巖土鉆掘工程學第7章

2024/11/6中國地質大學勘查教研室

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中國地質大學勘查教研室第一節(jié)土樣的采?。硪婚T課程將展開，自習）第二節(jié)巖礦心采取鉆探工程是獲得實物地質資料的唯一手段，直接影響著判斷地質構造、巖層性質、礦產資源及水文地質與工程地質的準確性與可靠性。對提交地質調查及礦產儲量有重要意義；工程地質勘察中取巖土樣，了解地層的物理力學性質；抽心驗樁時，取心樣以檢查樁基的質量；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、取準可靠的實物地質樣品是鉆探工作的關鍵技術之一。第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質大學勘查教研室一、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％，如果不足應進行補取。2、完整性

取出的巖心、礦心要保持其天然的結構和構造。以便劃分礦石類型，觀察其原生結構和共生關系。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中國地質大學勘查教研室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在物質成分發(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.取心部位準確

要求取上巖礦心的位置準確，為了得到巖礦層準確的埋藏深度、厚度和產狀、以準確地計算

礦產儲量和確定其地質構造。第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質大學勘查教研室二、影響巖礦心采取率與品質的因素1.自然因素

地質因素主要有巖石的強度、硬度、完整度、膠結性、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，能保持其原生結構。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，不僅原生結構遭到破壞，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中國地質大學勘查教研室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鉆具結構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)程不當壓力↑→鉆具彎曲振動→破壞巖心；壓力↓······。轉速↑→鉆具振動↑→巖心破壞加劇；轉速↓······

泵量↑沖刷力↑沖毀和磨耗巖心。循環(huán)方式不當······。第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質大學勘查教研室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，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中國地質大學勘查教研室

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中國地質大學勘查教研室第二節(jié)單層巖心管取心工具2024/11/6中國地質大學勘查教研室圖1常用卡芯工具的結構簡圖圖2.俄羅斯專用卡心工具-12024/11/6中國地質大學勘查教研室圖3俄羅斯專用卡心工具-2圖4專用卡心工具-32024/11/6中國地質大學勘查教研室

對卡簧及卡心操作的要求卡簧應有足夠強度和彈性。用彈簧鋼65錳及調質鋼40鉻加工，硬度HRC45—50?？ɑ勺杂蓛葟剑笺@頭內徑0.3mm±，自由內徑過大卡不牢巖心→中途脫落。自由內徑過小→巖心堵塞。檢查卡簧自由內徑合適否的方法，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中國地質大學勘查教研室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中國地質大學勘查教研室二、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，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中國地質大學勘查教研室三、雙管鉆具為克服單管鉆進時沖洗液對巖礦心的沖蝕。在巖心管內設置內管容納巖心，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動，內管仍可能與巖心相對轉動，對巖心造成的損害。內管在鉆進時不隨外管轉動，既避免了沖洗液對巖心的沖刷，又避免了鉆具轉動對巖心造成的不良影響。在難取心地層或高速回轉的金剛石鉆進中，往往能取得較高的取心質量。第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質大學勘查教研室

雙管鉆具結構特點

為減弱機械力對巖心破壞，鉆具中設置避振緩沖裝置.為減輕對巖心沖刷作用，鉆具中設置隔水和分流裝置.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，設置隔漿活塞、壓入式內管鉆頭、密封裝置等.為防止巖礦心脫落，設置爪簧、壓卡裝置、隔水球閥等.2024/11/6中國地質大學勘查教研室

1、雙動雙管

由雙管接頭，內、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，鉆具的內鉆頭大都超前于外鉆頭，一般為20~50mm，巖層越松散，膠結性越差，超前距離就越大。第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質大學勘查教研室

2、單動雙管鉆具由異徑接頭、外管、內管、單動裝置和卡心裝置等組成。單動軸承套與內管連接，內管下端與短節(jié)和卡簧座采用插接方式連接。利用心軸上端的螺紋調節(jié)卡簧座與鉆頭內臺階的間隙?？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中國地質大學勘查教研室沖洗液由內外管間隙到達卡簧座與鉆頭內臺階部分分流。巖心進入內管后，內管中的液體經單向閥排到內、外管之間?；卮谓Y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、中等裂隙的巖礦層。第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質大學勘查教研室

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構；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中國地質大學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中國地質大學勘查教研室第四節(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，地質效果好。減少了提鉆次數(shù)，鉆桿與孔壁間隙小，鉆頭回轉平穩(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中國地質大學勘查教研室缺點：鉆桿的內徑大而管壁薄，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備較多，一次性投資較大。地質條件：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。通常鉆孔越深其經濟技術效果越好,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中國地質大學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中國地質大學勘查教研室一、繩索取心單動雙層巖心管——由外管總成和內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。內管總成：撈矛、彈卡定位、懸掛

、到位報訊、巖心堵塞報警、單動、內管保護和調節(jié)機構。

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

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

總成和外管總成脫離，從而把內管總成提升上來。

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

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壁。彈卡室擋頭即可防止內管向上串動，又可帶動內管總成軸承上部與外管一起旋轉，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中國地質大學勘查教研室(3)懸掛機構：內管懸掛環(huán)21與外管座環(huán)22的直徑相差0.5~1.0mm。內管總成下降到外管彈卡室時，懸掛環(huán)座在座環(huán)上，使內管總成下端卡簧座51與鉆頭52內臺階2~4mm的間隙，保證內管單動。

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

第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質大學勘查教研室(5)巖心堵塞報警機構：鉆進中發(fā)生巖心堵塞或裝滿內管時，巖心對內管產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中國地質大學勘查教研室(6)單動機構：兩副推力軸承29、31使內管不隨外管轉動。(7)內管保護（緩沖機構）：拉斷巖心時內管及卡簧座下移至鉆頭內臺階上，拉力由鉆頭傳至外管，內管不受損壞。(8)調節(jié)機構：內外管組裝時，調節(jié)卡簧座與鉆頭內臺階之間隙（0~30mm）。

第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質大學勘查教研室二、打撈器——由打撈和安全脫卡機構組成打撈機構：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靠重錘以1.5~2.0m/s的速度下降，當它到達內管總成上端時，能準確鉤住撈矛頭，把內管總成提升上來。(2)安全脫卡機構：需脫卡時將內徑比重錘稍大的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，迫使其向內收縮，端部張開，從而使打撈

器與內管總成脫離。

第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質大學勘查教研室

三、繩索取心附屬工具1、鉆桿——內外平（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中國地質大學勘查教研室四、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。當判明外管和鉆桿內無巖心時，將備用內管從孔口下入鉆桿內。此時可開機緩慢轉動并開泵沖送，加快內管下降速度。若打撈不成功，則應提鉆處理。干孔中不能直接投內管，在鉆桿柱內注入沖洗液，然后迅速投入內管。確認內管已經到位才開始掃孔鉆進。第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質大學勘查教研室第五節(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

在鉆進中關水泵利用孔內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中國地質大學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內混合，進行能量傳遞和交換后流入喉管13；再經擴散管和出水孔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中國地質大學勘查教研室二、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

沖洗液經雙管水龍頭進入雙層鉆桿內外管環(huán)隙，到達孔底分流，大部分進入內管中，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；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中國地質大學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，取心質量好。巖粉及時被排出孔底干凈，減少孔底重復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中國地質大學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構，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重；（4）另外鉆探設備和附屬工具過于笨重，一次性投資大。這些問題嚴重影響了它的推廣。第七章土樣及巖礦心的采取2024/11/6中國地質大學勘查教研室第六節(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：