便攜式全液壓鉆機(jī)在地質(zhì)勘查中的應(yīng)用

孔二偉，張 鋒，李大鵬 ，李金朋

（1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第四地質(zhì)勘查院，河南鄭州450001;2.河南省小口徑鉆探工程技術(shù)研究中心，河南鄭州450001）

黨的十九大報(bào)告中提到“加快生態(tài)文明體制改革，建設(shè)美麗中國(guó)”，提出了“推進(jìn)綠色發(fā)展”，如何做到“既要綠水青山又要金山銀山”，這對(duì)鉆探生產(chǎn)工作提出了新的要求。因XY 系列鉆機(jī)在施工過(guò)程中不能實(shí)現(xiàn)綠色勘查，我院為滿足綠色勘查的要求而引進(jìn)兩臺(tái)便攜式全液壓鉆機(jī)，先后在瓦川、栗樹(shù)溝、蔡家溝—南陽(yáng)山、紅土嶺、觀音峪礦區(qū)開(kāi)展鉆探施工工作，各礦區(qū)鉆孔設(shè)計(jì)孔深在130～410m 之間，平均設(shè)計(jì)孔深在240m 左右。

1 便攜式全液壓鉆機(jī)概況

便攜式全液壓鉆機(jī)是以“輕便、快捷、可靠”為設(shè)計(jì)理念；以“去任何您需要去的地方”為設(shè)計(jì)目標(biāo)；以模塊化、輕量化、集成化為設(shè)計(jì)工藝；以高效率、低扭阻、長(zhǎng)壽命思路整合鉆具；以達(dá)到在難進(jìn)入?yún)^(qū)域、陡切割地形和零散初探項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)快速鉆探，通過(guò)整合綜合資源，優(yōu)化鉆探裝備，從而打造出高效率、高可靠性、高性價(jià)比的鉆機(jī)。

1.1 便攜式全液壓鉆機(jī)主要特點(diǎn)

（1）輕便靈活：模塊化、輕便化設(shè)計(jì)，機(jī)架材料采用航空鋁材，機(jī)身輕便，最重模塊4個(gè)人即可完成搬運(yùn)；桅桿式鉆架，無(wú)需鉆塔，可實(shí)現(xiàn)45°～90°任意角鉆進(jìn)。

（2）移位快、進(jìn)尺快、臺(tái)效高：對(duì)施工基礎(chǔ)工程要求低，鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)只需修1m 左右寬道路即可，所需場(chǎng)地4.5m×4.5m 即可，占地較小，大大減少了基礎(chǔ)工程的投入；使用液壓快速接頭插接，易于快速拆卸、搬運(yùn)、安裝，鉆機(jī)從終孔到再次開(kāi)鉆僅需1d時(shí)間即可；進(jìn)尺快，臺(tái)月效率高于立軸式鉆機(jī)，降低了工期風(fēng)險(xiǎn)和人力成本。

（3）適用性好，安全性強(qiáng)：鉆機(jī)主要部件為國(guó)外進(jìn)口，國(guó)內(nèi)組裝，穩(wěn)定可靠；鉆進(jìn)效率高，事故少；高集成液壓系統(tǒng)，穩(wěn)定可靠。

（4）成本降低：鉆機(jī)采用模塊化，鉆機(jī)“低成本、高臺(tái)效、易搬遷”，能夠做到“降本增效”。

（5）技術(shù)含量高，采取率高：鉆機(jī)使用高強(qiáng)度、高精密薄壁鉆桿、鉆具系統(tǒng)，能在破碎地層、基巖風(fēng)化層和土層中具有同樣的高采取率，鉆進(jìn)時(shí)沖洗液不循環(huán)重復(fù)利用，能夠提高沖洗液攜帶巖屑、維護(hù)孔壁穩(wěn)定的作用，且不受鉆孔漏失的影響。

1.2 便攜式全液壓鉆機(jī)主要性能參數(shù)

便攜式全液壓鉆機(jī)由四部分組成，分別為：鉆機(jī)主要部件、沖洗液循環(huán)系統(tǒng)、薄壁鉆具、輔助材料，鉆機(jī)主要由操作臺(tái)、液壓油箱、柴油機(jī)（三臺(tái)）、柴油箱、鉆機(jī)底座、鉆架、泥漿泵、卷?yè)P(yáng)機(jī)組成。

便攜式全液壓鉆機(jī)施工能力及鉆機(jī)其他性能參數(shù)見(jiàn)表1。

2 便攜式全液壓鉆機(jī)應(yīng)用

2.1 瓦川礦區(qū)應(yīng)用情況

2.1.1 地理位置及地層情況

瓦川礦區(qū)位于河南省洛寧縣，礦區(qū)東鄰洛寧縣至三門(mén)峽省級(jí)公路，縣城和各鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間均有公路相通，且連接成網(wǎng)，交通便利。施工鉆孔鉆遇地層主要巖性為安山巖、安山玢巖。

2.1.2 鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆進(jìn)方法、鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

表1 鉆機(jī)各項(xiàng)性能簡(jiǎn)表

鉆孔結(jié)構(gòu)：直接采用NTW（?75mm）系列金剛石繩索取芯鉆具開(kāi)孔，施工至完整基巖后無(wú)需起出NTW鉆桿，直接使用HQ（?89mm）系列套管靴+?89mm鉆桿擴(kuò)孔至完整基巖，?89mm 鉆桿直接充當(dāng)套管使用，如鉆孔下部出現(xiàn)較嚴(yán)重的坍塌、掉塊，可直接續(xù)接?89mm 鉆桿擴(kuò)孔至完整地層位置，隨后使用NTW 系列鉆具施工至終孔。所有施工鉆孔結(jié)構(gòu)均為?91mm～?75mm兩級(jí)結(jié)構(gòu)。

鉆進(jìn)方法：金剛石繩索取芯鉆進(jìn)技術(shù)。

鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)：便攜式全液壓鉆機(jī)在鉆進(jìn)參數(shù)選取方面與立軸式鉆機(jī)及普通全液壓鉆機(jī)有所不同，主要區(qū)別有：①無(wú)鉆壓調(diào)節(jié)閥，只有加壓、減壓、浮動(dòng)三個(gè)檔位，通過(guò)控制鉆進(jìn)速度來(lái)調(diào)節(jié)鉆壓。②泵量調(diào)節(jié)為無(wú)極變速調(diào)節(jié)，可根據(jù)鉆進(jìn)需要泵量隨時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，在一定程度上節(jié)約了鉆井沖洗液，并可減少對(duì)孔壁的沖刷。③轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)通過(guò)選用不同轉(zhuǎn)速馬達(dá)以及調(diào)整柴油機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控制轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的效果。鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)選取見(jiàn)表2。

表2 2號(hào)機(jī)瓦川礦區(qū)鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)一覽表

因便攜式全液壓鉆機(jī)水泵精度較高，無(wú)法泵送固相沖洗液，在沖洗液選取方面受到一定限制，只能選用無(wú)固相或低固相沖洗液，且沖洗液無(wú)法循環(huán)利用，從孔內(nèi)返出后直接排掉。

2.1.3 應(yīng)用情況

2號(hào)鉆機(jī)自2017年3月5日～5月31日在瓦川礦區(qū)進(jìn)行施工，施工鉆孔6 個(gè)，鉆探工作量1060.65m，平均臺(tái)月效率為953.55m/臺(tái)·月，平均小時(shí)效率為2.62m/h，施工鉆孔效率詳見(jiàn)表3。

2.2 蔡家溝—南陽(yáng)山礦區(qū)應(yīng)用情況

2.2.1 地理位置及地層情況

蔡家溝—南陽(yáng)山礦區(qū)位于河南省盧氏縣，礦區(qū)鄰近盧氏縣至洛南縣省級(jí)公路，縣城和各鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間均有公路相通，交通情況良好。施工鉆孔鉆遇地層主要巖性為片巖、片麻巖、大理巖、偉晶巖、角閃巖、矽卡巖等。

2.2.2 應(yīng)用情況

自 2017 年 8 月 22 日～12 月 9 日，1 號(hào)鉆機(jī)、2 號(hào)鉆機(jī)同時(shí)在蔡家溝—南陽(yáng)山礦區(qū)進(jìn)行施工，共完成鉆孔11 個(gè)，鉆探工作量2818.11m，平均臺(tái)月效率為994.54m/臺(tái)·月，平均小時(shí)效率為2.27m/h。

自 2017 年 10 月 22 日～12 月 26 日，蔡家溝—南陽(yáng)山礦區(qū)有5 臺(tái)XY 系列鉆機(jī)施工，共完成鉆孔11 個(gè)，鉆探工作量2909.02m，施工鉆孔平均臺(tái)月效率為724.82m/臺(tái)·月，平均小時(shí)效率為1.79m/h。施工鉆孔效率詳見(jiàn)表4。

表3 2號(hào)鉆機(jī)洛寧礦區(qū)施工鉆孔效率表

2.3 應(yīng)用效果分析

2.3.1 便攜式全液壓鉆機(jī)優(yōu)點(diǎn)

（1）對(duì)兩臺(tái)便攜式全液壓鉆機(jī)所施工的34個(gè)鉆孔、8230余米鉆探工作量進(jìn)行分析、總結(jié)，我院應(yīng)用便攜式全液壓鉆機(jī)平均臺(tái)月效率達(dá)到938.72m/臺(tái)·月，平均小時(shí)效率達(dá)到2.38m/h，應(yīng)用效果良好。

（2）便攜式全液壓鉆機(jī)部件模塊化、重量輕、搬遷方便，搬遷及安裝時(shí)間只需1d；對(duì)搬遷道路要求低，鉆機(jī)場(chǎng)地僅為4.5m×4.5m，搬遷道路及機(jī)場(chǎng)的修建依靠人工即可完成；搬遷、安裝、施工過(guò)程安全風(fēng)險(xiǎn)小，減少了勞動(dòng)強(qiáng)度；減少了對(duì)環(huán)境的破壞，增強(qiáng)對(duì)鉆孔的適應(yīng)性。

（3）便攜式全液壓鉆機(jī)非常適合在鉆孔較淺、搬遷頻繁、修路修機(jī)場(chǎng)困難的礦區(qū)施工，相較于立軸式鉆機(jī)生產(chǎn)成本降低，且生產(chǎn)效率較高。通過(guò)鉆月效率對(duì)比能夠直觀體現(xiàn)出便攜式全液壓鉆機(jī)搬遷安裝方便、生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn)。鉆機(jī)鉆月效率對(duì)比見(jiàn)表5。

通過(guò)鉆機(jī)鉆月效率數(shù)據(jù)的對(duì)比可看出，兩臺(tái)便攜式全液壓鉆機(jī)平均鉆月效率相較于立軸式鉆機(jī)鉆月效率高出199.5m/臺(tái)·月。

2.3.2 臺(tái)月效率與孔深的關(guān)系

將所有施工鉆孔按照終孔孔深劃分，對(duì)比分析可得出，便攜式全液壓鉆機(jī)采用NTW口徑終孔鉆孔效率最高區(qū)域?yàn)?50～175m，鉆孔孔深超過(guò)250m時(shí)，鉆孔效率會(huì)出現(xiàn)明顯下降，臺(tái)月效率下降272.47m/臺(tái)·月，同比下降26%，小時(shí)效率下降0.73m/h，同比下降27%。鉆孔效率出現(xiàn)降低的原因主要有以下幾個(gè)方面：①鉆孔孔深超過(guò)200m時(shí)，隨著鉆桿重量的增加、孔內(nèi)阻力的增大，轉(zhuǎn)速逐漸降低，導(dǎo)致小時(shí)效率降低。②隨著鉆孔孔深的增加，輔助時(shí)間增長(zhǎng)，導(dǎo)致臺(tái)月效率降低。

2.3.3 存在問(wèn)題

（1）便攜式全液壓鉆機(jī)所采用的泥漿泵只能泵送無(wú)固相或低固相泥漿，且泥漿無(wú)法循環(huán)使用，在遇到復(fù)雜地層及在缺水地區(qū)施工時(shí)，鉆機(jī)適應(yīng)性降低。

（2）受夾持器最大加持直徑限制，1號(hào)鉆機(jī)能夠通過(guò)?108mm套管，但無(wú)法夾持，2號(hào)鉆機(jī)無(wú)法通過(guò)?108mm套管，限制了鉆孔結(jié)構(gòu)，且在需要使用?108mm套管擴(kuò)孔起出?89mm套管時(shí)帶來(lái)不便。

3 結(jié)論與建議

（1）便攜式全液壓鉆機(jī)具有效率高、搬遷快、對(duì)地層適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)環(huán)境破壞小等特點(diǎn)，是對(duì)施工環(huán)境適應(yīng)能力很強(qiáng)的鉆機(jī)，非常適合在鉆孔較淺、搬遷頻繁、修路困難的礦區(qū)施工。

（2）從鉆探鉆孔施工延伸至地質(zhì)坑槽、探槽作業(yè)，使用微小型便攜式鉆機(jī)施工幾米至幾十米的鉆孔能夠達(dá)到“以鉆代槽”的效果，在減少環(huán)境破壞的同時(shí)達(dá)到地質(zhì)工作目的。

（3）從環(huán)境保護(hù)方面及進(jìn)一步拓寬施工領(lǐng)域，建議對(duì)便攜式全液壓鉆機(jī)增加電動(dòng)機(jī)，從而能滿足坑內(nèi)鉆探需要，增強(qiáng)便攜式全液壓鉆機(jī)對(duì)不同施工地點(diǎn)的適應(yīng)能力，真正實(shí)現(xiàn)綠色鉆探。

（4）建議對(duì)泥漿泵進(jìn)行改進(jìn)，使泥漿泵能泵送固相泥漿，實(shí)現(xiàn)沖洗液循環(huán)利用，增強(qiáng)對(duì)地層及施工地區(qū)的適應(yīng)性。

表4 蔡家溝—南陽(yáng)山礦區(qū)施工鉆孔效率表

表5 便攜式全液壓鉆機(jī)與立軸式鉆機(jī)鉆月效率對(duì)比表