便攜式全液壓鉆機(jī)在礦產(chǎn)勘查中的應(yīng)用探討

［關(guān)鍵詞］便攜式；全液壓鉆機(jī)；礦產(chǎn)勘查；生態(tài)理念；巖心鉆探

在貫徹落實(shí)生態(tài)發(fā)展理念的背景下，傳統(tǒng)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查設(shè)備由于攜帶不方便，且耗能較多，污染嚴(yán)重，故逐漸不再使用。在此背景下，科研機(jī)構(gòu)在傳統(tǒng)液壓鉆機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新，研發(fā)出了便攜式全液壓鉆機(jī)，相較于傳統(tǒng)鉆機(jī)，新型鉆機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)輸方便，操作便捷，可靠性強(qiáng)，且具有良好的應(yīng)用效果。因此，對(duì)此項(xiàng)課題進(jìn)行研究，具有十分重要的意義。

1. 便攜式全液壓鉆機(jī)在礦產(chǎn)勘查中實(shí)際應(yīng)用調(diào)研

1.1 鉆機(jī)在不同地區(qū)中的應(yīng)用試驗(yàn)

分別將鉆機(jī)應(yīng)用到山西太原地區(qū)的西山礦區(qū)和東山礦區(qū)進(jìn)行地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘查。對(duì)兩者之間的應(yīng)用方法、技術(shù)參數(shù)以及應(yīng)用效果進(jìn)行分析，具體應(yīng)用區(qū)域如下：

西山礦區(qū)：位于我國(guó)山西省太原市西山地區(qū)，為低中山地區(qū)，山區(qū)坡面陡峻。礦產(chǎn)資源中包括白家莊礦、西銘礦等多個(gè)地區(qū)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)中包括桐坑巖體、馬頭巖體等，設(shè)計(jì)應(yīng)用便攜式全液壓鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔勘查，將應(yīng)用過程記錄在案[1]。

東山礦區(qū)：該礦區(qū)同樣位于我國(guó)山西省太原市，礦區(qū)具有豐富的煤炭類資源，金屬礦資源也十分豐富。地質(zhì)結(jié)構(gòu)中巖層結(jié)構(gòu)比較脆弱，包括砂質(zhì)巖、大理巖等內(nèi)容。地質(zhì)巖石結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。勘查人員設(shè)計(jì)應(yīng)用便攜式全液壓鉆機(jī)進(jìn)行地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘查，將應(yīng)用過程記錄在案。

1.2 鉆機(jī)在不同地區(qū)應(yīng)用方法分析

考慮到鉆機(jī)應(yīng)用受操作人員影響，選擇相同的操作方法進(jìn)行應(yīng)用。鉆機(jī)應(yīng)用采用金剛石繩索進(jìn)行取芯以及開孔。施工期間達(dá)到完整基巖之后無須應(yīng)用鉆桿設(shè)備進(jìn)行起出，孔位擴(kuò)展使用套管靴和鉆桿，在兩者相互作用下最終下降孔位擴(kuò)展至完整基巖區(qū)域。在此過程中，鉆桿的主要作用是充當(dāng)著套管的作用。在孔位拓展期間，如因應(yīng)力條件導(dǎo)致孔位下層區(qū)域出現(xiàn)掉塊以及坍塌等問題，采用鉆桿續(xù)接的方法繼續(xù)拓展孔位，使其達(dá)到完整地層。當(dāng)指標(biāo)達(dá)到要求之后，應(yīng)用鉆具進(jìn)行鉆孔，達(dá)到終孔區(qū)域停止鉆進(jìn)，鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求使用兩級(jí)結(jié)構(gòu)作業(yè)，參數(shù)設(shè)計(jì)分別為90 mm、75 mm。

鉆進(jìn)施工對(duì)技術(shù)參數(shù)以及技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行明確，應(yīng)用便攜式全液壓鉆機(jī)設(shè)備進(jìn)行鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過程中沒有配置相應(yīng)的鉆壓調(diào)節(jié)裝置，操作臺(tái)控制僅包括增壓鉆進(jìn)、減壓鉆進(jìn)以及浮動(dòng)鉆進(jìn)三大功能，操作人員需要通過鉆速控制實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆壓的調(diào)節(jié)。鉆進(jìn)采用無級(jí)變速調(diào)節(jié)模式，根據(jù)實(shí)際需求實(shí)現(xiàn)對(duì)泵量的科學(xué)調(diào)節(jié)，減少鉆進(jìn)過程中投入使用清洗液的頻率，避免沖洗液沖刷對(duì)孔位壁產(chǎn)生影響。鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)采取控制柴油機(jī)鉆速的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆機(jī)鉆速的控制，實(shí)時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)速度。

基于上述技術(shù)參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同深度地質(zhì)結(jié)構(gòu)的勘查，但在應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，便攜式液壓全鉆機(jī)的應(yīng)用對(duì)水泵控制精度的要求比較高，沖洗液經(jīng)過水泵進(jìn)行輸入存在一定的難度，對(duì)沖洗液的選取是鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用中需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。案例中應(yīng)用低固相沖洗液，投入使用后直接經(jīng)由孔內(nèi)進(jìn)行排出，無法對(duì)其進(jìn)行反復(fù)利用。

1.3 鉆進(jìn)效率對(duì)比

西山礦區(qū)：自2020年3月至2020年5月，在西山礦區(qū)施工鉆孔達(dá)到6個(gè)，鉆探量達(dá)到1000 m以上，每臺(tái)每月的鉆探量達(dá)到900多米，每小時(shí)可以鉆進(jìn)2.7 m左右。

東山礦區(qū)：自2020年3月至2020年12月，在東山礦區(qū)進(jìn)行鉆探勘查，共計(jì)完成鉆孔11個(gè)，鉆探深度達(dá)到2800 m，每臺(tái)每月共計(jì)鉆探量達(dá)到990 m左右，每小時(shí)鉆探量達(dá)到2.3 m左右。

對(duì)比兩個(gè)礦區(qū)鉆機(jī)的鉆進(jìn)效率，具體內(nèi)容如表1所示。

1.4 鉆機(jī)應(yīng)用效率影響因素分析

1.4.1地質(zhì)強(qiáng)度

對(duì)比西山礦區(qū)與東山礦區(qū)之間全液壓鉆機(jī)應(yīng)用效率，西山礦區(qū)孔位鉆進(jìn)效率遠(yuǎn)比東山礦區(qū)孔位鉆進(jìn)效率低。分析影響效率的具體原因，受地質(zhì)環(huán)境因素影響較大，西山礦區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更強(qiáng)，而東山礦區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更弱。因此，西山礦區(qū)應(yīng)用鉆機(jī)效率比東山礦區(qū)應(yīng)用效率較高。

1.4.2鉆進(jìn)深度

考慮到鉆孔深度對(duì)鉆機(jī)應(yīng)用效率所造成的影響，如果鉆孔越深，則鉆孔深度對(duì)便攜式全液壓鉆機(jī)應(yīng)用效率造成一定程度影響，鉆孔深度在200 m以內(nèi)進(jìn)行鉆探作業(yè)影響程度比較低，但如果鉆孔深度超過200 m，設(shè)備運(yùn)行過程中鉆桿的重量會(huì)有所增加，地質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)鉆具的阻力加大，導(dǎo)致鉆機(jī)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)速度也隨之降低，最終影響了鉆機(jī)的鉆探效果。鉆孔深度增加對(duì)鉆進(jìn)效率的影響主要體現(xiàn)在輔助時(shí)間上，深度越深，輔助時(shí)間越長(zhǎng)，兩者呈現(xiàn)出正比例變化關(guān)系。

1.4.3結(jié)構(gòu)元件

鉆機(jī)本身的性能參數(shù)對(duì)實(shí)際鉆進(jìn)效率產(chǎn)生一定程度影響，鉆機(jī)電動(dòng)機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)、扭矩力、重力參數(shù)等，對(duì)鉆進(jìn)效率產(chǎn)生一定影響。本次在應(yīng)用該型號(hào)全液壓鉆機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)其泥漿泵系統(tǒng)與夾持器元件對(duì)鉆進(jìn)效率產(chǎn)生一定程度影響。

2. 便攜式全液壓鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能優(yōu)勢(shì)

2.1 便攜式全液壓鉆機(jī)選擇

河南省某工廠生產(chǎn)制造的便攜式全液壓鉆機(jī)在市場(chǎng)中被廣泛應(yīng)用。設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮到其在應(yīng)用過程中運(yùn)輸方便、操作快捷，具有一定的可靠性，將其作為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的科學(xué)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員考慮到傳統(tǒng)設(shè)備運(yùn)輸?shù)睦щy，在較大范圍內(nèi)進(jìn)行運(yùn)輸、操作具有不便利性，且操作會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成一定程度影響，不符合生態(tài)設(shè)計(jì)理念。因此，設(shè)備設(shè)計(jì)與制造應(yīng)用集成化以及模塊化的設(shè)計(jì)工藝，降低原本鉆機(jī)的扭阻參數(shù)，提高設(shè)備應(yīng)用效率，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。在一些比較復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中進(jìn)行鉆進(jìn)、切割，使其在零散初探項(xiàng)目中可以達(dá)到快速鉆探的目的。上述理念設(shè)計(jì)的鉆機(jī)具有以下設(shè)計(jì)理念：采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，將多個(gè)模塊集中在鉆機(jī)系統(tǒng)之中，以輕便化的設(shè)計(jì)理念，選擇設(shè)備結(jié)構(gòu)材料、參數(shù)，使鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)更加協(xié)調(diào)。設(shè)備機(jī)架區(qū)域應(yīng)用航空鋁材作為主要結(jié)構(gòu)，質(zhì)量較輕，整套的鉆機(jī)可以使用人工的方式進(jìn)行運(yùn)輸，通常4～5個(gè)人即可完成對(duì)設(shè)備模塊的運(yùn)輸。設(shè)備的鉆架應(yīng)用桅桿式的結(jié)構(gòu)，設(shè)備不需要鉆塔輔助即可進(jìn)行相應(yīng)的操作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦產(chǎn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的45°至90°之間的靈活鉆探[2]。

設(shè)備移動(dòng)速率較快，進(jìn)尺效率較高，對(duì)施工環(huán)境的要求比較低。使用該鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)施工僅需要提前修建1 m寬度的道路即可支持施工，對(duì)鉆探場(chǎng)地的需求較低，支持20㎡區(qū)域內(nèi)的自由鉆探，減少了鉆探準(zhǔn)備工作中的資源浪費(fèi)。液壓接頭使用可快速插接的元件，可以隨時(shí)隨地進(jìn)行相應(yīng)的拆卸，鉆孔施工至開鉆施工在1天內(nèi)即可完成。比較傳統(tǒng)的立軸式鉆機(jī)而言，進(jìn)尺的效率大大提高，安全系數(shù)和資源成本消耗均具有明顯的優(yōu)勢(shì)[3]。

鉆機(jī)采用組裝的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鉆機(jī)的主要結(jié)構(gòu)元件大都從國(guó)外進(jìn)口，在國(guó)內(nèi)進(jìn)行加工組裝，安全效率可以得到保障。鉆機(jī)應(yīng)用集成性較高的液壓系統(tǒng)支持操作，在多種地質(zhì)區(qū)域內(nèi)鉆探應(yīng)用效果良好，適用性較好。

鉆機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用密度、強(qiáng)度較高的鉆桿、鉆具實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)地質(zhì)勘查作業(yè)。在一些強(qiáng)度比較高的破碎地層、基巖層等區(qū)域鉆探勘查同樣可以保持高效的鉆進(jìn)率，鉆進(jìn)過程中不會(huì)受到鉆孔漏失影響，沖洗液?jiǎn)未卫茫梢员Ｕ峡辈閰^(qū)域孔壁的穩(wěn)定性[4]。

2.2 便攜式全液壓鉆機(jī)性能指標(biāo)優(yōu)化

鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)主要由四大模塊進(jìn)行組成。各模塊之間相互作用組合賦予鉆機(jī)設(shè)備相應(yīng)的功能，使其具備以上特征。其中主要部件包括沖洗液循環(huán)系統(tǒng)、操作臺(tái)、柴油機(jī)、鉆架等。沖洗液循環(huán)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的單獨(dú)利用，在操作臺(tái)區(qū)域進(jìn)行鉆進(jìn)操作，柴油機(jī)作為主要?jiǎng)恿ρb置，鉆架作為結(jié)構(gòu)固定裝置。其他輔助結(jié)構(gòu)元件包括鉆具、液壓油氣箱、底座、泥漿泵以及卷揚(yáng)機(jī)等，其在某礦山地質(zhì)礦產(chǎn)勘查過程中的性能參數(shù)如表2所示。

2.3 便攜式全液壓鉆機(jī)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

對(duì)便攜式全液壓鉆進(jìn)機(jī)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，根據(jù)實(shí)際的鉆探工作量、鉆進(jìn)效率以及時(shí)效率等參數(shù)進(jìn)行分析。工廠說明書中闡述常規(guī)便攜式鉆機(jī)的月效率可以達(dá)到940 m左右，每小時(shí)可以鉆進(jìn)參數(shù)達(dá)到3 m左右，最低時(shí)效率在2.2 m左右，其在西山礦區(qū)與東山礦區(qū)應(yīng)用效果均比較良好，但相比較而言，西山礦區(qū)的鉆探效率更高[5]。應(yīng)用過程中便攜式全液壓鉆機(jī)拆卸以及搬運(yùn)在不同鉆點(diǎn)所耗費(fèi)的時(shí)間僅僅需要1天，鉆孔的適應(yīng)性也比較強(qiáng)，對(duì)環(huán)境的破壞程度降至最低。

便攜式全液壓鉆機(jī)在一些比較淺層的區(qū)域進(jìn)行鉆孔施工適應(yīng)性較強(qiáng)，在一些環(huán)境比較困難的區(qū)域進(jìn)行鉆孔施工也具有適應(yīng)性，相較傳統(tǒng)的立軸式鉆機(jī)而言，該設(shè)備操作以及鉆孔勘查投入的成本較低，運(yùn)轉(zhuǎn)效率也比較高。通過鉆探效率的分析以及對(duì)比，可以有效了解到設(shè)備應(yīng)用的效果。

3. 便攜式全液壓鉆機(jī)在應(yīng)用中存在的問題

便攜式全液壓鉆機(jī)在應(yīng)用過程中同樣存在相應(yīng)的弊端，對(duì)鉆進(jìn)效率產(chǎn)生一定程度影響。其問題主要表現(xiàn)在泥漿泵和夾持器上，以上兩個(gè)元件均是便攜式全液壓鉆機(jī)應(yīng)用的輔助用具，具體問題如下：鉆機(jī)的泥漿泵主要應(yīng)用低固相泥漿或者無固相泥漿，其他性質(zhì)的泥漿在鉆機(jī)鉆探過程中應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致鉆探的效率有所降低。低固相泥漿的使用無法反復(fù)利用。因此，考慮到鉆機(jī)泥漿泵的操作環(huán)境以及應(yīng)用環(huán)境，在地質(zhì)結(jié)構(gòu)中水分較多的地區(qū)進(jìn)行操作具有一定的適應(yīng)性，但如果鉆進(jìn)的區(qū)域地層結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，地下水的含水率比較小，鉆機(jī)鉆進(jìn)效率會(huì)有所降低，操作難度也有所增加，無法完全適應(yīng)該區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)鉆探勘查。

鉆機(jī)應(yīng)用對(duì)夾持器的參數(shù)要求比較高，夾持器的最大夾持直徑對(duì)鉆機(jī)的實(shí)際應(yīng)用具有一定的限制性。案例中應(yīng)用兩臺(tái)鉆機(jī)進(jìn)行鉆探應(yīng)用，第一臺(tái)鉆機(jī)在應(yīng)用過程中雖然可以通過直徑參數(shù)為10.8 cm的套管，但無法對(duì)其進(jìn)行加持處理。第二臺(tái)鉆機(jī)在應(yīng)用過程中無法通過參數(shù)為10.8 cm的套管，使得鉆孔的結(jié)構(gòu)靈活性受到一定影響，夾持器對(duì)鉆孔結(jié)構(gòu)起到了一定的限制作用。如果需要繼續(xù)使用直徑參數(shù)為10.8 cm的套管，則需要對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)孔處理，起出直徑參數(shù)為8.9 cm的套管。

4. 鉆機(jī)應(yīng)用對(duì)策優(yōu)化

考慮到應(yīng)用環(huán)境以及應(yīng)用技術(shù)對(duì)便攜式全液壓鉆機(jī)應(yīng)用效率的影響以及鉆機(jī)應(yīng)用的實(shí)際條件。便攜式全液壓鉆機(jī)應(yīng)用效率較高，支持人工搬運(yùn)，對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性也比較強(qiáng)，符合生態(tài)勘查、綠色勘查理念。但對(duì)具體的鉆探施工環(huán)境有一定的要求，比較適合在一些淺層礦區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘查中應(yīng)用，在一些修路比較困難的礦區(qū)中應(yīng)用可以發(fā)揮其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)鉆探鉆進(jìn)施工延伸至坑槽時(shí)，使用一些比較小型的鉆機(jī)施工可以進(jìn)行幾十米左右的鉆孔。在該類鉆孔作業(yè)中可以使用鉆機(jī)代替原本的槽位，使得其效果更佳，可以減少開槽掘進(jìn)對(duì)地質(zhì)環(huán)境以及生態(tài)環(huán)境的破壞。

考慮到便攜式全液壓鉆機(jī)應(yīng)用過程中的環(huán)境保護(hù)以及生態(tài)保護(hù)理念，進(jìn)一步拓展其在地質(zhì)勘查中的實(shí)際應(yīng)用。可以適當(dāng)在鉆機(jī)上安設(shè)相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)裝置，使其可以在坑內(nèi)進(jìn)行鉆探，在不同的區(qū)域、環(huán)境內(nèi)鉆探效果也比較好，符合綠色鉆探勘查理念。

目前，便攜式全液壓鉆機(jī)應(yīng)用的主要問題集中在泥漿泵上，如果對(duì)泥漿泵進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，使其可以泵送固相泥漿，并實(shí)現(xiàn)可以循環(huán)利用目標(biāo)，則鉆機(jī)的應(yīng)用效果以及應(yīng)用適應(yīng)性會(huì)有所增加。

5. 結(jié)語

便攜式全液壓鉆機(jī)在地質(zhì)礦產(chǎn)勘查中應(yīng)用效果較好，在應(yīng)用過程中符合綠色勘查理念，減輕了地質(zhì)礦產(chǎn)勘查活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。便攜式全液壓鉆機(jī)具有方便搬運(yùn)、易于運(yùn)輸、施工占地面積少、工作效率高、對(duì)環(huán)境破壞小等優(yōu)點(diǎn)，是對(duì)施工環(huán)境及地層適應(yīng)性很強(qiáng)的鉆機(jī)，特別適合在修路、搬運(yùn)困難的礦區(qū)施工。