雙出口旋流取樣器在RC鉆探試驗(yàn)中的應(yīng)用

劉 杰， 劉跳民， 楊勝興， 王安剛， 底衡波， 錢書偉

(1.中色地科礦產(chǎn)勘查股份有限公司，北京 100012； 2.有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，北京 100012； 3.貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局，貴州 貴陽 550005)

1 概述

2014—2016年，有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心在新疆哈密地區(qū)開展了“卡拉塔格整裝勘查區(qū)成礦規(guī)律與找礦預(yù)測研究”項(xiàng)目，該項(xiàng)目是國土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目，項(xiàng)目的研究目標(biāo)是：查明卡拉塔格整裝勘查區(qū)成礦地質(zhì)背景、關(guān)鍵控礦因素和盆-弧構(gòu)造演化機(jī)制和規(guī)律；研究開發(fā)一套適應(yīng)荒漠-淺覆蓋區(qū)VMS型和斑巖型銅多金屬礦床快速勘查評價(jià)技術(shù)方法，集成成礦規(guī)律和勘查技術(shù)研究成果，構(gòu)建VMS型、斑巖型礦床找礦預(yù)測標(biāo)志體系和勘查模型，為找礦突破提供技術(shù)支撐；開展找礦靶區(qū)預(yù)測與快速評價(jià)示范；開展RC(空氣反循環(huán))鉆探技術(shù)對比研究與應(yīng)用示范，為制定空氣反循環(huán)鉆探行業(yè)技術(shù)規(guī)范提供科學(xué)依據(jù)，為整裝勘查區(qū)提供先進(jìn)的鉆探技術(shù)手段。

該研究項(xiàng)目分4個(gè)課題，其中一個(gè)是“RC鉆探與金剛石巖心鉆探對比試驗(yàn)(編號(hào)：201411026-4)”，在實(shí)施RC鉆探與金剛石巖心鉆探對比試驗(yàn)研究中，課題組對巖樣收集工具——旋流取樣器進(jìn)行了研究，針對國內(nèi)普遍使用的單出口旋流取樣器存在的問題做出了改進(jìn)，研制出了雙出口旋流取樣器。

2 國內(nèi)外取樣器簡介

國外發(fā)達(dá)國家的RC鉆探樣品收集裝置大多把旋流取樣器與樣品縮分器做成一個(gè)整體(參見圖1)，并懸掛于鉆機(jī)旁邊，樣品收集后直接進(jìn)入縮分器，出來的樣品只收集2個(gè)小樣，大部分樣品棄掉，節(jié)省收集成本，提高了施工效率。

圖1 取樣、縮分一體的采樣系統(tǒng)

國內(nèi)的取樣器大多是單出口旋流取樣器，取樣和縮分是分開的，先取大樣，即所有段長的樣品收集于一個(gè)大塑料袋中，再倒入縮分器中進(jìn)行縮分(參見圖2、圖3)。這種兩步走的樣品收集方式效率低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。

圖2 單出口取樣器

圖3 縮分器

3 單出口旋流取樣器存在的問題

本課題實(shí)驗(yàn)中采用國內(nèi)用得較多的單出口旋流取樣器，高速空氣攜帶孔底樣品從切線方向進(jìn)入旋流取樣器，通過離心力及重力作用使氣體和固體在取樣器中分離，質(zhì)量大的固體顆粒沿旋流器內(nèi)壁下落，從下出口進(jìn)入樣袋；一部分很細(xì)小的粉塵被氣流攜帶從旋流器的排氣口排出到環(huán)境中。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單出口取樣器存在以下問題。

(1)由于不規(guī)范操作造成取樣、換樣品袋間隙的樣品遺漏。

單出口取樣器取樣過程：一個(gè)取樣段長施工結(jié)束，取樣工得到司鉆人員指令后取下樣袋，再把空樣袋套到取樣器出口上綁好。按操作流程，在取樣時(shí)間段內(nèi)是不能進(jìn)尺的，但實(shí)際生產(chǎn)過程中，操作人員往往會(huì)不按規(guī)程操作，連續(xù)進(jìn)尺。經(jīng)試驗(yàn)實(shí)測，換樣品袋的時(shí)間一般3～5 s，鉆進(jìn)時(shí)效18～37 m/h，據(jù)此計(jì)算，造成每米樣品流失0.02～0.05 m。圖4為試驗(yàn)鉆孔MRC0904在孔深102 m時(shí)遺漏的樣品。

圖4 遺漏的樣品

(2)取樣造成環(huán)境污染。

取下樣品袋后，大量氣體、粉塵從下出口排出，彌漫在取樣器周圍，影響操作人員健康，對環(huán)境造成了很大的污染。因出口周圍粉塵大，操作人員看不清，換樣袋時(shí)只能憑感覺(見圖5)。

4 雙出口旋流取樣器

為解決上述問題，課題組對單出口旋流取樣器進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了雙出口旋流取樣器(見圖6)，并已獲得了國家專利(專利號(hào)：ZL 2014 2 0766736.5)。主要的改進(jìn)有兩點(diǎn)。

(1)增加了一個(gè)出料口。把單出口改成雙出口，兩個(gè)出口共用一個(gè)閥門，一個(gè)關(guān)閉時(shí)另一個(gè)敞開。這樣可進(jìn)行連續(xù)取樣，避免了換樣品袋間歇的樣品遺漏及粉塵污染，減小對工人的健康危害。

圖5 取樣時(shí)的粉塵

圖6 雙出口取樣器示意圖

(2)增加了一個(gè)噴霧接口。借鑒已有的設(shè)計(jì)，增加了一個(gè)噴霧接口，需要時(shí)可通過高壓霧水噴淋粉塵，這樣可以有效地減少粉塵外溢。

雙出口旋流取樣器包括溢流口1、直筒體3、錐筒體4、分渣室6、雙出渣口7構(gòu)成。直筒體上設(shè)有進(jìn)渣口和支腿。分渣室內(nèi)設(shè)有閥門，閥門外焊接一換向手柄，可通過換向手柄控制閥門的位置。分渣室兩側(cè)鑲有磁鐵，可吸附固定閥門。分渣室外側(cè)設(shè)有鎖定裝置，可以固定換向手柄的位置。分渣室下設(shè)有2個(gè)出渣口，通過調(diào)節(jié)換向擋板可以控制2個(gè)出渣口的開關(guān)。

實(shí)際應(yīng)用中，先準(zhǔn)備兩個(gè)樣品袋分別連接在兩個(gè)出渣口上，通過換向手柄使一側(cè)出渣通道打開，另外一側(cè)處于關(guān)閉狀態(tài)?？諝馀c巖粉樣品的混合物從進(jìn)渣口進(jìn)入旋流取樣器內(nèi)部，在重力及離心力的作用下，氣體、輕量粉塵上升從溢流口排出，質(zhì)量大的顆粒在直筒體內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)過程中不斷下落，到達(dá)分渣室后，從開啟一側(cè)的出渣口進(jìn)入下方的樣品袋中。當(dāng)達(dá)到一個(gè)取樣段長度后，立刻通過換向手柄調(diào)節(jié)閥門位置，關(guān)閉本側(cè)出渣口通道的同時(shí)開啟另外一側(cè)出渣口，并用鎖定裝置鎖定好換向手柄位置，使樣品進(jìn)入另一個(gè)樣品袋。然后將裝了樣品的袋子取下，套上新的空樣品袋，重復(fù)以上過程，直至施工結(jié)束。

如果需要，可安裝小水泵，連接進(jìn)渣口處的噴霧裝置，對進(jìn)入取樣器的樣品噴霧，進(jìn)一步降低粉塵。在取樣鉆探中，噴霧裝置一般不用，因?yàn)橛绊懭悠焚|(zhì)。

設(shè)計(jì)的雙出口旋流取樣器是整體式的，在加工過程中我們做了修改，改成分體式的。利用原單出口取樣器，在出口下方加上雙出口部分，與單出口取樣器用法蘭盤連接。這樣有以下好處：

(1)節(jié)省加工費(fèi)用。只要加工雙出口部分，上部利用原單出口取樣器，費(fèi)用大大降低。

(2)便于維修。若雙出口部分壞了可拆下來維修，整體式的維修不方便。

(3)便于轉(zhuǎn)換。萬一雙出口部分出故障一時(shí)修不好，拆下雙出口部分后單出口取樣器可以繼續(xù)使用。

圖7是加工好的雙出口部件，圖8是工人在單出口取樣器的出口法蘭上鉆眼。

圖7 雙出口旋流取樣器分渣器

雙出口部件加工好后到工地，加工好連接法蘭，組裝好。經(jīng)過初步試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)問題，一是出口部位太低，不方便裝樣；二是閥門轉(zhuǎn)軸位置縫隙大，有漏氣漏樣現(xiàn)象。經(jīng)過改進(jìn)，縮短了雙出口部件，閥門轉(zhuǎn)軸部位及閥門兩面貼橡膠板密封。

改裝好后再到工地試驗(yàn)，出口的位置還是太低，操作不方便，在出口下的地面挖20 cm的坑可以解決，以后可考慮改變支架形式，提高支架高度。

圖8 正在為單出口取樣器的出口法蘭鉆眼

5 雙出口旋流取樣器的使用效果

經(jīng)過試驗(yàn)，雙出口旋流取樣器的使用效果很好，樣品流失現(xiàn)象沒有了，粉塵大大降低，僅解開綁帶時(shí)有少許粉塵外溢，之后粉塵全無，說明密封效果很好(見圖9)。

圖9 取樣瞬間

為進(jìn)一步檢查閥門的密封性，我們在正常鉆進(jìn)時(shí)特意只裝一個(gè)樣袋，另一個(gè)出口關(guān)閉，不裝樣袋，觀察該出口的冒氣和粉塵溢出情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該出口沒有冒氣現(xiàn)象，更無粉塵溢出(見圖10)，說明閥門的密封性很好。

后又在施工RC14201孔時(shí)全孔用雙出口旋流取樣器取樣，完全解決了單出口取樣器的兩個(gè)問題。用了雙出口取樣器后，不僅解決了樣品流失和粉塵的問題，取樣工的操作也方便多了。原來取樣、裝樣袋很緊張(為避免更多的樣品流失)，不規(guī)范，采用雙出口取樣器后，因?yàn)橛凶銐虻臅r(shí)間取樣、裝樣袋，操作更加規(guī)范、簡便。原來粉塵大，解開綁帶后取樣、裝樣袋往往看不清楚，憑感覺操作，現(xiàn)在幾乎沒有粉塵。

圖10 溢塵試驗(yàn)

6 結(jié)語

RC鉆探中，取樣工具對樣品質(zhì)量及施工效率起著重要作用。雙出口旋流取樣器結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，較之國內(nèi)通用的單出口旋流取樣器在取樣質(zhì)量、環(huán)保及操作便利上都更優(yōu)越，值得推廣。

[1] 李汞,王德龍,王占丑,等.空氣反循環(huán)連續(xù)取樣鉆進(jìn)技術(shù)在紫金山金銅礦區(qū)的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2017,44(6):45-47,51.

[2] 馮常英,劉殿有,皮微微,等.空氣反循環(huán)連續(xù)取樣在含金礫巖鉆探中的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2016,43(2):48-52.

[3] 石立明.空氣反循環(huán)鉆進(jìn)工藝在地勘淺層取樣中的應(yīng)用探討[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2014,41(11):5-9.

[4] 賈慶軍,馬秀春,江寧成,等.RC鉆探技術(shù)在黑龍江爭光巖金礦區(qū)的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2007,34(8):9-12.

[5] 黃晟輝,陸生林,殷琨,等.地質(zhì)勘探空氣反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)找礦效果示范應(yīng)用研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2013,40(3):1-6.

[6] 鄧夢春,陸生林,黃晟輝.空氣反循環(huán)取樣鉆探巖心采取率的計(jì)算方法探討[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2013,40(9):6-8,13.

[7] 鄧夢春,黃晟輝,殷琨,等.空氣反循環(huán)取樣鉆探的巖樣收集和縮分技術(shù)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2013,40(7):73-76,80.

[8] 李雪峰.RCL825型空氣反循環(huán)連續(xù)取樣鉆機(jī)的性能及其在內(nèi)蒙古礦產(chǎn)勘探中的應(yīng)用[J]，地質(zhì)與勘探，2013，49(6)：1181-1187.

[9] 李鋒.空氣反循環(huán)連續(xù)取樣鉆探技術(shù)在新疆烏什磷釩礦區(qū)的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2013,40(5):23-25.

[10] 賈慶軍.空氣反循環(huán)中心取樣鉆探技術(shù)在第四系地層的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2008,35(4):23-25.