工程地質勘察中鉆探技術的應用分析

丁名卿

福建巖土工程勘察研究院有限公司 福建 福州 350100

1 前言

隨著我國建筑行業的不斷發展，推動了地質勘查事業的快速發展。鉆探技術以其自身獨特的優勢已被廣泛應用在工程地質勘查工作中，能夠有效提升工程建設效率，確保工程的整體質量，為此文章對其在工程地質勘查中的應用展開了研究和探討。

2 工程地質勘察概述

工程地質調查主要包括地質調查，采樣試驗，調查和測繪等。通過地質調查，我們可以更好地理解和掌握土壤的分布和機械參數。通過對這些數據的詳細探索，可以詳細分析和評估建筑物的適應性，并提出進一步詳細的施工程序和建議。鉆井技術是最直接可靠的地質調查方法。對于具有復雜地質條件的層，鉆井可以獲得更準確的地質數據，這也是巖土樣品收集和現場測試的關鍵技術。在鉆井技術在工程地質調查中的應用中，不僅可以在對天然地質條件調查的調查中做得很好，而且還必須與項目本身的特征相結合。例如，在貴州省工程地質調查中，民用建筑和工業建筑的鉆孔布局完全不同。一般來說，在鉆井工程中，除了大規模的水利、隧道等項目之外，鉆探深度不需要太深。在工程地質調查中，通常使用鉆機和簡單的鉆孔方法。在工程地質調查中，鉆探可以用于水文，地質結構，巖性調查，長期觀察，采樣等方面，鉆孔技術的應用方法和結構有著較為特殊的要求。

3 技術發展特點

工程地質鉆探技術已廣泛應用于工程地質調查。鉆孔深度應根據所提出的建筑物（結構）和巖土機械性能的目的全面地確定，鉆井技術和鉆孔應該適合設備，鉆井通常具有全面的功能。除了直接調查水文地質條件，地層巖性和地質結構的施工現場之外，還可以用于波速試驗，根據鉆井結構的采樣和測井的特殊性進行鉆井結構[1]。

(1) 國產立軸式巖心鉆機在我國仍占據主導地位

目前，我國地質鉆探裝備的設計和制造已具備一定的實力，立軸式巖心鉆機在基本性能、技術水平上與國外基本接近。立軸式巖心鉆機歷史悠久，性能已被我國一線鉆探工作人員掌握，具有野外檢修維護簡單、鉆探施工功耗低、較強的超載能力、有利于處理事故等優點，但存在給進行程短、頻繁倒桿、啟動不平穩，由此導致巖心機械破碎或巖心卡堵、降低鉆頭壽命和存在其他孔內事故隱患，同時搬遷過程費事等缺點。

(2) 國產全液壓動力頭巖心鉆機已形成系列并批量進入市場

“十一五”期間，我國地質巖心鉆探裝備得到了前所未有的快速發展。全國有十幾個生產廠家開展了全液壓動力頭巖心鉆機的新一輪研發和傳統立軸鉆機的系列化生產工作，推進了地質巖心鉆機、配套設備和鉆桿鉆具的現代化、系列化、專業化。國內相繼研制成功的全液壓動力頭巖心鉆機有：中國地質科學院勘探技術研究所研制的YDX-4、YDX-5型；北京天和眾邦勘探技術股份有限公司研制的CSD500、CSD1300、CSD1800、CSD3000型；山東省地質探礦機械廠研制的XD-5、XD-6型；連云港黃海機械股份有限公司研制的HYDX系列；中國地質裝備總公司研制的 HCDU-5、HCDU-6、HCDF-6型。另外，連云港黃海機械股份有限公司、張家口中地裝備探礦工程機械有限公司、江蘇天明機械集團、山東省探礦機械廠、北京探礦機械廠、湖北黑旋風工程機械開發有限公司等企業相繼開發出了自己的系列全液壓巖心鉆機。

(3) 智能鉆探參數監測及遠程無線傳輸系統

智能鉆探參數監測及遠程無線傳輸系統主要包括鉆進參數數據采集系統、孔內工況識別、數據處理軟件、鉆探現場數據庫管理、現場局域網數據共享、遠程數據傳輸等技術。該系統在國家“863 計劃”重點項目“2000m深孔地質巖心鉆探關鍵技術與裝備”中得以應用并取得良好的效果。

4 在地質資源勘查的作用

4.1 資源勘探

我國土地資源和礦產資源豐富，但發展和利用率不高，浪費嚴重。隨著經濟的發展，勘探技術的發展，中國的陸地面積非常大，有許多地質和礦產資源。中國與西方其他發達國家仍有很大差距。特別是在中國，很難準確掌握和識別礦產資源的位置。然而，巖土工程的基本知識和技術可以有效地解決當今存在的許多問題。利用先進的巖土工程技術，極大地促進了開挖業務的發展，并能有效地處理許多問題[2]。

4.2 鉆探取樣

鉆井技術是最關鍵的測量技術，不僅有助于協調地球物理和勘探工程之間的關系，而且有助于為勘探工程提供資源開發的最終檢驗技術支持。使用鉆井施工技術，我們可以從地下采取物體并將其轉換為樣品。此外，鉆井技術與海洋研究，地下調查，地質勘探和其他航空研究密切相關。在現代科學技術的發展中，地質資源的探索正在深化，頻率正在增加。因此，我們不僅應該了解地球空間的外部資源，還要注意其內部資源的探索。

5 鉆孔技術的應用

隨著科學技術的進步和經濟的快速發展，挖掘技術在國民經濟中的應用越來越廣泛。

5.1 地質上的應用

(1) 尋找礦床的地質勘察：根據物化探地質異常,利用鉆探方法調查礦產的分布、區域地質概況。

(2) 礦床勘探鉆探:對經普查已確定具有工業價值的礦床,應用鉆探手段查明礦床埋藏深度、厚度、品位、儲量、產狀、形態、構造等。

(3) 礦區水文地質鉆探:查明礦區含水層的巖性、層次、構造、厚度、埋深分布及水量、水質、水溫等水文地質條件、特征和參數。

(4) 工程地質鉆探:在施工地質勘察的基礎上，采用保齡球法對地層進行揭露和劃分，測量邊界。描述了巖體的巖石學、成分和產狀。我們提供必要的地質數據和材料，以了解基巖的物理和力學性質，并評估、規劃和實施各類建設項目[2]。

5.2 地下流溶體的應用

(1) 水資源鉆探:對地下水資源進行評價、開發利用。

(2) 石油(天然氣)鉆探:利用鉆探技術鉆穿油氣層,以檢驗物探資料、 了解井下油氣地質勘查資料,求算油氣儲量,提供開發遠景。

(3) 可溶性礦產鉆探:對巖鹽、石膏、芒硝等礦產資源進行勘探和開采。

5.3 礦山井下工程的應用

(1) 鉆礦山瓦斯抽排孔:在煤礦建井前、后按一定網度設計在地面施工的鉆孔,將煤層中的瓦斯抽排出地表以確保井下開采安全。

(2) 鉆礦山地下通道孔:用地表鉆探技術方法向礦山井下鉆不同用途的鉆孔,如礦山地下水排放孔、礦山通風孔、救援孔等。

(3) 鉆礦山尾礦砂充填孔:在礦山采空區地表施工若干組高精度垂直鉆孔,將尾礦砂通過鉆孔灌入采空區,以減少地面尾礦砂污染,控制采空區地面沉降。

(4) 鉆井筒凍結孔:礦山井筒開鑿前,在井筒四周施工若干個與其平行的鉆孔,借助制冷技術暫時凍結加固周圍不穩定地層并隔絕地下水后再鑿井。

5.4 施工地質調查上的應用

通過開挖取樣、現場試驗和類巖石試驗，明確影響施工建筑物的地質條件，準確區分地質結構，準確識別土層的自然結構、密度和濕度，并給出了該建筑施工的基礎設計依據。開挖揭示了大型工程的基本地質構造、巖體、物理力學性質和穩定性。

5.5 地基上的應用

建筑物地基加固。如各類基樁孔、防滲孔、灌注孔、深井錨孔等。

5.6 減災項目上的應用

我們使用鉆孔技術來預防山體滑坡、泥石流、地面凹陷和地面沉降等地質災害。如山錨碇錨固孔、排水孔、礦山尾沙壩基、大壩排水孔、地面沉降監測及地下水灌溉孔、大壩安全監測孔等[3]。

5.7 地下管線施工上的應用

它利用方向性深入研究了這項技術，以進行非開挖地下管道的施工，該管道穿過建筑物、道路和湖泊等障礙物。

5.8 國防工程上的應用

挖掘導彈發射井和地下核試驗取樣孔。

5.9 地球科學研究項目上的應用

(1) 大陸和海洋科學鉆探：挖掘地球深部、海底、冰川凍結帶固體、流體樣本（巖芯、碎片、冰心等），獲取第一批為地球科學研究服務的材料。研究了地球的結構和組成，以及深部結構、深部流體和作用。盆地發育研究、成礦理論研究、石油天然氣水合物成因研究、深部熱能勘探開發研究。研究地震發生的原因，研究火山噴發的機理，完善地震預報和地質災害預警。探索地球氣候的演變，探索生命的進化史。

(2) 環境科學鉆探:鉆取地下不擾動原狀巖心樣,研究大陸古氣候及古環境、沉積物時代、沉積環境的變化規律及環境污染程度,為國家經濟區劃提供決策依據。

(3) 考古科學鉆探:利用鉆探取樣技術了解地下遺址堆積分布范圍、厚度、大型建筑基址、大型墓葬和古城的形狀和布局[4]。

6 鉆探施工的未來發展趨勢

在地質勘探中，我們應該加強傳統技術和現代技術的結合，重視數字信息的使用，促進鉆井技術的發展[5]。它可以構建數字應用系統，實時監控資源開發，信息資源集成，定位和測量軌道等，結合數字化，構建現代科學管理模式，連續優化現有的施工效率，完成計算，實現通過數字系統建設鉆井技術要求的檢測和施工控制，為鉆井技術提供到了一定的便利性，主要部門煤炭勘探地質深度在300-500m之間，具有較大的發展空間。受技術制約和經濟因素影響，難以繼續開發研究，深度拓展受到阻礙。在這個過程中，我們可以有針對性地研究鉆井技術，結合施工的實際要求，對施工深度進行開發和探索，并注重技術改造、鉆井設備、事故預防、深鉆等相關技術的研發。隨著油田、礦山、建筑等建設項目的深入發展，基坑開挖所面臨的地質條件越來越復雜。目前鉆探技術的應用中經常出現鉆探、填埋鉆探等問題。因此，有必要研究適合復雜硬土條件的開挖技術措施，提高鉆孔效率，提高開挖作業的安全性。此外，還可以采用一些新技術，及時對多個巖石的破壞帶、裂縫帶和斷裂帶區域進行地質勘探[5]。

7 工程地質鉆探常用的鉆探方法

用硬紙板在地上開個洞做巖石或地質測試。建筑地質鉆探的深度通常為幾十到幾百米。開孔大，一般為36-25mm，大直徑鉆孔直徑可達1m。地質勘探中的開挖方法分為三種類型。

7.1 采用鉆孔方法

此外，據說鉆機是在豎井壓力的作用下旋轉的，它會在豎井壓力的作用下破壞巖石的潛水。這是在巖石中潛水的主要方式，清洗液通常采用水來維持巖石心臟的自然狀態。旋轉俯沖允許選擇不同的材料鉆頭。常用合金鉆、鋼粒鉆、金剛石鉆。前鉆適用于潛入中等硬度的巖石中。后面的兩個鉆孔適合潛水到堅硬的巖石中。它還使用兩層巖石管或三層巖石管來減少進入內部的巖石磨損，通常是兩層巖石、泥漿，并移除巖石或斷層巖石。鉆孔通常不能隨清洗液的旋轉而下沉，但可以采用鉆孔。

7.2 沖擊潛水方法

它是一種利用鉆機自重反復破壞土壤，破壞土層的潛水方法。沖擊分為人為沖擊和機械沖擊。機械沖擊適用于淹沒各種土層。當它進入河流中的礫石層時，通過平板閥的鉆孔沖擊將其滲透到管道中，以獲取礫石樣品。

地面約0.4m后，移除套管，移除礫石，并按壓護墻板順序取樣，取樣直到孔結束。

7.3 撞擊旋轉俯沖方法

采用浸沒放炮和旋轉的方法，即鉆機旋轉地面并旋轉碎石。

8 技術問題分析

8.1 鉆孔結構

通過深孔，選擇金剛石繩取芯工藝，分三種方式挖孔，ф91沖入ф89孔后ф76s工程鉆頭再次通過破碎臺和斷層土落下。ф73更換后管路。ф59S穿過最后一個孔。

8.2 金剛石鉆頭和擴張器

在通過一個平面深孔的過程中，地層破裂和坍塌，形成斷層的泥漿收縮路徑。環形空間小，流量大，泵壓損失大，液體流動不暢，由于形成異常泵而導致泵壓高或高，無法正常進入，進入超深管道時易出現下開度差，拔管時斷開等問題。

8.3 鉆石壓力機

影響鉆頭壓力（F4）的因素很多，最重要的是鉆頭的液壓系統壓力（f）、鉆頭的自重（F1）、沖洗液對鉆頭的浮力（F2）和沖洗液對鉆頭的浮力（F3）。它們之間的關系是f=F2+F3+F4-F1（f加增壓，負減壓）① F1=Ml，式中： ② F2=F1/7.85③ 強壓力現象對孔中管道的約定力起著重要作用。位于上連接管和小于鉆頭內徑的水接頭處，其作用面積為鉆頭內徑。PN泵壓力，MPa；S——鉆頭內徑面積，泵額定力：ф76為1886N。ф59為1018N。

④F4=PMA，式中：PM-推薦單位壓力，MPa；鉆進至中硬巖層PM值7；硬質巖石氣味：獲得固體巖石層10；

A——鉆頭工作唇面和巖石接觸面積（鉆頭面積的3/4），當使用xy-44鉆頭ф76口徑鉆孔；

P鉆頭壓力表壓力，MPa；

PN——清洗液對鉆頭的差動力，MPa；

PM——地層硬度系數；

L——射孔深度m；

通過公式計算進入整個地層時使用，ф76s直徑減壓孔的臨界深度在310～340m之間ф59S在290-320m之間。

8.4 深孔插入參數

鉆井泵的數量必須保證地質巖粉的排出和鉆機的充分冷卻。根據經驗，排出地質巖粉所需的泵量需滿足冷卻鉆機的要求。我們可以通過排出石粉來確定泵的數量。返回清洗液的流速必須大于重粉清洗液中的沉降速度。根據理論值，可以克服金剛石滲透造成的碎屑沉積，并將清洗液的上下流速提高到0.8 m/s以上。射孔越深，下潛速度越快，必須增加上部和下部流量。

當粗糙層顯示為小直徑時，流速降低，使粉塵顆粒懸浮在一個很小的直徑內，泵停止運行，泵停止運行后，很容易造成堵塞的問題，因此請增加泵的數量，并確保巖石粉塵的排放。考慮到泵沖頭對孔壁的影響以及對鉆頭胎座侵蝕的影響，選擇不應太大。

9 結語

由上可知，鉆探技術的應用能夠有效提升我國地質探查質量和效率，且可以提供到最有價值的信息，有效提升資源的利用率。