TGQ-15型輕便取樣鉆機鉆具改進實驗及其應用

邢宇鑫，唐 磊,2，肖 爽，馮金國，李 喆，韓娟娟

（1.北京市地質工程設計研究院，北京 100500; 2.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083）

TGQ-15型輕便取樣鉆機鉆具改進實驗及其應用

邢宇鑫1，唐 磊1,2，肖 爽1，馮金國1，李 喆1，韓娟娟1

（1.北京市地質工程設計研究院，北京 100500; 2.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083）

結合北京市土壤地質環境情況，改進以鉆代槽（淺層鉆探技術）。選取TGQ-15型輕便取樣鉆機，在北京市平原區、山區共開展兩種類型改進應用實驗，即取樣管改進應用實驗和取樣管外部刻度尺改進應用實驗。在河床沉積區、河床一級階地和山前坡積區，3種不同的區域選擇不同的方法采集樣品分析測試。結果表明：經過不同材質對比以及樣式設計的有機玻璃管用來取樣及存儲土壤樣品是安全的，并且土壤中的重金屬含量不會受到影響；通過對3個不同地貌單元的分析評價后得出結論，鉆機采取垂直樣品過程中，Cu（銅）、Zn（鋅）、Pb（鉛）、Cr（鉻）、Ni、Cd（鎘）、AS（砷）和Hg的含量未受影響，其分析評價結果可以反應取樣區域的污染狀況；經過改進設計的刻度尺，提高了孔深校正的效率和精度，同時便于地質地層的編錄。總之，鉆機的改進避免了土壤的人為污染，提高了土壤樣品質量，同時提高了取樣效率。

土壤；取樣管；刻度尺；分析測試

0 前言

國務院在2016年5月28日印發 《土壤污染防治行動計劃》，對今后一個時期我國土壤污染防治工作做出了全面戰略部署，開展土壤污染調查，掌握土壤環境質量狀況工作迫在眉睫，而化探取樣技術作為土壤調查的基礎，對于以鉆代槽（淺層鉆探技術）的探索尤為重要（溫克強，1981；馬連成等，2003）。

傳統的化探取樣停留在人工取樣（如洛陽鏟）、槽（井）探等工程方法。但隨著礦產勘查向找尋深部礦、隱伏礦的轉向，加上槽（井）探不可能開挖很深、很大的范圍等本身的局限性，使槽（井）探的應用范圍日趨狹小，在這種情況下，淺層鉆探技術的研究得到了長足的發展（田樹偉等，2008）。同時，淺層取樣鉆探技術的發展基本解決了難進入地區、特殊淺覆蓋地層取樣的難題，改變了井探、槽探和人工挖掘等破壞生態的傳統地質取樣方法，可以達到保護環境、降低成本、有的放矢的經濟型勘探，以鉆代槽勘查技術方法與應用研究正成為國內外較為流行的趨勢（王建華等，2011；譚春亮等，2012；寧國軍等，2015）。

1 問題與創新

1.1 存在問題

專用于取樣的技術在國外很早就開始研究了，特別是歐美等地質、環境研究比較發達的國家。小型、輕便型的淺層取樣鉆機具的技術水平較國內發展早、技術水平高、種類多。這些設備的研發工作主要應用于平原地區，使用高效的大型空氣反循環鉆探設備完成。針對農業、環境、地下水、土壤的地質調查取樣等工作研制的輕便鉆探設備，并不能完全適應國內的地質調查工作。如美國紹爾背包式鉆機，該鉆機輸出轉速高，取心直徑僅為20.5mm，在地質調查工作中使用局限性較大；加拿大4M便攜式巖心鉆機，該鉆機輸出轉速過高，沒有穩固的鉆架，提升力不足，應用效果不好；加拿大維克振動鉆機，該鉆機采用高頻振動鉆進方式，主要用于軟土層及沉積物鉆進取樣，用于環境鉆探；美國維基winkie鉆機，該鉆機輸出轉速為2800 r/min和1200 r/min，輸出轉速高，扭矩小，鉆架不穩固，提升力較小，在復雜地層鉆進時處理孔內事故的能力較差等（趙洪波等，2016）。

國內根據不同的地質景觀開展了大量的淺層鉆探設備及其配套鉆具的研究，形成了輕便淺層取樣鉆機系列和機動淺層取樣鉆機系列（趙洪波等，2014；朱文鑒等，2004）（表1）。

表1 淺層鉆探設備分類及應用Tab.1 Classif i cation and application of shallow drilling equipment

1.2 鉆機改進創新需求

（1）取樣器創新應用

傳統的取樣方法是通過取樣器取出土樣后，然后將土樣倒到取樣袋里面，這個過程中不僅鉆具的內壁對土壤樣品造成了污染，而且在倒樣時樣品大面積接觸空氣，對樣品的濕度、化學性質等產生了影響，最終影響化驗數據的準確性（趙洪波等，2011）。針對這種問題，本次實驗設計有機玻璃取樣管保證數據的有效性。

（2）刻度尺創新應用

鉆探取樣每個回次的樣品長度必須用鋼卷尺一一量取，不僅使得取樣工作變得繁瑣，效率低下，而且量取的樣品長度的準確性也得不到保證。本次實驗對設計使用便攜且不易損壞的刻度尺配件。

2 鉆機取樣改進實驗

2.1 樣品存儲器設計實驗

（1）實驗設計

改進鉆具的目的在于克服之前鉆具的不足，最終提供一種通用性好、操作簡便的取樣管。采用兩種管體不同材質的取樣管進行試驗，管體分別由透明PVC和聚甲基丙烯酸甲酯（有機玻璃）制作。管壁標注毫米精度的刻度，管壁外徑50mm，內徑46mm，長度303mm。對兩端切口進行切割處理，保證管口無污染、平整；管蓋采用抗老化PVC，設計logo及項目專有標識。取樣管的通用性能好，操作也簡便，能有效提高效率，節省時間。

（2）測試分析

通過實驗形式分析測試透明PVC和有機玻璃管在不同溶液環境中釋放重金屬的含量，本次實驗選擇的環境為一般水溶液和酸性溶液，將透明PVC和有機玻璃管在兩種不同溶液浸泡，時間超過48小時，分析溶液中的重金屬含量見表2、表3。

通過分析測試結果表2顯示，PVC材質取樣管所有樣品中的個別重金屬元素Cr（鉻）、SO42-超出背景值；有機玻璃管所有樣品中的重金屬元素含量均在一級水質臨界值以下，但是從表3中可以看出，個別重金屬元素在酸性溶液中析出的重金屬要略高于一般水溶液。其中，析出的元素有Cr（鉻）和Zn（鋅）兩種。而其他元素在兩種溶液環境中析出量較少或基本無析出。經過對比分析，兩種材質取樣管均存在個別重金屬在酸性溶液中少量析出，但是有機玻璃管總體析出值明顯低于透明PVC。結果表明有機玻璃管材質取樣管能夠滿足項目應用的需求。

（3）應用效果

通過這項技術改進，主要取得以下成效：①在鉆進過程中直接將土壤樣品裝進了取樣管，樣品與取樣管接觸，避免了鉆具對樣品的污染，鉆具提出后，將裝有樣品的取樣管取出，然后用密封蓋將兩頭密封，杜絕了樣品與空氣接觸，保證了土壤樣品的質量，也便于樣品保存。②取樣管以30cm為一個固定單位，更有利于現場編錄時土壤分層。

表2 PVC取樣管在不同環境中的重金屬元素值Tab.2 Heavy metal values of PVC sampling tubes in different environments

表3 有機玻璃取樣管在不同環境中的重金屬元素值Tab.3 The value of heavy metals in organic glass sampling tubes in different environments

2.2 不同地貌單元對比實驗

針對垂直樣品的采取，本次實驗選擇的手段是小口徑鉆機回次取樣。通過以往對垂直樣品的分析結果可知，污染重金屬元素的富集深度一般在2m以上，所以本次對比實驗的垂直樣品最深樣品為180cm，分別選取的3個地貌單元為：河床沉積區、河床一級階地和山前坡積區。每個地貌單元選取一個20m2的區域，平行挖掘兩個探槽、平行布設兩個鉆孔，以30cm為一深度，分別取樣6件，一個地貌單元共取樣24件。

對測試結果針對每個地貌單元采取同一層位進行分析比較可知，以0～60cm地層為例：

河床一級階地現為農田種植區，主要分布著粉土、粘質粉土、粉砂以及砂礫石。通過本次對比實驗的分析結果，各個重金屬元素的標準偏差都很小，而且實測值均小于國標一級背景值，即鉆機取芯與實際取芯在表層幾乎無差異，詳見表4。

山前坡積區主要為坡積層，實驗區原為農田，主要的土壤性質為粉土、粘質粉土和粘土。通過對比實驗測試結果可知，各個重金屬元素的標準偏差都很小，而且實測值均小于國標一級背景值，即鉆機取芯與實際取芯在表層幾乎無差異，詳見表5。

河漫灘主要為粉土、粘質粉土和砂礫石。通過實驗測試結果可知，重金屬元素整體來看差異不是很明顯，只有元素Cu（銅）和Zn（鋅）的個別鉆孔樣超過國標一級背景1.5倍左右，其他重金屬元素的標準偏差在每一層位值波動很小，詳見表6。

表4 一級階地槽位、孔位0～60cm結果對比Tab.4 Level terrace slot and hole 0 to 60 cm result contrast

表5 山前坡積槽位、孔位0～60cm結果對比Tab.5 Piedmont diluvial slot hole, 0 to 60 cm result contrast

表6 河漫灘槽位、孔位0～60cm結果對比Tab.6 The number of the fl ood land slot, 0 to 60 cm result contrast

3 結論

（1）通過浸泡實驗和分析測試結果可以得出結論：透明PVC材質取樣管析出重金屬元素高于有機玻璃，有機玻璃管可以用來安全的儲存樣品，且其樣品中的重金屬含量不會受到影響；軟塑料材質在兩種溶液中浸泡結果略好于硬塑料材質；所以采用有機玻璃管和軟塑料蓋用來采取、運輸和儲存樣品。

（2）通過上述對3個不同地貌單元的分析評價后得出結論：鉆機采取垂直樣品過程中，Cu（銅）、Zn（鋅）、Pb（鉛）、Cr（鉻）、Ni、Cd（鎘）、AS（砷）和Hg的含量未受影響，其分析評價結果可以反應取樣區域的污染狀況。

（3）經過改進設計的刻度尺，提高了孔深校正的效率和精度，同時便于地質地層的編錄。

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Improvement Experiment of the TGQ-15 Portable Sampling Drill Rig and Its Application

XING Yuxin1, TANG Lei1,2, XIAO Shuang1, FENG Jinguo1, LI Zhe1, HAN Juanjuan1

(1.Beijing Geological Engineering Design and Research Institute, Beijing 100500; 2.School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083)

Based on the geological soil environmental conditions in Beijing, improvement is made with the drill in place of the groove (shallow drilling technology). In this paper, TGQ-15 portable sample drilling rig was selected to carry out two kinds of improved application experiments in plain area and mountainous area of Beijing, which is the application experiment of improving the sampling tube and the scale outside the sampling tube. In the riverbed sedimentation area, the river bed first terrace and piedmont slope area, three different areas were selected for different methods of sample collection analysis. The results show that: through the contrast of different materials and style design of the plexiglass tube, the samples were safe to be sampled and stored, and the heavy metal content in the soil will not be affected; through the analysis and evaluation of three different geomorphic units, it is concluded that the vertical sampling process of Cu, Cu, Zn, Pb, Cr, Ni, Cd, As and Hg were not affected, and the analysis and evaluation results can ref l ect the pollution situation in the sampling area; after improving design of the scale, the eff i ciency and accuracy of hole depth correction are improved, while facilitating the geological stratigraphic cataloging. In short, the improvement of the drilling machine can avoid the man-made pollution factor of the soil, improve the quality of soil samples, while improving the sampling eff i ciency.

Soil; Sampling pipe; Scale; Analysis and test

A

1007-1903（2017）03-0095-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.03.019

北京市礦山地質環境監測系統建設（一期）年度監測運行（永定河流域示范區）（編號：PXM2017_158303_000002）

邢宇鑫（1991- ），男，從事礦山環境監測修復工作，E-mail：1083073843@qq.com。