便攜式全液壓鉆機在地質(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）

黨的十九大報告中提到“加快生態(tài)文明體制改革，建設(shè)美麗中國”，提出了“推進綠色發(fā)展”，如何做到“既要綠水青山又要金山銀山”，這對鉆探生產(chǎn)工作提出了新的要求。因XY 系列鉆機在施工過程中不能實現(xiàn)綠色勘查，我院為滿足綠色勘查的要求而引進兩臺便攜式全液壓鉆機，先后在瓦川、栗樹溝、蔡家溝—南陽山、紅土嶺、觀音峪礦區(qū)開展鉆探施工工作，各礦區(qū)鉆孔設(shè)計孔深在130～410m 之間，平均設(shè)計孔深在240m 左右。

1 便攜式全液壓鉆機概況

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

1.1 便攜式全液壓鉆機主要特點

（1）輕便靈活：模塊化、輕便化設(shè)計，機架材料采用航空鋁材，機身輕便，最重模塊4個人即可完成搬運；桅桿式鉆架，無需鉆塔，可實現(xiàn)45°～90°任意角鉆進。

（2）移位快、進尺快、臺效高：對施工基礎(chǔ)工程要求低，鉆機進場只需修1m 左右寬道路即可，所需場地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、安裝，鉆機從終孔到再次開鉆僅需1d時間即可；進尺快，臺月效率高于立軸式鉆機，降低了工期風險和人力成本。

（3）適用性好，安全性強：鉆機主要部件為國外進口，國內(nèi)組裝，穩(wěn)定可靠；鉆進效率高，事故少；高集成液壓系統(tǒng)，穩(wěn)定可靠。

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

（5）技術(shù)含量高，采取率高：鉆機使用高強度、高精密薄壁鉆桿、鉆具系統(tǒng)，能在破碎地層、基巖風化層和土層中具有同樣的高采取率，鉆進時沖洗液不循環(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 便攜式全液壓鉆機主要性能參數(shù)

便攜式全液壓鉆機由四部分組成，分別為：鉆機主要部件、沖洗液循環(huán)系統(tǒng)、薄壁鉆具、輔助材料，鉆機主要由操作臺、液壓油箱、柴油機（三臺）、柴油箱、鉆機底座、鉆架、泥漿泵、卷揚機組成。

便攜式全液壓鉆機施工能力及鉆機其他性能參數(shù)見表1。

2 便攜式全液壓鉆機應(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)東鄰洛寧縣至三門峽省級公路，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)、鉆進方法、鉆進技術(shù)參數(shù)

表1 鉆機各項性能簡表

鉆孔結(jié)構(gòu)：直接采用NTW（?75mm）系列金剛石繩索取芯鉆具開孔，施工至完整基巖后無需起出NTW鉆桿，直接使用HQ（?89mm）系列套管靴+?89mm鉆桿擴孔至完整基巖，?89mm 鉆桿直接充當套管使用，如鉆孔下部出現(xiàn)較嚴重的坍塌、掉塊，可直接續(xù)接?89mm 鉆桿擴孔至完整地層位置，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兩級結(jié)構(gòu)。

鉆進方法：金剛石繩索取芯鉆進技術(shù)。

鉆進技術(shù)參數(shù)：便攜式全液壓鉆機在鉆進參數(shù)選取方面與立軸式鉆機及普通全液壓鉆機有所不同，主要區(qū)別有：①無鉆壓調(diào)節(jié)閥，只有加壓、減壓、浮動三個檔位，通過控制鉆進速度來調(diào)節(jié)鉆壓。②泵量調(diào)節(jié)為無極變速調(diào)節(jié)，可根據(jù)鉆進需要泵量隨時進行調(diào)節(jié)，在一定程度上節(jié)約了鉆井沖洗液，并可減少對孔壁的沖刷。③轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)通過選用不同轉(zhuǎn)速馬達以及調(diào)整柴油機轉(zhuǎn)速來控制轉(zhuǎn)速，從而達到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的效果。鉆進技術(shù)參數(shù)選取見表2。

表2 2號機瓦川礦區(qū)鉆進技術(shù)參數(shù)一覽表

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

2.1.3 應(yīng)用情況

2號鉆機自2017年3月5日～5月31日在瓦川礦區(qū)進行施工，施工鉆孔6 個，鉆探工作量1060.65m，平均臺月效率為953.55m/臺·月，平均小時效率為2.62m/h，施工鉆孔效率詳見表3。

2.2 蔡家溝—南陽山礦區(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 號鉆機、2 號鉆機同時在蔡家溝—南陽山礦區(qū)進行施工，共完成鉆孔11 個，鉆探工作量2818.11m，平均臺月效率為994.54m/臺·月，平均小時效率為2.27m/h。

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

表3 2號鉆機洛寧礦區(qū)施工鉆孔效率表

2.3 應(yīng)用效果分析

2.3.1 便攜式全液壓鉆機優(yōu)點

（1）對兩臺便攜式全液壓鉆機所施工的34個鉆孔、8230余米鉆探工作量進行分析、總結(jié)，我院應(yīng)用便攜式全液壓鉆機平均臺月效率達到938.72m/臺·月，平均小時效率達到2.38m/h，應(yīng)用效果良好。

（2）便攜式全液壓鉆機部件模塊化、重量輕、搬遷方便，搬遷及安裝時間只需1d；對搬遷道路要求低，鉆機場地僅為4.5m×4.5m，搬遷道路及機場的修建依靠人工即可完成；搬遷、安裝、施工過程安全風險小，減少了勞動強度；減少了對環(huán)境的破壞，增強對鉆孔的適應(yīng)性。

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

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

2.3.2 臺月效率與孔深的關(guān)系

將所有施工鉆孔按照終孔孔深劃分，對比分析可得出，便攜式全液壓鉆機采用NTW口徑終孔鉆孔效率最高區(qū)域為150～175m，鉆孔孔深超過250m時，鉆孔效率會出現(xiàn)明顯下降，臺月效率下降272.47m/臺·月，同比下降26%，小時效率下降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方面：①鉆孔孔深超過200m時，隨著鉆桿重量的增加、孔內(nèi)阻力的增大，轉(zhuǎn)速逐漸降低，導致小時效率降低。②隨著鉆孔孔深的增加，輔助時間增長，導致臺月效率降低。

2.3.3 存在問題

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

（2）受夾持器最大加持直徑限制，1號鉆機能夠通過?108mm套管，但無法夾持，2號鉆機無法通過?108mm套管，限制了鉆孔結(jié)構(gòu)，且在需要使用?108mm套管擴孔起出?89mm套管時帶來不便。

3 結(jié)論與建議

（1）便攜式全液壓鉆機具有效率高、搬遷快、對地層適應(yīng)性強、對環(huán)境破壞小等特點，是對施工環(huán)境適應(yīng)能力很強的鉆機，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施工幾米至幾十米的鉆孔能夠達到“以鉆代槽”的效果，在減少環(huán)境破壞的同時達到地質(zhì)工作目的。

（3）從環(huán)境保護方面及進一步拓寬施工領(lǐng)域，建議對便攜式全液壓鉆機增加電動機，從而能滿足坑內(nèi)鉆探需要，增強便攜式全液壓鉆機對不同施工地點的適應(yīng)能力，真正實現(xiàn)綠色鉆探。

（4）建議對泥漿泵進行改進，使泥漿泵能泵送固相泥漿，實現(xiàn)沖洗液循環(huán)利用，增強對地層及施工地區(qū)的適應(yīng)性。

表4 蔡家溝—南陽山礦區(qū)施工鉆孔效率表

表5 便攜式全液壓鉆機與立軸式鉆機鉆月效率對比表