HF-200型便攜式鉆機在綠色勘查中的應(yīng)用分析

蔣清燕,何坤鵬

（1.四川華鋒鉆探工程有限責任公司，四川成都610000；2.成都宏佳高新技術(shù)有限公司，四川成都610100）

在綠色勘查活動中，使用靈活、快捷、高效的便攜式鉆機已經(jīng)成為地質(zhì)勘探行業(yè)的風向標，它作為一種先進的理念、文化和發(fā)展方式，在國內(nèi)外得到廣泛傳播和實踐，備受行業(yè)和市場的青睞。便攜式鉆機又稱模塊化鉆機，其質(zhì)量輕便、易于搬遷的特點，逐漸替代了傳統(tǒng)的槽探、井探等取樣工程，在區(qū)域地質(zhì)填圖、物化探取樣、地磁異常帶取樣、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防、工程線路、工程勘查工作中被廣泛采用，它所具備的優(yōu)勢基本解決了傳統(tǒng)鉆機對自然生態(tài)環(huán)境的影響，少修路、甚至不修路也成為活躍在勘探領(lǐng)域的最大亮點[1]。為更進一步改進傳統(tǒng)便攜式鉆機自身的缺陷和不足，凸顯鉆機在綠色勘查中的應(yīng)用能力，華鋒鉆探公司研發(fā)制造了HF-200型便攜式鉆機，并在工程應(yīng)用中取得顯著成效。

1 HF-200型便攜式鉆機的優(yōu)點

與國內(nèi)常見便攜式相比較，HF-200型鉆機在快速高效性、靈活輕便性、安全環(huán)保性、低耗節(jié)能性方面優(yōu)勢更加突出。該鉆機總質(zhì)量650kg，最重模塊150kg，給進行程1.82m，給進力32kN，鉆進角度0°~180°，最大扭矩380N·m，鉆進深度HQ（96/65.3mm）40~65m，NTW（75.7/56mm）140~220m，BTW（60/42mm）260~350m。

1.1 快速高效性

HF-200型鉆機充分利用薄壁鉆桿、鉆具載荷的物理特性，在高速旋轉(zhuǎn)設(shè)計上更利于快速、穩(wěn)定地切削巖石，進尺速度快，采芯率高；優(yōu)化改進鉆機鉆進行程設(shè)計，改進后的5.6m桅桿配置和推進式滑道，不僅能確保鉆機安裝更平穩(wěn)，還能實現(xiàn)3m內(nèi)管總成無障礙提升，作業(yè)輔助時間降低20%以上，間接提高鉆進時間和效率。HF-200型鉆機平面圖見圖1。

圖1 HF-200型便攜式鉆機平面圖

1.2 靈活輕便性

HF-200型鉆機與常規(guī)便攜式鉆機在靈活性上的主要區(qū)別在于可以施工角度在0°~180°之間的任意斜鉆。優(yōu)化模塊化配置，更加突出鉆機輕便性和野外環(huán)境作業(yè)的適用性，其單個模塊最高重量低到150kg，鉆機轉(zhuǎn)場更加快捷，人工勞動強度需求更低，在露天復(fù)雜地表環(huán)境下，可以安裝在4m×4m平臺上作業(yè)。配合使用升降式鉆機支架（見圖2）可在河道邊緣、臨邊靠崖等大切角、陡坡的山區(qū)實現(xiàn)鉆機平穩(wěn)安裝，充分利用地形節(jié)約占地空間。

圖2 大切角山區(qū)升降平臺現(xiàn)場安裝圖

1.3 低耗節(jié)能性

HF-200型鉆機可以根據(jù)鉆孔設(shè)計深度或動力供給需要，適時調(diào)整發(fā)動機數(shù)量；鉆機自身配置的直動式負載反饋微調(diào)變量液壓系統(tǒng)[2]，使發(fā)動機功率隨負載變化而變化，在保證足夠動力需求的同時，能最大程度地實現(xiàn)節(jié)能降耗，鉆進時的平均燃油消耗低達1.2L/h。

1.4 安全環(huán)保性

HF-200型鉆機保留了桅桿設(shè)計，消除了高空作業(yè)、高處墜落安全風險，鉆機運行平穩(wěn)且振動小；內(nèi)置電源改進，使作業(yè)場所照明布設(shè)更規(guī)范，觸電安全風險更小；增設(shè)高速旋轉(zhuǎn)防護裝置、防爆裝置提高了鉆機的本質(zhì)安全性。鉆機自身采用航空鋁合金作為基本材料，模塊質(zhì)量輕便，與無公害泥漿沖洗液配合使用，基本實現(xiàn)了無痕勘查的目的和效果。

2 HF-200型鉆機安裝技術(shù)

2.1 鉆機轉(zhuǎn)場運輸

鉆機按照模塊化設(shè)計拆卸成機架、發(fā)動機、操控臺、燃油箱、液壓油箱、泥漿泵、儲漿罐等八個模塊[3]，鉆具分解成若干小件，大件模塊采用人力抬運，小件可以使用畜力的方式馱運，道路條件允許的情況下，也可以使用小型履帶式搬運機進行運輸。

2.2 鉆孔平臺建設(shè)

鉆探孔位確定后，根據(jù)鉆孔方位、角度結(jié)合地形條件修建面積為4m×4m的機臺，大切角坡面地形需搭建升降式支撐架，機臺搭建應(yīng)平整穩(wěn)固，不產(chǎn)生滑移、塌陷，機臺上方無落石、滑坡、洪澇等隱患，現(xiàn)場設(shè)置排水溝渠，場地內(nèi)無低洼積水，設(shè)備下方、沖洗液循環(huán)槽、池內(nèi)鋪設(shè)防滲漏環(huán)保布，防止有害液體或施工油料滲漏造成水源和土壤的污染。

2.3 鉆機安裝與固定

HF-200型鉆機安裝應(yīng)順著鉆孔孔位方向挖兩條0.2m×0.2m×4m長的平行溝槽，將兩根0.15m×0.15m×4m的枕木放于溝槽內(nèi)，調(diào)整枕木水平，保持枕木與孔位的方向平行，再將四根枕木橫向安裝在已調(diào)整好的兩根枕木上，前端兩根枕木盡量靠近鉆機夾持器，另外兩根分別位于鉆機機架中部及后端兩個木螺絲孔下方。為防止枕木滑移，用土或碎石將枕木進行填埋和夯實，回填厚度不得超過枕木高度（200mm），在機架固定后，縱向鋪設(shè)木板，并將鉆機操控模塊、發(fā)動機、儲漿罐、水泵等模塊整齊有序布置在木板上。由于便攜式鉆機自身重量輕，鉆進時加壓容易將鉆機頂起，甚至造成鉆機移位，因此在安裝調(diào)試鉆機時，設(shè)置地錨固定[4]的措施非常必要。地錨固定常用方法分為兩種。

2.3.1 鉆桿地錨

用廢棄的NTW鉆桿向下鉆進至基巖，提鉆卸下鉆頭，再下入鉆桿，加壓無水鉆進0.2~0.5m，把孔內(nèi)鉆桿燒結(jié)在巖體中，使燒結(jié)在巖體中的鉆桿形成牢固的地錨裝置，校正鉆機方位、角度和水平度后，再使用葫蘆式鏈條將鉆機底座、枕木固定在地錨上。

2.3.2 水泥地錨

在鉆機四角開挖0.3m×0.3m，深度0.5~0.8m深坑，使用NTW鉆桿焊接金屬底座，放入坑內(nèi)，使用32.5R水泥灌注，形成地錨，再使用葫蘆式鏈條將鉆機底座、枕木進行固定。

3 HF-200型鉆機施工技術(shù)

3.1 鉆進工藝

鉆孔在開孔前應(yīng)檢查確認設(shè)備安裝的穩(wěn)固性以及鉆機水平度、方位角、傾角是否與設(shè)計參數(shù)一致。鉆孔一開宜采用?96mm金剛石繩索取芯鉆進，鉆至完整巖石后，下入?95.6mm技術(shù)套管護壁，使用?75.7mm繩索取芯鉆具鉆至終孔孔深（達到設(shè)計目的）。局部孔段地層裂隙發(fā)育，沖洗液漏失量大，為提高鉆進效率，可采用隨鉆堵漏，或在適當位置進行二開，下入?60mm鉆進[5]。

3.2 鉆進參數(shù)

鉆孔的鉆進效率主要取決于在鉆遇不同深度、不同地層對鉆進參數(shù)的合理選擇，即鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵量。在確定鉆進參數(shù)時，除了考慮機械轉(zhuǎn)速外，還需要充分考慮鉆頭的類型、級別和使用壽命。因此判別鉆進參數(shù)是否合理，主要看機械轉(zhuǎn)速和金剛石鉆頭胎體的出刃程度與消耗程度[6]。HF-200型鉆機在實際施工中采用的鉆進參數(shù)參考值見表1。

表1 HF-200型便攜式鉆機典型巖層鉆進參數(shù)參考值

3.3 沖洗液選擇

鉆孔沖洗液性能是鉆孔成功與否的關(guān)鍵因素，不但要起到清洗鉆孔、冷卻鉆頭、懸浮攜帶孔內(nèi)巖粉的作用，還需要達到潤滑鉆具、減振降阻、保護孔壁的目的[7]。在綠色勘查中，鉆孔沖洗液還應(yīng)當要以無害添加劑代替有害添加劑進行配制，確保地下水資源不受污染。不同地層建議的沖洗液配方：

配方一（高固相沖洗液配方）:1m3清水+0.45%CMC（羧甲基纖維素）+2.5%植物膠+5.5%鈉質(zhì)膨潤土。適用于第四系類覆蓋層開孔鉆進護壁。

配方二（低固相沖洗液配方）：1m3清水+0.25%CMC（羧甲基纖維素）+1.5%植物膠+0.5%鈉質(zhì)膨潤土+100~150gPPM+0.02%（約60~90g）EZ MAD。適用于?96mm口徑鉆遇砂質(zhì)、致密性粘土層地層護壁。

配方三（無固相沖洗液配方）：1m3清水+0.15%CMC（羧甲基纖維素）+0.65%植物膠+80~120gPPM+0.03%（約70~100g）EZ MAD+0.35%高效潤滑劑。適用于?75.7mm以下口徑鉆遇較堅固類地層護壁。

4 HF-200型鉆機在綠色勘查中的應(yīng)用實例

4.1 項目介紹

北川車盤溝綠色勘查鉆探工程項目位于四川盆地西北部的羌族自治縣，海拔高度1200~1650m，氣候潮濕，施工區(qū)內(nèi)植被茂密、溝壑縱橫，勘探線最近的鉆孔距離村莊便道約11km，屬于典型的大切割山區(qū)施工范疇，區(qū)域主要地層為第四系、震旦系長安組、富祿組以及丹州群白竹組、合桐組為主，區(qū)域構(gòu)造線總體呈北東向，褶皺及斷裂構(gòu)造發(fā)育，鉆遇地層的巖性主要為砂礫巖、千枚巖、板巖等。

4.2 工作效率

我公司于2020年3月11日組織HF-200型便攜式鉆機、Atlas P6型全液壓動力頭式鉆機兩臺不同類型的設(shè)備同時入場施工，截止2020年5月23日結(jié)束，施工鉆孔13個，完成累計鉆探總進尺3458.41m。鉆探進尺情況見表2。

表2 鉆探總進尺完成情況一覽表

為保護區(qū)域的生態(tài)自然環(huán)境，我公司沒有投入大型工程機械修建道路和鉆孔平臺，充分利用區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有的簡易便道，完全依靠人工抬運的方式完成鉆機搬遷工作，在72d施工期內(nèi)，Atlas P6型全液壓動力頭鉆機完成5個鉆孔施工，有效累計總進尺1526.30m，HF-200型便攜式鉆機完成8個鉆孔施工，有效累計總進尺1932.11m。從實際數(shù)據(jù)上看，HF-200型便攜式鉆機與Atlas P6型鉆機相比較，HF-200型鉆機鉆探進尺臺月效率提高6.8%；同運距情況下累計搬遷時間縮短56.8%；鉆機安裝校正時間降低64.2%。HF-200型與Atlas P6型鉆機輔助作業(yè)時間見表3。

表3 HF-200型與Atlas P6型鉆機輔助作業(yè)時間表

4.3 應(yīng)用實效

以上述工程為實例，從鉆孔平臺和道路修建的角度分析，實施綠色勘查與傳統(tǒng)鉆探模式相比較，避免了3.23×104㎡的植被和樹木的破壞和影響。從成本的角度分析，降低了67.1%的青苗補償費用，HF-200型鉆機在綠色勘查應(yīng)用上成效顯著。

5 結(jié)論

（1）HF-200型鉆機在四川車盤溝鉆探工程項目中的應(yīng)用表明，該鉆機具有效率高、搬遷便捷、適應(yīng)性強、低能節(jié)耗、對生態(tài)破壞小等優(yōu)勢特點，適用于鉆孔淺、搬遷頻繁以及修路困難的區(qū)域開展鉆探施工。非常適合一基多孔、以鉆代槽勘查模式。

（2）HF-200型便攜式鉆機主要突出其輕便性，在應(yīng)對長孔段水敏性地層、垮塌地層時，鉆機脫困能力有所不足。

（3）HF-200型鉆機主要依靠人力、蓄力搬運，人工勞動強度大，尤其在高海拔區(qū)域更為顯著。

（4）雖然便攜式鉆機比較貼合“綠色勘查”的理念宗旨，也比傳統(tǒng)鉆機在淺孔施工方面的效率更高，但與全液壓動力頭式鉆機相比較仍然存在較大差距和應(yīng)用局限，尤其是深孔施工能力上還存在不少差距。因此，便攜式鉆機在動力、脫困能力、安裝技術(shù)等方面還需要持續(xù)的技術(shù)跟進。