和支持可持续的矿产资源勘探的面向社会、法律和技术问题的解决方案。

 研究人员正在研究澳大利亚和加拿大等在矿产资源勘探领域更为活跃的国家的最佳实践，制定适合在欧洲实施的指南。他们也正在致力于制定符合欧洲情况的策略，鼓励利益相关者参与欧洲的矿产资源勘探。项目协调员Leila Ajjabou表示，“INFACT项目的目标还包括向矿业行业的所有利益相关者提供相关信息，以使他们基于这些信息作出合理的决策。这些利益相关者包括公众、工业界、国家和欧盟机构。”

 技术进步

 INFACT项目的另一个目标是评估非侵入式技术的效果以及影响公众认可度的因素。事实上，科学协调员Richard Gloaguen在报告中表示，“该项目推动了无人机地球物理勘探和高光谱成像技术的发展以及全张量磁力梯度测量技术的进步。”

 为可持续勘探奠定基础

 目前，INFACT项目正在德国Saxony、西班牙Andalusia和芬兰Lapland建立三个试验场地。在这些场地，将从法律、环境、社会和应用方面评估这些技术。Gloaguen解释道，“选择这些欧洲试验场地的目的是获得丰富且多样化的勘探数据，包括广泛的钻孔数据库和地球物理数据库。这些场地涉及广泛的地质、社会和气候条件，以确保能够评价各种勘探挑战的影响。

 迈向勘探4.0

 不管怎样，INFACT项目决定推动勘探4.0的实现。Gloaguen将勘探4.0定义为“具有高技术效率且被接受的矿产资源勘探”。该项目已经朝这个方向迈出了步伐。因此，在三个试验场地建立的矿产资源勘探卓越中心将提高勘探的透明度和商业吸引力。另外，INFACT项目的影响力已显现，欧盟内外的多家技术提供商和相关机构多次请求参与该项目。

 7 高科技和历史数据为深部矿产资源勘探开辟新途径

 在以前开发过的老矿区（棕地）或具开发潜力的新勘探区（绿地）进行深部矿产资源勘探面临挑战。欧盟资助的Smart Exploration项目正在将各种解决方案应用于这两类勘探靶区。

 项目协调员、瑞典乌普萨拉大学地球科学系教授Alireza Malehmir在介绍该项目时表示，“Smart Exploration项目的主要目标是为棕地和绿地勘探靶区的深部矿产资源勘探开发具有成本效益且环境友好的解决方案。”该欧盟资助开展的项目重点开发了5个系统原型以及改进了6种三维成像和建模方法。Malehmir报告说，“通过系统原型与新方法的结合，我们可以根据新采集的数据更好地了解更深部的勘探靶区及其地质特征。”

 矿化填图

 GPS时间同步系统（用于不能使用GPS的环境，例如地下矿）和宽带频率电能震源（E-vip）是该项目开发的两种系统原型。项目团队利用这两种系统在葡萄牙Neves-Corvo矿进行了一次扩大规模的半三维地表地震勘探和600米深处的半三维地下地震勘探。Malehmir解释道，“如果没有这两种系统，则不可能进行这些测量，或者仅限于在一个小的测量区域采集二维地震测线数据。我们认为，这次测量在提高靶区圈定精度方面迈进了一大步，因此有可能大幅降低采矿作业的成本和环境影响。”

 项目合作伙伴也使用经过改进的算法成功地获得和重新处理了许多历史数据集。虽然这种方法是专门为葡萄牙Neves-Corvo矿和瑞典Ludvika矿开发的，但是其应用有力地证明，获得和使用适当的数据可以创造价值。Ludvika指出，“利用历史数据有可能发现下一个矿体。”

 该方法在芬兰Siilinjärvi磷酸盐矿的应用中取得了其他成果。在该磷矿，Smart Exploration项目成功地从废石中识别出矿石以及对影响矿山边坡稳定性的直立断层进行了填绘。

 绿地勘探创新

 该项目的验证测试场地包含原生资源（欧盟关键原材料名单中的矿物）或源于原生资源的次生资源。Malehmir解释道，在某些场地，陡峭的地形导致极难或不可能使用传统的地球物理方法进行岩石特征研究和构造成像。“作为一个解决方案，新开发的直升机瞬变电磁法（HTEM）原型已经在Ludvika棕地项目场地进行了测试，也将在我们位于希腊和科索沃的绿地项目场地进行航空测量，以探测深部的勘探靶区。”

 Smart Exploration项目也利用机器学习算法重新解释现有的地球化学、地质和地球物理数据，在希腊圈定了多个潜在的斑岩金-铜矿床勘探靶区。据Malehmir透露，这方面的创新在于采用适当的方法实现数据标准化，并采用地质统计学方法确认数据的有效性。

 展望未来

 项目合作伙伴也必须解决边坡方面的挑战。在零部件的交付被延迟的情况下，各团队采用了机动灵活的工程设计，建造了一种定制化无人机，以降低系统噪声。接下来的工作是应用和商业化推广。通过现场宣传、会议、研讨和直接沟通，Smart Exploration项目将向相关公司推荐这些解决方案。

 （中国地质调查局地学文献中心，国际矿业研究中心矿业科技组编译，张炜审校，陈秀法审核）