Thăm dò khoáng sản trong khai thác mỏ là hoạt động nhằm xác định trữ lượng, chất lượng khoáng sản và các thông tin khác phục vụ khai thác khoáng sản. Đây là một công việc khó khăn, bao gồm việc khoan những lỗ sâu trên bề mặt trái đất nhằm khám phá những thứ ở bên dưới. Trong bối cảnh ngành công nghiệp khai khoáng tiếp tục thay đổi ở nhiều cấp độ, việc thăm dò khoáng sản vẫn rất cần thiết để xác định vị trí của các mỏ khoáng sản mới.

Sự tiến bộ của công nghệ đã giúp kỹ thuật thăm dò khoáng sản phát triển từ chỗ tốn nhiều thời gian và công sức mà chất lượng mẫu thu được không đáng tin cậy đồng thời tác động nhiều tới môi trường, lên một quy trình hiệu quả cao với tác động môi trường thấp hơn và kiểm soát chất lượng nhất quán đáp ứng việc lấy mẫu chính xác, loại bỏ nhu cầu lấy nhiều mẫu ở cùng một điểm.

Trong các lĩnh vực như địa nhiệt và dầu khí, đã có những đổi mới trong kỹ thuật khoan dẫn đến sự ra đời của các công nghệ khoan mới. Tuy nhiên, vẫn chưa có những tiến bộ đáng kể nào trong lĩnh vực khoan khoáng sản trong nhiều thập kỷ nay.

Trước khi thực hiện bất kỳ hoạt động khai thác nào, việc khoan được thực hiện để thu thập thông tin chi tiết về các loại đá, hàm lượng khoáng chất, cấu trúc đá và mối quan hệ giữa các lớp đá gần bề mặt và ở sâu bên dưới. Khoan thăm dò được sử dụng tại những nơi được lựa chọn trên cơ sở các phương pháp địa chất, địa vật lý và/hoặc địa hóa.

Kích thước của thiết bị (hoặc giàn khoan) và phương pháp khoan sẽ được quyết định chủ yếu bởi địa hình, loại đá và thông tin cần thu thập từ việc khoan. Các yếu tố khác tác động tới việc khoan bao gồm tài nguyên sẵn có, khả năng tiếp cận dễ dàng và chi phí hoặc ngân sách của hoạt động.

Các kỹ thuật khoan thăm dò

Trong thăm dò khoáng sản, về cơ bản có ba kỹ thuật được sử dụng. Việc lựa chọn một phương pháp cụ thể phụ thuộc vào một số yếu tố, chẳng hạn như yếu tố chi phí, môi trường, loại thiết bị cần thiết, kỹ năng và kiến thức của những người tham gia hoạt động khoan.

Khoan thổi khí nén xoay (rotary air blasting)

Khoan thổi khí nén xoay là kỹ thuật đơn giản nhất, dễ nhất và ít tốn kém nhất trong ba kỹ thuật khoan cơ bản. Kỹ thuật này xuyên qua các lớp đất mà không gặp bất cứ trở ngại nào, tuy nhiên nó lại không thu được mẫu khoáng chất rõ ràng và chính xác.

Khoan thổi khí nén xoay. Nguồn: Ecodrilling Solutions.

Khoan thổi khí xoay là kiểu khoan xoay sử dụng mũi khoan kiểu dao xén hoặc mũi khoan hình nón trục lăn để cắt và phá đá bằng một lưỡi dao đơn giản gắn ở đầu cần khoan xoay. Trục khoan quay trong khi một lực đẩy tác dụng lên nó bằng một cơ chế kích hoạt sử dụng tới 65% trọng lượng của máy khoan. Khí nén được cung cấp cho mũi khoan và hút ngược lại, có tác dụng vừa làm mát mũi khoan bị nóng vừa hút tất cả đá vỡ và bụi bẩn trở lại bề mặt.

Sự thiếu chính xác của phương pháp này xuất phát từ việc khí nén hút ngược lại kéo theo hỗn hợp mọi thứ đất đá, khiến cho việc lấy một mẫu đơn lẻ đại diện trở nên khó khăn. Do đó, phương pháp thổi khí xoay thường không được ưu tiên sử dụng trong thăm dò khai thác mỏ.

Khoan tuần hoàn nghịch (reverse circulation drilling)

Kỹ thuật khoan tuần hoàn nghịch có chi phí ở mức trung bình so với khoan thổi khí nén xoay và khoan lõi kim cương. Kỹ thuật này đòi hỏi phải sử dụng nhiều thiết bị hơn và cần nhiều kỹ năng hơn để có thể thao tác một cách hoàn hảo. Tuy nhiên, khoan tuần hoàn nghịch cho mẫu chất lượng cao hơn, có độ chính xác hơn và phù hợp để thử nghiệm. Vì vậy, đây là kỹ thuật khoan được sử dụng rộng rãi nhất để thăm dò khoáng sản trên thế giới.

Khoan tuần hoàn nghịch. Nguồn: Maalaus Toita Helsinki.

Khoan tuần hoàn nghịch là một hình thức khoan đập, sử dụng pít-tông tạo ra những cú đập nhanh vào trục khoan, truyền năng lượng thích hợp tới mũi khoan. Mũi khoan truyền các cú đập này vào đá, phá vỡ đá thành những mảnh vụn nhỏ hơn, trong khi một thiết bị xoay đảm bảo mũi khoan chạm vào bề mặt lớp đá mới sau mỗi lần đập. Sự tiếp xúc giữa đá và mũi khoan luôn được duy trì nhờ lực dẫn tiến. Ngoài ra, khí nén được sử dụng để lấy các mẩu vụn từ lỗ khoan và tăng độ sâu lỗ khoan một cách hiệu quả.

Khoan tuần hoàn nghịch sử dụng ống khoan vách đôi. Khí nén được bơm vào giữa hai ống khoan và thoát ra khỏi ống phía sau mũi khoan. Khí nén và các mẩu vụn sau khi khoan được ép lên bề mặt mũi khoan và quay trở lại ống bên trong. Từ đó, khí nén và các mẩu vụn được đưa trở lại bề mặt và đỉnh của đầu xoay thông qua một vách ngăn và ống thoát nước.

Khoan lõi kim cương (diamond core drilling)

Cũng như khoan tuần hoàn nghịch, kỹ thuật khoan lõi kim cương đòi hỏi trình độ chuyên môn và kỹ năng cao. Khoan lõi kim cương cần ít thiết bị hơn so với khoan tuần hoàn nghịch, nhưng có chi phí cao hơn vì đây là một quá trình tốn nhiều thời gian, gấp khoảng năm lần so với khoan tuần hoàn nghịch để khoan một lượng đá tương đương. Sử dụng phương pháp khoan lõi kim cương sẽ phát sinh thêm chi phí cho mũi khoan, dụng cụ hỗ trợ khoan, nhiên liệu và nhân công.

Khoan lõi kim cương. Nguồn: MJ Drilling.

Khoan lõi kim cương sử dụng một bộ ống bằng kim cương công nghiệp để khoan xuyên qua các tầng đá. Sau khi khoan, lõi đá sẽ nằm lại ở giữa ống và được lấy làm mẫu thí nghiệm. Mẫu lõi đá này có thể được sử dụng để phân tích các thành phần của nó cũng như mối quan hệ giữa các lớp đá.

Khoan lõi kim cương đòi hỏi tốc độ cao từ 300 đến 1200 vòng/phút, trong khi vẫn giữ nguyên trọng lượng và độ xuyên sâu để đảm bảo lõi đá không bị cuốn trôi. Khoan lõi kim cương đòi hỏi kỹ năng cao vì trong các thành tạo đá cứng, trọng lượng quá lớn có thể khiến mũi khoan lõi bị cháy, trong khi trọng lượng quá nhẹ có thể làm cùn mũi khoan lõi.

Có hai cách để lấy mẫu từ mũi khoan kim cương. Ở phương pháp lấy mẫu lõi thông thường, toàn bộ ống lấy mẫu lõi phải được kéo lên bề mặt, có nghĩa là tất cả các cần khoan phải được kéo ra khỏi lỗ. Nhưng ở phương pháp lấy mẫu lõi bằng dây cáp, chỉ cần kéo ống bên trong lên trên bề mặt và hạ nó trở lại ống bằng tời qua ống khoan. Điều này giúp tiết kiệm thời gian vì ống khoan vẫn nằm trong lỗ khoan. Ở phương pháp lấy mẫu lõi bằng dây cáp, thiết bị bao gồm một máy xoay tốc độ cao hơn 1.000 vòng/phút, một hệ thống tiếp liệu sử dụng áp suất đồng đều và không đổi cho mũi khoan, và một động cơ diesel để chạy máy. Ống khoan được xử lý thủ công vì nó ngắn hơn và nhẹ hơn so với ở phương pháp khoan xoay. Máy khoan rút lõi được trang bị một máy bơm nước để bơm các mẩu vụn giữa vách lỗ khoan và ống khoan lên trên bề mặt.

Kỹ thuật khoan nào nên được sử dụng và khi nào?

Trong khai thác mỏ, kỹ thuật khoan được sử dụng để xác định thông tin về loại đá, hàm lượng khoáng chất, v.v.. Trước khi quyết định lựa chọn phương pháp khoan nào, cần cân nhắc một số vấn đề như sau:

Khoan thổi khí xoay được sử dụng phổ biến nhất để thăm dò địa điểm, khảo sát môi trường và địa kỹ thuật, đồng thời lấy mẫu vật liệu bị phong hóa và cố kết kém để thu được mẫu đất. Phương pháp này cũng có thể được sử dụng để lấy mẫu đá mới từ đá gốc nằm bên dưới lớp đất và đá bị phân hủy.

Đối với các loại đá cứng, có thể sử dụng phương pháp khoan tuần hoàn nghịch để thâm nhập đến độ sâu vài trăm mét, áp dụng cho cả mục đích thăm dò và nổ mìn. Khoan tuần hoàn nghịch cung cấp các mẫu đá vụn không bị nhiễm bẩn và có thể được sử dụng trong tất cả các loại thành tạo. Mặc dù tốn kém hơn và đòi hỏi nhiều thiết bị hơn so với các phương pháp khoan khác nhưng độ chính xác của phương pháp này khiến nó trở thành một trong những kỹ thuật khoan phổ biến nhất để thăm dò khoáng sản.

Khoan lõi kim cương được sử dụng tốt nhất đối với các thành tạo kết rắn. So với máy khoan xoay, máy khoan lõi kim cương nhỏ gọn và rất phù hợp đối với các địa điểm thăm dò ở nơi hẻo lánh. Khoan lõi kim cương cho các mẫu nguyên vẹn mặc dù có chi phí đắt hơn các kỹ thuật khoan thăm dò khác.

Một nhà quản lý dự án có kinh nghiệm sẽ lựa chọn được công nghệ khoan phù hợp để xác định tốt nhất các thông số của dự án khoan./.