巖土鉆掘工程學(xué)第7章

2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

第七章土樣與巖礦心的采取1、土樣的采取

2、巖礦心采取

3、常用取心工具及方法

4、繩索取心工具

5、反循環(huán)鉆進取心

6、采集巖粉和補取巖樣國家精品課程2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)土樣的采?。硪婚T課程將展開，自習(xí)）第二節(jié)巖礦心采取鉆探工程是獲得實物地質(zhì)資料的唯一手段，直接影響著判斷地質(zhì)構(gòu)造、巖層性質(zhì)、礦產(chǎn)資源及水文地質(zhì)與工程地質(zhì)的準(zhǔn)確性與可靠性。對提交地質(zhì)調(diào)查及礦產(chǎn)儲量有重要意義；工程地質(zhì)勘察中取巖土樣，了解地層的物理力學(xué)性質(zhì)；抽心驗樁時，取心樣以檢查樁基的質(zhì)量；硬巖層中鉆大直徑鉆孔時，為提高鉆速也可采取取心鉆進以獲取比全面鉆進更高的鉆進效率。因此，如何從鉆孔中取出、取全、取準(zhǔn)可靠的實物地質(zhì)樣品是鉆探工作的關(guān)鍵技術(shù)之一。第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室一、巖礦心采取的基本要求1、巖(礦)心的采取率巖(礦)心的采取率是指在回次鉆進過程中，實際取出的巖(礦)心長度與實際鉆進進尺的比值。對巖礦心采取率要求也不同，一般：巖心不低于65％，礦心不低于75％，如果不足應(yīng)進行補取。2、完整性

取出的巖心、礦心要保持其天然的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。以便劃分礦石類型，觀察其原生結(jié)構(gòu)和共生關(guān)系。在鉆進取巖礦心盡量避免人為的破碎、顛倒和擾動。第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室3、純潔性取上的巖礦心不受外污的浸蝕，以免影響礦石的品位、物理性能等。4、避免選擇性磨損選擇性磨損會使其內(nèi)在物質(zhì)成分發(fā)生變化，造成礦物人為的貧化和富集。歪曲原來的品位和品級，喪失其代表性。5.取心部位準(zhǔn)確

要求取上巖礦心的位置準(zhǔn)確，為了得到巖礦層準(zhǔn)確的埋藏深度、厚度和產(chǎn)狀、以準(zhǔn)確地計算

礦產(chǎn)儲量和確定其地質(zhì)構(gòu)造。第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室二、影響巖礦心采取率與品質(zhì)的因素1.自然因素

地質(zhì)因素主要有巖石的強度、硬度、完整度、膠結(jié)性、研磨性和易溶度等。鉆進堅硬、致密、完整的巖礦時，巖礦心不怕沖刷、振動，取出的巖礦心完整，采心率高，能保持其原生結(jié)構(gòu)。鉆進松散、破碎、節(jié)理發(fā)育的巖礦時，取出的巖礦心多呈粒狀、塊狀和粉狀，不僅原生結(jié)構(gòu)遭到破壞，而且?guī)r礦心的采取率也低，甚至取不上巖礦心；鉆進強研磨性地層，切削具易磨鈍，鉆進效率低，回次時間長，巖礦心受外力作用時間也長，影響巖礦心采取的品級和采取率。第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室2.人為因素

2.1

鉆進方法選擇不合理鋼粒鉆進→巖礦心細→對巖礦心的磨損作用；硬合金鉆進→磨損輕微；金剛石鉆進→磨損最小。2.2鉆具結(jié)構(gòu)選用不合理不合理的具組合→離心力和水平振動，使巖心受損破壞。2.3

鉆進規(guī)程不當(dāng)壓力↑→鉆具彎曲振動→破壞巖心；壓力↓······。轉(zhuǎn)速↑→鉆具振動↑→巖心破壞加劇；轉(zhuǎn)速↓······

泵量↑沖刷力↑沖毀和磨耗巖心。循環(huán)方式不當(dāng)······。第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室2.4操作方法不正確盲目追求進尺提鉆不及時，增加巖礦心在孔底被破壞的可能性

；提動鉆具過猛或采心方法不當(dāng)，則易造成巖礦心脫落；退心時過分敲打易造成巖礦心的人為破碎和上下順序顛倒，影響巖礦心的完整性，歪曲巖礦心的層次。三、巖礦心取心難度分類根據(jù)我國目前鉆探工作所遇到的巖礦層，可大致分為五類。是研究選用取心方法和工具的依據(jù)（表7-2）。第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

第七章土樣及巖礦心的采取第三節(jié)常用取心工具及方法一、卡取巖心的方法1.卡料卡取法回次終了時從地面投入卡料(小碎石、鐵絲、鋼粒)，卡緊扭斷巖礦心。適于硬、中硬、完整巖礦層硬合金和鋼粒鉆進。2.卡簧卡取法

卡簧（也稱提斷器）卡取法在回次終了稍上提鉆具，把巖心卡住并拉斷。適于硬和中硬、巖心完整、直徑均勻巖礦層的金剛石鉆進，取心方便可靠，但對巖心直徑與卡簧的配合精度要求較高。2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第二節(jié)單層巖心管取心工具2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室圖1常用卡芯工具的結(jié)構(gòu)簡圖圖2.俄羅斯專用卡心工具-12024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室圖3俄羅斯專用卡心工具-2圖4專用卡心工具-32024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

對卡簧及卡心操作的要求卡簧應(yīng)有足夠強度和彈性。用彈簧鋼65錳及調(diào)質(zhì)鋼40鉻加工，硬度HRC45—50?？ɑ勺杂蓛?nèi)徑＜鉆頭內(nèi)徑0.3mm±，自由內(nèi)徑過大卡不牢巖心→中途脫落。自由內(nèi)徑過小→巖心堵塞。檢查卡簧自由內(nèi)徑合適否的方法，將卡簧套在巖心上既有一定抱緊力，又能在巖心上被輕輕推動。為減少殘留巖心，卡簧安放位置應(yīng)盡量靠近鉆頭底部。正常鉆進時不能提動鉆具，否則會過早提斷巖心，造成巖心堵塞。第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室3.干鉆卡取法

回次終了停水干鉆一段，讓巖粉聚集孔底塞住巖心即可提鉆。但有埋、燒鉆的危險，適用于硬合金鉆軟或粘性巖層。

4.沉淀卡取法回次終了停止循環(huán)讓管內(nèi)巖屑碎渣沉淀擠塞卡牢巖心。適用軟、脆、碎的巖層反循環(huán)鉆進。常與干鉆法結(jié)合使用。

5.楔斷器卡取法

回次終了將鉆具提出孔外，下入楔斷器，利用吊錘沖擊楔子將巖心楔斷，再下入夾具將巖心提出。該法適用于大直徑和巖石比較堅硬、完整的巖礦層鉆進。

第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室二、單層巖心管鉆具——最簡單的取心鉆具為↑采取率在單管鉆具中增加分水投球接頭和分水帽。鉆進時沖洗液通過分水接頭中心孔直接進入巖心管內(nèi)，活動分水帽呈傘形保護巖心不受沖洗液直接沖刷，且隨巖心一起上移。提鉆前投入球閥封閉中心水道，在水壓作用下球閥下移超過小卡時通水孔被打開，使孔底形成干鉆條件。第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室三、雙管鉆具為克服單管鉆進時沖洗液對巖礦心的沖蝕。在巖心管內(nèi)設(shè)置內(nèi)管容納巖心，沖洗液從二管之間流動，避免對巖心的直接沖刷，保護巖礦心。鉆進時雙管若同步轉(zhuǎn)動，內(nèi)管仍可能與巖心相對轉(zhuǎn)動，對巖心造成的損害。內(nèi)管在鉆進時不隨外管轉(zhuǎn)動，既避免了沖洗液對巖心的沖刷，又避免了鉆具轉(zhuǎn)動對巖心造成的不良影響。在難取心地層或高速回轉(zhuǎn)的金剛石鉆進中，往往能取得較高的取心質(zhì)量。第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

雙管鉆具結(jié)構(gòu)特點

為減弱機械力對巖心破壞，鉆具中設(shè)置避振緩沖裝置.為減輕對巖心沖刷作用，鉆具中設(shè)置隔水和分流裝置.為防止或緩解巖礦心互磨，雙管鉆具中增加減磨防磨裝置.為防止巖礦心污染，設(shè)置隔漿活塞、壓入式內(nèi)管鉆頭、密封裝置等.為防止巖礦心脫落，設(shè)置爪簧、壓卡裝置、隔水球閥等.2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

1、雙動雙管

由雙管接頭，內(nèi)、外巖心管、鉆頭和止逆閥組成。一般用于鉆進I一Ⅶ級的松散、易坍塌和怕沖刷的巖礦層。為保護巖礦心根部不被沖刷，鉆具的內(nèi)鉆頭大都超前于外鉆頭，一般為20~50mm，巖層越松散，膠結(jié)性越差，超前距離就越大。第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

2、單動雙管鉆具由異徑接頭、外管、內(nèi)管、單動裝置和卡心裝置等組成。單動軸承套與內(nèi)管連接，內(nèi)管下端與短節(jié)和卡簧座采用插接方式連接。利用心軸上端的螺紋調(diào)節(jié)卡簧座與鉆頭內(nèi)臺階的間隙?？ㄐ难b置包括卡簧和卡簧座。第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室沖洗液由內(nèi)外管間隙到達卡簧座與鉆頭內(nèi)臺階部分分流。巖心進入內(nèi)管后，內(nèi)管中的液體經(jīng)單向閥排到內(nèi)、外管之間?；卮谓Y(jié)束稍上提鉆具，卡簧相對下移卡緊巖心，卡簧座下移并抵在鉆頭內(nèi)臺階上。此時外管承受拉力，并提斷巖心適用于為7～12級的完整、微裂隙或不均質(zhì)、中等裂隙的巖礦層。第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

3.活塞單動雙管鉆具

由分水接頭、單動裝置、半合管、活塞和階梯鉆頭等組成。嚴(yán)密防止沖洗液接觸、污染和沖刷巖礦心。半合管保持巖礦心的原生結(jié)構(gòu)；活塞使巖礦心與泥漿隔絕。鉆進中巖礦心頂著活塞進入半合管，起刮漿和減振作用，提高了巖礦心的純潔度和取心的可靠性。階梯鉆頭體開有斜水口，沖洗液不沖刷孔底。在鉆頭水口下部與半合管間設(shè)有密封圈，防止巖礦心受到污染。第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室下鉆先送水將活塞推到底部再開車掃孔。掃孔完畢后投入鋼球。鉆進中水壓推動球閥向下打開通水孔，改變液流方向，使活塞上部免受動水壓力，防止孔底缺水燒鉆。嚴(yán)禁提動鉆具，以免污染礦心。適于可鉆性為4～6級的松散、粉狀、節(jié)理發(fā)育、怕污染的巖礦層。在滑石、石墨礦中取心效果尤其顯著。第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第四節(jié)繩索取心工具繩索取心：鉆進中巖心充滿巖心管后不需提鉆，借助繩索和專用打撈工具從鉆桿中把內(nèi)管及巖心提至地表的取心方法。極大地減少了起下鉆具時間，機械化程度高，增加純鉆進時間，雖然繩索取心鉆頭壁更厚，機械鉆速略低于普通鉆頭。總的鉆效提高了，且這種趨勢隨孔深的增大而增大。巖心堵塞后能即時報警，巖心采取率高，地質(zhì)效果好。減少了提鉆次數(shù)，鉆桿與孔壁間隙小，鉆頭回轉(zhuǎn)平穩(wěn)，鉆頭壽命比普通鉆頭壽命高一倍左右。降低鉆探成本。第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室缺點：鉆桿的內(nèi)徑大而管壁薄，鉆頭壁較厚，鉆進時碎巖功率消耗較大。繩索取心鉆具配套設(shè)備較多，一次性投資較大。地質(zhì)條件：適于各種地層，在6~9級中硬巖層中效果最好。一般不宜鉆10~12級巖石。這時鉆效極低，鉆頭極易磨損，不能充分發(fā)揮繩索取心鉆進的優(yōu)越性。繩索取心與液動沖擊器相配合，鉆進硬地層有良好的前景。繩索取心一般在深孔中采用。通常鉆孔越深其經(jīng)濟技術(shù)效果越好,但最大深度受鉆桿強度制約。若繩索取心鉆頭壽命短，便失去了繩索取心的意義。第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室繩索取心鉆具的規(guī)格和型號第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室一、繩索取心單動雙層巖心管——由外管總成和內(nèi)管總成組成外管總成：彈卡擋頭1、

彈卡室7、穩(wěn)定接頭23（上擴孔器）、外管46和鉆頭52。內(nèi)管總成：撈矛、彈卡定位、懸掛

、到位報訊、巖心堵塞報警、單動、內(nèi)管保護和調(diào)節(jié)機構(gòu)。

第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室(1)撈矛機構(gòu)由撈矛頭2和回收管4等組成。取心時打撈器在鉆桿內(nèi)下放到內(nèi)管總成上端

，打撈鉤抓住撈矛，向上提升打撈器使回收管上移，并向內(nèi)壓縮彈卡6使其收攏，于是內(nèi)管

總成和外管總成脫離，從而把內(nèi)管總成提升上來。

第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室(2)彈卡定位機構(gòu)：彈卡6、張簧5和彈卡座10。內(nèi)管總成在鉆桿內(nèi)下放時

彈卡外張，一旦到達外管的彈卡室

7，彈卡兩翼貼附在彈卡室內(nèi)壁。彈卡室擋頭即可防止內(nèi)管向上串動，又可帶動內(nèi)管總成軸承上部與外管一起旋轉(zhuǎn)，以免因相對運動造成彈卡磨損。

第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室(3)懸掛機構(gòu)：內(nèi)管懸掛環(huán)21與外管座環(huán)22的直徑相差0.5~1.0mm。內(nèi)管總成下降到外管彈卡室時，懸掛環(huán)座在座環(huán)上，使內(nèi)管總成下端卡簧座51與鉆頭52內(nèi)臺階2~4mm的間隙，保證內(nèi)管單動。

第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室(4)到位報信機構(gòu)：沖洗液下送內(nèi)管總成時，沖洗液由內(nèi)管外環(huán)間隙通過；內(nèi)管坐在懸掛機構(gòu)上時，沖洗液通道被堵泵壓明顯升高(0.5~1MPa)，表明內(nèi)管已到位。此時閥堵39打開，泵壓恢復(fù)正常，可以正常鉆進。

第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室(5)巖心堵塞報警機構(gòu)：鉆進中發(fā)生巖心堵塞或裝滿內(nèi)管時，巖心對內(nèi)管產(chǎn)生的頂推力壓縮碟簧，使滑套24上移堵塞接頭38的通水孔，造成泵壓升高，告誡操作者應(yīng)停止鉆進，撈取巖心

。

第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室(6)單動機構(gòu)：兩副推力軸承29、31使內(nèi)管不隨外管轉(zhuǎn)動。(7)內(nèi)管保護（緩沖機構(gòu)）：拉斷巖心時內(nèi)管及卡簧座下移至鉆頭內(nèi)臺階上，拉力由鉆頭傳至外管，內(nèi)管不受損壞。(8)調(diào)節(jié)機構(gòu)：內(nèi)外管組裝時，調(diào)節(jié)卡簧座與鉆頭內(nèi)臺階之間隙（0~30mm）。

第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室二、打撈器——由打撈和安全脫卡機構(gòu)組成打撈機構(gòu)：打撈鉤1、打撈鉤架3、重錘7和鋼絲繩接頭。取心時，用鋼絲繩把打撈器放入鉆桿內(nèi)靠重錘以1.5~2.0m/s的速度下降，當(dāng)它到達內(nèi)管總成上端時，能準(zhǔn)確鉤住撈矛頭，把內(nèi)管總成提升上來。(2)安全脫卡機構(gòu)：需脫卡時將內(nèi)徑比重錘稍大的1m長套管(壁上開有斜口)套入鋼絲繩,靠自重下降，撞擊并罩住打撈鉤尾部，迫使其向內(nèi)收縮，端部張開，從而使打撈

器與內(nèi)管總成脫離。

第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室

三、繩索取心附屬工具1、鉆桿——內(nèi)外平（包括接頭）、強度、同心、垂直。2、繩索取心絞車：專用于下放打撈器和打撈巖心管。3、鉆桿夾持器：用于夾持外平的繩索取心鉆桿的夾持器有腳踏夾持器(木馬夾持器)和球卡夾持器兩種型式。第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室四、工藝過程注意事項打撈器到底可緩慢提動鋼絲繩。若有沖洗液由鉆桿中溢出說明打撈可能成功，否則需再次下打撈器。當(dāng)判明外管和鉆桿內(nèi)無巖心時，將備用內(nèi)管從孔口下入鉆桿內(nèi)。此時可開機緩慢轉(zhuǎn)動并開泵沖送，加快內(nèi)管下降速度。若打撈不成功，則應(yīng)提鉆處理。干孔中不能直接投內(nèi)管，在鉆桿柱內(nèi)注入沖洗液，然后迅速投入內(nèi)管。確認(rèn)內(nèi)管已經(jīng)到位才開始掃孔鉆進。第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第五節(jié)反循環(huán)鉆進取心

一、孔底局部反循環(huán)取心1.無泵反循環(huán)鉆具

在鉆進中關(guān)水泵利用孔內(nèi)的靜水柱壓力和上下提動鉆具在孔底形成局部反循環(huán)沖洗孔底鉆進。

2.噴射式孔底反循環(huán)鉆具

噴射式孔底反循環(huán)鉆具（噴反鉆具）不必頻繁提動鉆具，而是利用射流泵工作原理形成孔底反循環(huán)。噴反鉆具是在一般鉆具上增設(shè)噴反元件，噴反元件由噴嘴、混合室、喉管、擴散管、分水接頭等組成。

第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工作原理：高壓沖洗液沿鉆桿進入噴嘴4，高速3~15m/s射入擴散管5。噴嘴與擴散管周圍的液體被射流帶走一部分而形成負壓區(qū)。在壓差作用下，下部巖心管8中液體被抽吸到噴射器里，高速液流和吸入的液體在混合室12內(nèi)混合，進行能量傳遞和交換后流入喉管13；再經(jīng)擴散管和出水孔11或彎管排出。排出的沖洗液一部分沿鉆桿外環(huán)返回地面；一部分在負壓下流向孔底，沖洗孔底。改變沖洗液量或調(diào)節(jié)噴射器元件參數(shù)，就能控制孔底反循環(huán)沖洗的強弱。

第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室二、全孔反循環(huán)取心

1.全孔反循環(huán)分類：氣舉反循環(huán)、泵吸反循環(huán)、泵壓反循環(huán)。2.全孔反循環(huán)工作原理

沖洗液經(jīng)雙管水龍頭進入雙層鉆桿內(nèi)外管環(huán)隙，到達孔底分流，大部分進入內(nèi)管中，以反循環(huán)方式向上流動把巖心及巖屑攜帶到水龍頭處，通過軟管將巖心排至巖心收集器內(nèi)；另一小部沖洗液從鉆桿外環(huán)以正循環(huán)方式緩慢向上流，穩(wěn)定孔壁和潤滑鉆具用。改變所用鉆頭形式可分別得到巖心和巖屑。取心鉆頭在鉆具內(nèi)管下部裝有巖心切斷器，巖心成段地連續(xù)從孔底輸至地表。若采用牙輪鉆頭，那么得到的就是巖屑被輸至地表。第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第七章土樣及巖礦心的采取全孔反循環(huán)連續(xù)取心的優(yōu)點無需提鉆減少了輔助時間，鉆效高。巖心采取率達95％以上，取心質(zhì)量好。巖粉及時被排出孔底干凈，減少孔底重復(fù)破碎大幅度提高時效，延長鉆頭壽命。易于穿過坍、漏、破碎等復(fù)雜地層。單位成本低。相同地層條件下，反循環(huán)連續(xù)取心鉆進的成本，僅為普通取心鉆進的1/5~1/3。2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室目前存在的問題（1）鉆進深度和巖層有一定的局限性，遠不能完全取代普通巖心鉆探；（2）碎屑狀的巖樣破壞了地層的原狀結(jié)構(gòu)，難以直接獲得所鉆地層的真實屬性；（3）堅硬巖層，巖心難以切斷或巖心切斷器磨損嚴(yán)重；（4）另外鉆探設(shè)備和附屬工具過于笨重，一次性投資大。這些問題嚴(yán)重影響了它的推廣。第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第六節(jié)采集巖粉和補取巖樣

一、采集巖粉

正循環(huán)鉆進時采集的巖粉只作為輔助樣品；孔底局部反循環(huán)巖粉收集裝置獲得的巖粉才具有代表性。1.巖粉沉淀槽：