MGD-S50Ⅱ型聲頻振動鉆機應用試驗及優化研究

陸衛星，吳浩，任曉飛

(中國煤炭地質總局第二勘探局綠色勘查技術裝備研究院，河北涿州 072750)

0 引言

2016年，中國煤炭地質總局第二勘探局綠色勘查技術裝備研究院鉆機研發團隊在第一代YSZ-50型聲頻環保鉆機的基礎上，優化整機結構布局、液壓系統、電控系統和聲頻動力頭部件，研發成功MGD-S50Ⅱ型聲頻環保振動鉆機，技術性能進一步提升。

為進一步檢驗MGD-S50Ⅱ型聲頻環保振動鉆機在極限負載條件下的工作穩定性，優化完善鉆機并研制聲頻環保鉆機配套鉆具，2019年中煤地第二勘探局集團有限責任公司設立“MGD-S50Ⅱ型聲頻振動鉆機極限深度試驗及優化研究”科研項目，以檢驗設備性能并優化設計鉆機。

1 鉆機特點及研究內容

1.1 鉆機特點

①引入工業設計學理念，具有固定操作臺及可旋轉操作臺，提高了操作的舒適度和安全性；②采用模塊化設計、方便產品的系列化改型及整機部件更換與維修[1,2]；③優化集成液壓系統，采用液壓先導控制技術及電控技術，大幅度提升鉆機的操控性能；④配備超高頻動力頭，振動力大，處理孔內事故能力強，配有低速大扭矩馬達，可實現振動、回轉、振動+回轉鉆進方式，鉆進速度快，比常規鉆探提高100%～200%，遇軟土層鉆進效率更高；⑤取樣質量高，采樣率高，對樣品擾動小，可連續獲取大直徑的樣品；⑥配有多種取樣鉆具，適用于軟土、硬土、砂卵石、巖石等各類地層，地層適應性廣；⑦可滑移桅桿，提高了鉆機的工作穩定性，自行走履帶底盤，爬坡能力強，搬遷移動靈活。

1.2 研究內容

1.2.1 總體方案

(1)開展極限振動深度試驗。測試不同地層的聲頻振動極限深度試驗，研究不同地層的聲頻振動鉆探技術方法，監測不同地層的鉆進壓力，獲取聲頻振動鉆探速度和取樣率數據，設計和研發適用不同地層的鉆桿、鉆具和鉆頭[3,4]。

(2)優化改進鉆機。檢測鉆機的技術參數，測試鉆機尤其聲頻動力頭在極限負載條件下的工作穩定性，測試鉆機在不同地質工況的適應性，進一步優化完善鉆機結構。

1.2.2 技術路線

采取技術路線：極限深度試驗→鉆機測試+樣品采集+數據匯總分析→試驗報告+改進技術完善優化鉆機+項目驗收+產品推廣。

1.3 場地試驗及推廣應用

1.3.1 污染場地調查及環境監測井建造

在山東濱州成功開展首例環境污染場地調查試驗應用，實驗現場見圖1，得到南京貽潤環境科技有限公司的認可，獲得高度評價。一是鉆孔深度深，超過現場Geoprobe鉆機，承擔了深層驗證孔的勘探任務；二是取樣質量高，樣品無污染；三是取樣直徑大，能夠獲取直徑80 mm樣品，而Geoprobe環保鉆機利用塑料管取樣鉆機僅能獲取直徑28 mm樣品；四是振動下入和起拔套管的速度快，效果好，處理復雜地層能力強。

圖1 山東濱州污染場地調查

1.3.2 山西尾礦庫勘察

圓滿完成山西尾礦庫閉庫勘察野外試驗應用，得到北京建設綜合勘察研究設計院的高度認可，提交“尾礦壩閉庫勘察野外試驗應用報告”，取得“工程應用評價報告”。工程試驗過程中不需泥漿，最大程度地避免了對赤泥庫壩體的損壞；整體取樣質量高，實現靜壓或超高頻振動鉆探的薄壁取樣，對土體擾動較小；鉆進速度快，比常規SH30鉆機快一倍；鉆孔深度較深(>35 m)，且有大量塊石和卵石， SH30鉆機無法施工，MGD-S50Ⅱ鉆機可驅動螺旋鉆具和刮刀鉆頭破除塊石和卵石后下入半合管取樣；與相比常規鉆機SH30比較，操作舒適、行走安全、大量節約人力成本。

1.3.3 開展場地極限振動深度試驗應用

在河北涿州完成15個場地勘探孔，其中孔徑115 mm的單孔最大鉆深52.85 m，取得良好的工程應用效果。

整個試驗過程揭露的地層劃分為8大層和1個亞層，第1層地下水位埋深在12～13 m處，試驗區地層自上而下依次為：

①層雜填土，雜色，以磚塊、灰渣、混凝土碎塊及石子等為主，層位標高0～-1.3 m；

②層粉土，褐黃色，稍濕，稍密，層位標高-1.3 ～-14.2 m；

③層淤泥，灰色，很濕，層位標高-14.2 ～-15.2 m；

④層黏土，褐黃色和黃褐色，很濕，可塑，層位標高-15.2 ～-29.5 m；

⑤層細砂，灰褐色，飽和，中密，含石英、云母、長石等，層位標高-29.5 ～-31.8 m；

⑥層粗砂夾卵石，雜色，飽和，密實，亞圓為主，卵石占50%以上，一般直徑3～5 cm，最大直徑6 cm，鉆進困難，層位標高-31.8～-39.7 m；

⑦層黏土，黃褐色，可塑，層位標高-39.7 ～-51.25 m；

⑧層砂土夾卵石，黃褐色，可塑，層位標高-51.25～-52.25 m。

通過試驗檢驗了鉆機在極限振動深度下的工作性能，主要表現在：①取樣質量高，全孔采取無泥漿聲頻鉆探方式，獲取了原狀、連續的粉土、黏土和粉砂樣品，樣品質量高；②鉆探速度快，平均鉆速5 m/h，循環鉆速達9 m/h；③取樣直徑大，代表性強，能獲取直徑96 mm樣品，遠大于其他直推式環保鉆機的取樣直徑；④整機結構美觀，布局合理，性能優越。

2 MGD-S50Ⅱ型鉆機特點及創新

2.1 鉆機特點

①高頻振動鉆進，不用泥漿、泡沫等介質，綠色環保；②可適應復雜地層，無污染，取樣質量高、擾動小、直徑大，取樣率高；③鉆進速度快，振動起下套管速度快；④振動鉆進解決卡鉆問題，處理孔內事故能力強。

2.2 主要創新點

廣泛開展不同地質環境的極限振動深度試驗及應用推廣試驗，持續的優化完善鉆機[5,6]。鉆機的主要創新點包括：①創新采用側面橡膠減振結構、側面防松螺栓緊固方式，提高優化提高聲頻動力頭的工作可靠性；②研制成功雙管塑料管鉆具、半合管鉆具、半合管鉆具快速固定裝置、合頁板鉆頭和金屬爪簧片鉆頭等適用于復雜地層的鉆桿、鉆具和鉆頭；③通過優化增設動力頭側移機構和動力頭提引器，提高鉆探效率；④創新使用刮刀鉆頭及螺旋鉆桿、套管內振動下入半合管鉆具等復雜地層的聲頻振動鉆探工藝方法[7-9]。

3 與國內外同類技術的綜合比較

表1為MGD-S50Ⅱ型聲頻振動鉆機的技術參數與無錫雙帆鉆鑿設備有限公司的YGL-S50型聲波鉆機、美國Geoprobe 7822DT環保取樣鉆機及荷蘭荷蘭SonicSamp Drill公司CRS型聲波鉆機的對比表。由表1可見，MGD-S50Ⅱ型聲頻振動鉆機的主要技術參數部分超過YGL-S50型聲波鉆機。在濱州場地試驗應用中，MGD-S50Ⅱ型聲頻振動鉆機的鉆深和取樣直徑遠超過在同一現場施工的美國Geoprobe環保鉆機，MGD-S50Ⅱ鉆機的主要技術參數達到國際領先的荷蘭SonicSampDrill公司同類產品的技術性能，但在動力頭可靠性和整機美觀性等方面仍有差距。

表1 MGD-S50Ⅱ型聲頻環保鉆機與國內外常用類型環保鉆機各類參數對比表

4 第三方評價

中國煤炭地質總局第二勘探局集團有限責任公司自主研發的MGD-S50Ⅱ型聲頻振動環保鉆機近幾年來開展多項場地極限深度試驗與野外應用試驗推廣，獲得市場多方認可，并獲得使用方的工程應用評價報告。

4.1 建設綜合勘察設計院有限公司應用評價

2018年5月，在山西鋁業上封村赤泥庫閉庫勘察中用于壩體鉆孔取心，取得良好使用效果，獲得建設綜合勘察設計院有限公司應用評價：①不需泥漿，最大限度地避免了對赤泥庫壩體的損壞；②取樣質量高，實現靜壓或超高頻振動鉆探的薄壁取樣，對土體擾動較小；③鉆進速度快，比常規SH30鉆機快一倍；④地層適用范圍廣、鉆孔深度大，鉆孔深度較深(>35 m)，且有大量的塊石和卵石，SH30鉆機無法施工，MGD-S50Ⅱ型聲頻振動環保鉆機可驅動螺旋鉆具和刮刀鉆頭破除塊石和卵石后下入半合管取樣；⑤相比SH30等常規鉆機，操作舒適、行走安全、節省人力；⑥通過進一步大幅提高鉆探效率、配套各類地層的專用取樣鉆具、降低成本，必將會在尾礦壩勘察、環境地質調查等新興市場領域得到更多的推廣和應用。

4.2 南京貽潤環境科技有限公司應用評價

2018年9月，參與了生態環境規劃院濱州污染場地調查項目，取得良好的使用效果，獲得南京貽潤環境科技有限公司應用評價：①鉆孔深度深，超過Geoprobe鉆機，承擔了深層驗證孔的勘探任務；②取樣質量高，樣品無污染；③取樣直徑大，能夠獲取直徑80 mm樣品，而Geoprobe環保鉆機利用塑料管取樣鉆機僅能獲取直徑28 mm樣品；④振動下入和起拔套管的速度快，效果好；⑤通過進一步優化卷揚和動力頭讓開機構，大幅減少輔助時間，提高鉆探效率，必將在環境污染調查市場具有重要的推廣應用價值。

4.3 北京市地質勘察院應用評價

2019年5月，在北京安泰科技廠區污染場地調查項目中，圓滿完成“獲取6 m鉆孔深度范圍內原狀連續的地層樣品”目標任務，取得良好的使用效果，獲得北京市地質勘察院應用評價：①取樣質量高，全孔采取無泥漿聲頻鉆探方式，獲取了原狀、連續的粉土、黏土和粉砂樣品，樣品質量高；②鉆探速度快，平均鉆速5 m/h，循環鉆速達9 m/h；③取樣直徑大，代表性強，能獲取96 mm直徑樣品，取樣直徑遠大于普通直推式環保鉆機；④整機結構美觀，布局合理，性能優越；⑤建議進一步優化采用清潔的動力系統和相關結構，必將在環保調查領域具有重要的市場推廣應用價值。

5 項目推廣應用

5.1 不同地質環境的推廣應用試驗

完成山東濱州飽和軟土地區9個深層勘探孔，單孔單日最大鉆深33 m，累計進尺近600 m，獲取連續、無污染、大直徑的深部地層樣品，得到環境系統應用單位的好評并獲“工程應用證明”[10]。

完成山西尾礦庫閉庫勘察試驗應用，在黃土及卵、礫石堆筑壩體完成22個勘探鉆孔，單孔最大鉆深44 m，累計進尺800余米，獲取300余組原狀樣，得到國家綜合甲級勘測單位好評并獲“工程應用評價報告”。

開展河北涿州場地極限振動深度試驗應用，完成15個場地勘探孔，單孔最大鉆深52.85 m，超過最初50 m的設計指標。

5.2 優化完善鉆機研發匹配的套管鉆具

在多場地極限試驗過程中優化完善鉆機近20余處，主要改進點采用了可旋轉操作臺，讓操作者視野更寬，有效降低了孔口盲區，讓操作更加安全。增加了頂部桅桿的的高度，卷揚提升鉆桿效率大大提高，此外還設計研發各類配套鉆桿、鉆具和鉆頭等20余種。通過這次極限深度試驗及推廣應用，明確了鉆機的下一步改進方向和市場推廣方向。通過工業性試驗，逐步認識到在提高鉆探效率的同時，適當減少加鉆桿和卸鉆桿的輔助時間，以達到綜合提高鉆進的效率是鉆機未來重點研究的領域。未來研究嘗試使用繩索取心工藝，減少起下鉆桿的時間，爭取進一步提高鉆探效率[11,12]。

6 結語

隨著MGD-S50Ⅱ型聲頻振動鉆機極限深度試驗及優化研究項目的進行和深入，為聲頻環保鉆機的進一步研發積累了寶貴的實踐經驗，也為以后的研究方向也探索出適合的發展道路。當前國內聲頻鉆機的研發和應用已經處于快速發展階段[13-15]，美國的 Prosonic 公司、加拿大的Sonic drill公司、荷蘭Eijkelkamp公司等國外廠商的鉆機性能及外觀設計也有著很高的參考價值，有不少值得借鑒的設計思維和優化理念。