工程地質(zhì)鉆探技術(shù)研究

1、工程地質(zhì)鉆探技術(shù)研究 【摘 要】工程地質(zhì)鉆孔的直徑應(yīng)根據(jù)工程要求、地質(zhì)條件再結(jié)合鉆探方法、鉆探設(shè)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(duì)于軟質(zhì)巖石其直徑不宜小于108mm，對(duì)于硬質(zhì)巖石其直徑不宜小于89mm。常見的鉆探方法有很多種，根據(jù)破碎巖土的方法可分為：沖擊鉆探、回轉(zhuǎn)鉆探、沖擊回轉(zhuǎn)鉆探、振動(dòng)鉆探等。常用的地質(zhì)鉆探設(shè)備主要包括動(dòng)力機(jī)、鉆機(jī)、泥漿泵、鉆桿和鉆頭等。本文就根據(jù)自身工作經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)地質(zhì)鉆探技術(shù)的相關(guān)要點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)闡述。 【關(guān)鍵詞】地質(zhì)鉆探；鉆進(jìn)技術(shù)；鉆孔 engineerin

2、g geology drilling technology zou yan-hui （jiangxi geology and mineral exploration and development bureau 901 geological brigade pingxiang jiangxi 337000） 【abstract】engineering geology drilling diameter should be based on engineering requirements， geological conditions combined drilling method， dril

3、ling equipment shall be determined comprehensively. drilling carried out in order to divide the formation， the hole diameter is generally not less than 33mm； drilling to take undisturbed soil samples carried out， the pore size of not less than 108mm； to take samples of drill core， for soft rock with

4、 a diameter not less than 108mm， to hard rock with a diameter not less than 89mm. there are many common drilling methods， depending on the broken rock and soil can be divided into： the impact of drilling， rotary drilling， rotary drilling shock， vibration drilling. common geological drilling equipmen

5、t including power machine， drilling rig， mud pump， drill and drill and so on. in this paper， based on their experience relevant points for geological drilling technology will be described in detail. 【key words】geological drilling；drilling technology；drilling 1. 地質(zhì)鉆探技術(shù)設(shè)備現(xiàn)狀 鉆探技術(shù)設(shè)備是鉆孔工程中的關(guān)鍵組成部分，它隨著鉆探工藝

6、和鉆探方法的發(fā)展而變化，同時(shí)它也直接影響著鉆探技術(shù)水平的進(jìn)步。地質(zhì)鉆探設(shè)備是指直接用于鉆探施工中的機(jī)械設(shè)備，主要包括動(dòng)力機(jī)、鉆機(jī)、泥漿泵等，其中最重要的部分，也是核心部分為鉆機(jī)。這里主要對(duì)鉆機(jī)現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。 1.1 全液壓動(dòng)力頭巖芯鉆機(jī)。 全液壓動(dòng)力頭巖芯鉆機(jī)現(xiàn)已成為國外鉆探工程中的主流鉆機(jī)機(jī)型，而且已經(jīng)形成完整的規(guī)模，其具有如下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：液壓動(dòng)力頭式回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、無級(jí)調(diào)速模式、長行程的給進(jìn)系統(tǒng)、機(jī)械化自動(dòng)化程度高、液壓絞車式提升系統(tǒng)、配套器具齊全、在鉆孔中能做較大范圍角度調(diào)整的桅桿機(jī)構(gòu)等特點(diǎn)。 1.2 新型中深孔鉆機(jī)。 新型中深孔鉆機(jī)多為多功能鉆機(jī)。隨著復(fù)合鉆探技術(shù)的進(jìn)步，即金剛石巖芯鉆探、空氣

7、反循環(huán)連續(xù)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(fù)合鉆進(jìn)的多功能鉆機(jī)得到了飛速發(fā)展。 1.3 自動(dòng)化、智能化鉆機(jī)。 自動(dòng)化、智能化鉆機(jī)在歐美地區(qū)已經(jīng)成熟使用。一些新型的鉆機(jī)系列早已實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，如典型適合金剛石鉆進(jìn)的高轉(zhuǎn)速低扭矩鉆機(jī)適用于地表或巷道內(nèi)工作。更有一系列的鉆機(jī)真正實(shí)現(xiàn)了機(jī)臺(tái)單人操作。 1.4 國內(nèi)鉆探設(shè)備。 目前，國內(nèi)地質(zhì)鉆探設(shè)備的主力機(jī)型仍為立軸式巖芯鉆機(jī)，同時(shí)，全液壓動(dòng)力頭巖芯鉆機(jī)正在快速地增長中。而對(duì)于深部礦山區(qū)的鉆探工程，國產(chǎn)的坑道鉆機(jī)得到廣泛使用，其也得到了大規(guī)模地發(fā)展。在煤氣層鉆探中所采用的煤層氣鉆機(jī)大多采用水源鉆機(jī)、物探鉆機(jī)或進(jìn)口鉆機(jī)，這也使得國內(nèi)的

8、煤層氣鉆機(jī)能有個(gè)廣闊的市場。 2. 地質(zhì)鉆探技術(shù) 2.1 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(jù)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(shè)備，從而形成各種不同鉆探方法。在鉆進(jìn)的過程中，原始機(jī)械的方法進(jìn)行巖石的破碎現(xiàn)在仍然被采用。 2.2 根據(jù)不同的外力的作用方式，可將現(xiàn)鉆探方法分為沖擊式鉆探、回轉(zhuǎn)式鉆探、沖擊回轉(zhuǎn)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(jù)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(jù)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?zé)徙@探、砂礦床鉆探、石油天然氣鉆

9、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(qū)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?yàn)槌杀靖摺⒓夹g(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。 2.2.1 沖擊式鉆探。 （1）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(jì)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

10、鉆桿相連用一字型或十字形鉆頭，上下運(yùn)動(dòng)沖擊巖石，同時(shí)撈出巖屑和巖粉，形成鉆孔。 （2）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(shù)。沖擊頻率對(duì)鉆進(jìn)速度的影響根據(jù)沖擊的頻率不同，可將其分為4類：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(dāng)沖擊頻率達(dá)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?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)的重復(fù)次數(shù)多，孔內(nèi)的巖屑來不及排出，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)間過短，導(dǎo)致沖擊功對(duì)于巖石的作用時(shí)間不夠長，破巖不夠完全而達(dá)不到高效率的體積破碎。沖擊功大小對(duì)鉆進(jìn)速度有著最直接的影響。研究表明：在鉆頭直徑固定時(shí)，不

11、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(shù)值相差很大，這就說明了沖擊功在沖擊式鉆進(jìn)中的地位。 （3）沖擊方式及傳遞對(duì)鉆進(jìn)速度的影響按振動(dòng)源不同可分為機(jī)械式、氣（液）動(dòng)式和電磁式3種類型。其中重點(diǎn)介紹機(jī)械式?jīng)_擊鉆，機(jī)械式也稱為機(jī)械慣性式。這種利用凸輪的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生沖擊力的沖擊方式的最大特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、振動(dòng)力大，但同時(shí)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也限制了在水平孔鉆進(jìn)中的應(yīng)用。 2.2.2 回轉(zhuǎn)式鉆探。 （1）回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)是當(dāng)前用的最普通的鉆進(jìn)方法，這是利用鉆具的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)破碎巖層而成孔的一種鉆進(jìn)方法。鉆機(jī)分為大、小鍋錐鉆機(jī)，正、反循環(huán)轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)，液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)，潛孔振動(dòng)回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)等。相對(duì)簡單的回

12、轉(zhuǎn)鉆機(jī)只有簡單的鉆進(jìn)裝置，完善結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)除了具備鉆進(jìn)裝置外還具有循環(huán)洗井裝置?；剞D(zhuǎn)鉆機(jī)中的另一種轉(zhuǎn)盤式水井鉆機(jī)的鉆具包括鉆桿和鉆頭?；剞D(zhuǎn)速度視鉆機(jī)而異，如石油鉆機(jī)在一般情況下最高為160r/min，金剛石鉆機(jī)最高可達(dá)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。 （2）大、小鍋錐利用其鍋錐形鉆具旋轉(zhuǎn)切削土層，兩者都可由人力或動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)過程中切下的土屑或巖屑掉落到鍋內(nèi)，隨后提升到地面倒出。其結(jié)構(gòu)簡單工效低，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(zhuǎn)盤式鉆機(jī)由塔架、卷揚(yáng)機(jī)、轉(zhuǎn)盤、鉆具、泥漿泵、水

13、龍頭和電動(dòng)機(jī)等組成。作業(yè)時(shí)，動(dòng)力機(jī)提供的扭矩通過傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，由主動(dòng)鉆桿帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)破碎巖層。泥漿通過泥漿泵注入鉆桿與孔壁之間的環(huán)形區(qū)域起到潤滑鉆桿和冷卻鉆頭的作用。 2.2.3 沖擊回轉(zhuǎn)式鉆探。 （1）沖擊回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)是指用沖擊和回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)，在軸向鉆頭的壓力下，再利用通過鉆桿中心的液體或氣體產(chǎn)生的沖擊力，以沖擊和回轉(zhuǎn)2種方式破碎巖石，充分發(fā)揮沖擊和回轉(zhuǎn)切削2種作用來形成鉆孔或采取巖芯。這種方法起源于19世紀(jì)的歐洲，1958年才被中國地質(zhì)部所重視而開始研究，20世紀(jì)70年代發(fā)展較快。沖擊回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)在于其能大大提高硬質(zhì)層轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)

14、進(jìn)尺長度，降低鉆孔彎曲程度，明顯降低工程成本。沖擊回轉(zhuǎn)鉆探通常采用以下2種沖擊器實(shí)現(xiàn)，一種是利用鉆孔中沖洗液能量驅(qū)動(dòng)的沖擊器來實(shí)現(xiàn)，稱液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探；另一種則利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的風(fēng)動(dòng)沖擊器實(shí)現(xiàn)，稱氣動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探。 （2）液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探系統(tǒng)是有泥漿泵將沖洗液注入沖擊器驅(qū)動(dòng)液動(dòng)錘來產(chǎn)生動(dòng)力對(duì)巖芯管和鉆頭進(jìn)行沖擊，鉆桿則有鉆機(jī)提供扭矩回轉(zhuǎn)并同時(shí)對(duì)鉆頭施壓。這種鉆探方法也常與繩索取芯鉆具相結(jié)合，被稱為繩索取芯式液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探。液動(dòng)沖擊器是沖擊回轉(zhuǎn)鉆探中的關(guān)鍵組成部分。液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)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。 2.2.4 振動(dòng)式鉆探。 （1）振動(dòng)式鉆進(jìn)過

15、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(duì)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(duì)巖層周圍或土層產(chǎn)生振動(dòng)。在高頻的振動(dòng)下，巖層或土層的強(qiáng)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(xiàn)鉆進(jìn)的過程。 （2）振動(dòng)鉆進(jìn)常采用機(jī)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)器有無簧式和有簧式2類。其中有簧式振動(dòng)錘由電動(dòng)機(jī)、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，這樣既可振動(dòng)鉆進(jìn)，又可進(jìn)行沖擊振動(dòng)鉆進(jìn)。 （3）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