工程地質(zhì)鉆探技術(shù)的發(fā)展現狀及應用

  摘 要：工程地質(zhì)鉆孔的直徑應根據工程要求、地質(zhì)條件再結合鉆探方法、鉆探設備予以綜合確定。為了劃分地層而進(jìn)行的鉆孔，鉆孔直徑一般不宜小于33mm；為采取原狀土樣而進(jìn)行的鉆孔，孔徑大小不宜小于108mm；為采取巖芯試樣的鉆孔，對于軟質(zhì)巖石其直徑不宜小于108mm，對于硬質(zhì)巖石其直徑不宜小于89mm。常見(jiàn)的鉆探方法有很多種，根據破碎巖土的方法可分為：沖擊鉆探、回轉鉆探、沖擊回轉鉆探、振動(dòng)鉆探等。常用的地質(zhì)鉆探設備主要包括動(dòng)力機、鉆機、泥漿泵、鉆桿和鉆頭等。本文就根據自身工作經(jīng)驗，針對地質(zhì)鉆探技術(shù)的相關(guān)要點(diǎn)進(jìn)行詳細闡述。  關(guān)鍵詞：地質(zhì)鉆探；鉆進(jìn)技術(shù)；鉆孔

 

  1 地質(zhì)鉆探技術(shù)設備現狀

 

  鉆探技術(shù)設備是鉆孔工程中的關(guān)鍵組成部分，它隨著(zhù)鉆探工藝和鉆探方法的發(fā)展而變化，同時(shí)它也直接影響著(zhù)鉆探技術(shù)水平的進(jìn)步。地質(zhì)鉆探設備是指直接用于鉆探施工中的機械設備，主要包括動(dòng)力機、鉆機、泥漿泵等，其中最重要的部分，也是核心部分為鉆機。這里主要對鉆機現狀進(jìn)行闡述。

 

  1．1 全液壓動(dòng)力頭巖芯鉆機

 

  全液壓動(dòng)力頭巖芯鉆機現已成為國外鉆探工程中的主流鉆機機型，而且已經(jīng)形成完整的規模，其具有如下結構特點(diǎn)：液壓動(dòng)力頭式回轉機構、無(wú)級調速模式、長(cháng)行程的給進(jìn)系統、機械化自動(dòng)化程度高、液壓絞車(chē)式提升系統、配套器具齊全、在鉆孔中能做較大范圍角度調整的桅桿機構等特點(diǎn)。

 

  1．2 新型中深孔鉆機

 

  新型中深孔鉆機多為多功能鉆機。隨著(zhù)復合鉆探技術(shù)的進(jìn)步，即金剛石巖芯鉆探、空氣反循環(huán)連續取樣鉆探、空氣潛行錘取樣鉆探等鉆進(jìn)工藝的廣泛使用，適用該復合鉆進(jìn)的多功能鉆機得到了飛速發(fā)展。

 

  1．3 自動(dòng)化、智能化鉆機 自動(dòng)化、智能化鉆機在歐美地區已經(jīng)成熟使用。一些新型的鉆機系列早已實(shí)現全自動(dòng)化，如典型適合金剛石鉆進(jìn)的高轉速低扭矩鉆機適用于地表或巷道內工作。更有一系列的鉆機真正實(shí)現了機臺單人操作。

 

  1．4 國內鉆探設備

 

  目前，國內地質(zhì)鉆探設備的主力機型仍為立軸式巖芯鉆機，同時(shí)，全液壓動(dòng)力頭巖芯鉆機正在快速地增長(cháng)中。而對于深部礦山區的鉆探工程，國產(chǎn)的坑道鉆機得到廣泛使用，其也得到了大規模地發(fā)展。在煤氣層鉆探中所采用的煤層氣鉆機大多采用水源鉆機、物探鉆機或進(jìn)口鉆機，這也使得國內的煤層氣鉆機能有個(gè)廣闊的市場(chǎng)。

 

  2 地質(zhì)鉆探技術(shù)

 

  地下鉆探技術(shù)是向地質(zhì)體鉆孔并破碎孔底巖石的方法及鉆進(jìn)工藝的綜合。根據不同的鉆進(jìn)目的，我們可以采取不同的鉆進(jìn)方式和鉆探設備，從而形成各種不同鉆探方法。在鉆進(jìn)的過(guò)程中，原始機械的方法進(jìn)行巖石的破碎現在仍然被采用。  根據不同的外力的作用方式，可將現鉆探方法分為沖擊式鉆探、回轉式鉆探、沖擊回轉式鉆探和振動(dòng)式鉆探，個(gè)別特殊地層條件下噴射式鉆探也常常被采用。如果根據鉆探切削工具的不同又可將鉆探方法分為鋼粒鉆探、硬質(zhì)合金鉆探和金剛石鉆探。根據鉆探的目的和作用不同可分為水文地質(zhì)鉆探、固體礦產(chǎn)鉆探、工程地質(zhì)鉆探、地熱鉆探、砂礦床鉆探、石油天然氣鉆探、科學(xué)（超深孔）鉆探和地表取樣鉆探等。如按所用沖洗液和循環(huán)方式又可分為泥漿鉆探、清水鉆探、空氣鉆探、正循環(huán)鉆探以及反循環(huán)鉆探等。按鉆探區域的不同又可分為極地鉆探、陸地鉆探、水域鉆探以及月面鉆探等。除此之外，還有一些高效的鉆探方法如熱力法、熔融法和化學(xué)方法等，但這些方法因為成本高、技術(shù)難度大而未得到廣泛適用。其中熱力法包括高頻電流鉆、火焰噴射鉆、微波鉆等，熔融法包含等離子鉆、電熱鉆、激光鉆等，而化學(xué)方法常用的是利用化學(xué)試劑將巖石進(jìn)行破碎。

 

  2．1 沖擊式鉆探

 

  沖擊式鉆進(jìn)是始創(chuàng )于中國的一種古老的鉆井方法，早在11世紀傳入西方，目前在中國和國外都還在廣泛適用。其鉆進(jìn)原理在于使用鋼絲繩或鉆桿相連用一字型或十字形鉆頭，上下運動(dòng)沖擊巖石，同時(shí)撈出巖屑和巖粉，形成鉆孔。

 

  影響沖擊鉆進(jìn)的速度主要是沖擊頻率、沖擊功、沖擊方式及傳遞三要數。沖擊頻率對鉆進(jìn)速度的影響根據沖擊的頻率不同，可將其分為4類(lèi)：低頻、中頻、高頻和超高頻。沖擊頻率與鉆進(jìn)效率是成正比的，但當沖擊頻率達到某一定值后，這個(gè)比例關(guān)系就不再存在，相反而有所下降。這是因為單位時(shí)間內的重復次數多，孔內的巖屑來(lái)不及排出，沉積在鉆頭部位起到一個(gè)緩沖的作用。另外，沖擊頻率大，必然沖擊時(shí)間過(guò)短，導致沖擊功對于巖石的作用時(shí)間不夠長(cháng)，破巖不夠完全而達不到高效率的體積破碎。沖擊功大小對鉆進(jìn)速度有著(zhù)最直接的影響。研究表明：在鉆頭直徑固定時(shí)，不同的沖擊功破碎的單位體積巖石所需的沖擊功是不同的，而且數值相差很大，這就說(shuō)明了沖擊功在沖擊式鉆進(jìn)中的地位。

 

  沖擊方式及傳遞對鉆進(jìn)速度的影響按振動(dòng)源不同可分為機械式、氣（液）動(dòng)式和電磁式3種類(lèi)型。其中重點(diǎn)介紹機械式?jīng)_擊鉆，機械式也稱(chēng)為機械慣性式。這種利用凸輪的旋轉產(chǎn)生沖擊力的沖擊方式的最大特點(diǎn)就是結構簡(jiǎn)單、制造容易、振動(dòng)力大，但同時(shí)其結構特點(diǎn)也限制了在水平孔鉆進(jìn)中的應用。

 

  2．2 回轉式鉆探

 

  回轉式鉆進(jìn)是當前用的最普通的鉆進(jìn)方法，這是利用鉆具的回轉運動(dòng)破碎巖層而成孔的一種鉆進(jìn)方法。鉆機分為大、小鍋錐鉆機，正、反循環(huán)轉盤(pán)式鉆機，液壓動(dòng)力頭式鉆機，潛孔振動(dòng)回轉式鉆機等。相對簡(jiǎn)單的回轉鉆機只有簡(jiǎn)單的鉆進(jìn)裝置，完善結構的回轉式鉆機除了具備鉆進(jìn)裝置外還具有循環(huán)洗井裝置?；剞D鉆機中的另一種轉盤(pán)式水井鉆機的鉆具包括鉆桿和鉆頭?；剞D速度視鉆機而異，如石油鉆機在一般情況下最高為160r/min，金剛石鉆機最高可達到2400r/min。常用的鉆桿的名義直徑有60、73、89和114mm等4種，鉆頭分全面鉆進(jìn)用鉆頭和環(huán)狀鉆進(jìn)用鉆頭2大類(lèi)。

 

  大、小鍋錐利用其鍋錐形鉆具旋轉切削土層，兩者都可由人力或動(dòng)力驅動(dòng)。旋轉過(guò)程中切下的土屑或巖屑掉落到鍋內，隨后提升到地面倒出。其結構簡(jiǎn)單工效低，只能用于一般的土層或軟質(zhì)巖層地層條件。正、反循環(huán)泥漿洗井轉盤(pán)式鉆機由塔架、卷?yè)P機、轉盤(pán)、鉆具、泥漿泵、水龍頭和電動(dòng)機等組成。作業(yè)時(shí)，動(dòng)力機提供的扭矩通過(guò)傳動(dòng)裝置驅動(dòng)轉盤(pán)，由主動(dòng)鉆桿帶動(dòng)鉆頭旋轉破碎巖層。泥漿通過(guò)泥漿泵注入鉆桿與孔壁之間的環(huán)形區域起到潤滑鉆桿和冷卻鉆頭的作用。

 

  2．3 沖擊回轉式鉆探

 

  沖擊回轉式鉆進(jìn)是指用沖擊和回轉2種方式同時(shí)破碎巖石的鉆探方式。作業(yè)時(shí)，以鉆桿帶動(dòng)鉆頭低轉速回轉，在軸向鉆頭的壓力下，再利用通過(guò)鉆桿中心的液體或氣體產(chǎn)生的沖擊力，以沖擊和回轉2種方式破碎巖石，充分發(fā)揮沖擊和回轉切削2種作用來(lái)形成鉆孔或采取巖芯。這種方法起源于19世紀的歐洲，1958年才被中國地質(zhì)部所重視而開(kāi)始研究，20世紀70年代發(fā)展較快。沖擊回轉式鉆進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)在于其能大大提高硬質(zhì)層轉速和回轉進(jìn)尺長(cháng)度，降低鉆孔彎曲程度，明顯降低工程成本。沖擊回轉鉆探通常采用以下2種沖擊器實(shí)現，一種是利用鉆孔中沖洗液能量驅動(dòng)的沖擊器來(lái)實(shí)現，稱(chēng)液動(dòng)沖擊回轉鉆探；另一種則利用壓縮空氣驅動(dòng)的風(fēng)動(dòng)沖擊器實(shí)現，稱(chēng)氣動(dòng)沖擊回轉鉆探。

 

  液動(dòng)沖擊回轉鉆探系統是有泥漿泵將沖洗液注入沖擊器驅動(dòng)液動(dòng)錘來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力對巖芯管和鉆頭進(jìn)行沖擊，鉆桿則有鉆機提供扭矩回轉并同時(shí)對鉆頭施壓。這種鉆探方法也常與繩索取芯鉆具相結合，被稱(chēng)為繩索取芯式液動(dòng)沖擊回轉鉆探。液動(dòng)沖擊器是沖擊回轉鉆探中的關(guān)鍵組成部分。液動(dòng)沖擊回轉鉆探適用于地質(zhì)巖芯鉆探、工程地質(zhì)鉆探等，而且適合反循環(huán)鉆探和深孔鉆探中。

 

  2．4 振動(dòng)式鉆探

 

  振動(dòng)式鉆進(jìn)過(guò)程中利用振動(dòng)器帶動(dòng)鉆桿和碎巖工具產(chǎn)生周期性振動(dòng)力。它除利用地表振動(dòng)器和鉆具對地層產(chǎn)生垂直靜載外，還有鉆具上下振動(dòng)產(chǎn)生的高頻沖擊振動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)載，對巖層周?chē)蛲翆赢a(chǎn)生振動(dòng)。在高頻的振動(dòng)下，巖層或土層的強度下降，巖層和土層在鉆具和振動(dòng)器自重和振動(dòng)力的聯(lián)合作用下，使鉆頭鉆進(jìn)巖土層，從而實(shí)現鉆進(jìn)的過(guò)程。

 

  振動(dòng)鉆進(jìn)常采用機械式雙輪雙軸振動(dòng)器，其采用雙軸水平布置外，還可以上下平行布置。這樣布置后不僅可以產(chǎn)生垂直振動(dòng)，還可以產(chǎn)生橫向振動(dòng)。此外，還有單軸單輪振動(dòng)器和單軸雙輪振動(dòng)器等布置方式。常用的振動(dòng)器有無(wú)簧式和有簧式2類(lèi)。其中有簧式振動(dòng)錘由電動(dòng)機、振動(dòng)器、彈簧、沖頭、砧子和接頭組成。其特點(diǎn)是振動(dòng)其與鉆具分開(kāi)，這樣既可振動(dòng)鉆進(jìn)，又可進(jìn)行沖擊振動(dòng)鉆進(jìn)。  另外噴射式鉆探技術(shù)是利用鉆孔沖洗液流經(jīng)鉆頭噴嘴所形成的高壓高能射流充分地清洗孔底的鉆屑，使鉆屑免于重復削切，并與機械作用聯(lián)合破碎孔底巖石，達到提高機械轉速的一種鉆進(jìn)技術(shù)。

 

  4 結束語(yǔ)

 

  隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，鉆探工程在地質(zhì)勘探、礦物開(kāi)采等很多領(lǐng)域的應用將會(huì )日益增大，并且與其他尖端的科技將會(huì )結合應用，如地殼科學(xué)深鉆等?？茖W(xué)的不斷發(fā)展在一定程度上為鉆探工程提供了一個(gè)更為廣闊的應用前景，同時(shí)也給鉆探工程帶來(lái)了緊迫感。鉆探技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步可能對整個(gè)地質(zhì)學(xué)理論帶來(lái)挑戰，從而促使資源、新材料以及地質(zhì)災害的防治提供更為全面、準確的數據。