便攜式全液壓鉆機(jī)在地質(zhì)勘查中的應(yīng)用

繆 賽

（江西有色地質(zhì)勘查二隊，江西 贛州 341000）

便攜全液壓鉆機(jī)突出的設(shè)計理念是輕便、可靠，幾乎支持任何地質(zhì)探查環(huán)境下的作業(yè)，能進(jìn)入地形陡峭地區(qū)以及完成零散的勘察任務(wù)，借助其迅速鉆探以及資源整合，改善鉆探裝備。

1 便攜式全液壓鉆機(jī)

1.1 突出特點

此種便攜式的鉆機(jī)特點在在于：

一是，輕便靈活，其結(jié)構(gòu)材料選擇航空鋁材，自重相對偏低，最重部分通常僅需四人左右，輕松搬運(yùn)移動。配備桅桿式鉆架，不必另設(shè)鉆塔，支持在45°～90°之間，隨意調(diào)整。二是，移位及進(jìn)尺速度快，對勘察環(huán)境的要求不高，僅需具備約為1m的通道，作業(yè)場地面積標(biāo)準(zhǔn)也只用4.5m見方即可，不會用到過多的占地空間，有效控制基礎(chǔ)項目環(huán)節(jié)的成本支出。再加上，配有液壓接頭進(jìn)行連接，方便拆裝及搬運(yùn)，而且從終孔至再次作業(yè)的時間間隔只需維一日。另外，進(jìn)尺速度及臺月均優(yōu)于傳統(tǒng)立軸結(jié)構(gòu)的鉆機(jī)，有效避免超出工期，壓縮人力費(fèi)用。三是，適用性及可靠性高，鉆機(jī)構(gòu)成部件通常來自國外成熟技術(shù)，運(yùn)至國內(nèi)進(jìn)行組裝，有較高的應(yīng)用穩(wěn)定性。同時，鉆進(jìn)效率優(yōu)，不易發(fā)生事故，擁有高集成的液壓系統(tǒng)，進(jìn)一步保障整體作業(yè)的效果。四是，壓縮成本，此鉆機(jī)為模塊化形式，可實現(xiàn)降本增效。五是，技術(shù)含量高，有顯著的采取率。其配備高強(qiáng)度及精度的薄壁鉆桿與鉆具，即使遇到破碎、風(fēng)化等地層，都能呈現(xiàn)較優(yōu)的采取效果。在鉆進(jìn)中，沖洗液能多次使用，并可保障液體帶出巖屑及保護(hù)孔壁的效果[1]。

1.2 性能參數(shù)

便攜式的此類鉆機(jī)，主要包括液壓操作臺及動力頭、泥漿泵等部件。以XD800型的鉆機(jī)為例，其鉆孔的口徑有BTW、NTW以及HQ三類，孔深分別為800m、600m以及400m，支持的傾角范圍在45°～90°之間。其動力機(jī)需配備三臺，功率是33kW，轉(zhuǎn)速能達(dá)到3000rpm。動力頭的結(jié)構(gòu)框架是馬達(dá)直驅(qū)型，最快轉(zhuǎn)速能達(dá)到每分鐘1380轉(zhuǎn)，最大扭矩是1528N.m。另外，此鉆機(jī)的給進(jìn)系統(tǒng)，能產(chǎn)生的最強(qiáng)給進(jìn)力是50kN，其拔力能達(dá)到100kN，給進(jìn)行程是1850m。同時，還帶有繩索卷揚(yáng)機(jī)，首層單繩的拉力值是5.6kN，容繩量有850m，繩速是每分鐘120m～200m。鉆機(jī)連接的泥漿泵，每分鐘可運(yùn)送140升泥漿，泵壓能達(dá)到12MPa。規(guī)格質(zhì)量是長寬均是4.5m，鉆機(jī)整體的質(zhì)量為1800公斤。

圖1 XD800型90度工況示意圖

2 便攜式全液壓鉆機(jī)應(yīng)用過程

2.1 搭建機(jī)臺

按照具體項目的現(xiàn)場條件，設(shè)置機(jī)臺。如果覆蓋層偏厚，應(yīng)當(dāng)先平整土地，以保證機(jī)臺結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。此外，機(jī)臺占地為4.5m長的正方形，在確保勘查過程順利開展的基礎(chǔ)上，有效控制場地的應(yīng)用量[2]。

2.2 錨固處理

在項目作業(yè)現(xiàn)場，需著重把控鉆孔傾斜角度，為確保鉆機(jī)能擁有穩(wěn)定作業(yè)的條件，可設(shè)置地錨孔，連接鐵鏈，把鉆機(jī)和臺體穩(wěn)定連接起來。在設(shè)置此種孔洞時，要保證其深度接近甚至到達(dá)基巖，而且此孔洞需和鉆探孔相互獨立，二者相鄰孔壁間距至少要達(dá)到150mm。比如選擇BTW口徑的鉆具，在鉆進(jìn)到設(shè)定深度時，需更換地錨頭。而為使燒結(jié)錨頭期間，不干擾水龍頭原本的密封效果，需摘掉下鉆到孔底，進(jìn)行無泥漿的重復(fù)燒結(jié)，之后利用鐵鏈固定于枕木上。

圖2 獨立密封圈式的水龍頭結(jié)構(gòu)圖

2.3 鉆進(jìn)作業(yè)

在實際地質(zhì)勘查期間，需基于工地現(xiàn)場情況，根據(jù)地層情況，將鉆進(jìn)劃分出多個階段。在遇到冰層等特殊地質(zhì)條件時，考慮到塌孔的問題，進(jìn)尺效率會偏低。對此，可選擇NTW口徑規(guī)格的鉆具，以保障鉆進(jìn)速度。

2.4 投放取心

以XD800型鉆機(jī)為例，可選擇繩索取心，獲取巖心。配備的動力頭是可翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，以便打撈工具的高效下放。比如，應(yīng)用3m規(guī)格的巖心管，支持鉆進(jìn)2根鉆桿，利于壓縮打撈巖心作業(yè)的時長，提高鉆探的效率。全孔段采取巖心的過程，基本上能滿足現(xiàn)有工程標(biāo)準(zhǔn)，而且由于支出配備排繩機(jī)構(gòu)，能有效避免咬繩、壓繩等現(xiàn)象的出現(xiàn)。

2.5 快速起下鉆

XD800型的此種鉆機(jī)，能借助油缸，直接推動力頭，和底部夾持部件相互配合，能快速擰拆及加接1.5m規(guī)格的鉆桿。單就擰卸操作過程來說，動力頭上行到設(shè)定點位后，使用夾持器固定鉆桿。在動力頭反轉(zhuǎn)的過程中，卸掉絲扣，而后將動力頭下行到孔口的位置。和以往立軸式的鉆機(jī)相較，便攜式在擰卸操作上，更為簡便，支持高效加減鉆桿，省去諸多作業(yè)時間，減輕人工強(qiáng)度。

2.6 復(fù)雜地層

在鉆探期間，要保證孔壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。如果地層條件較為復(fù)雜，可在鉆孔中，不間斷進(jìn)行掃孔，并適當(dāng)調(diào)整泥漿的配備，強(qiáng)化對纖維素等原料的管控。而且在保障孔壁穩(wěn)定的過程中，把巖石粉末沖到地面，有序經(jīng)過若干縮徑段。

3 便攜式全液壓鉆機(jī)應(yīng)用效果分析

在面對類似的鉆探任務(wù)，便攜式與立軸式的鉆機(jī)有明顯差異，前者應(yīng)用效果更佳顯著。前者臺月效率以及平均時效，能達(dá)到后者1.5倍～2倍左右。現(xiàn)實應(yīng)用中，如果工期是49日，應(yīng)用前者時，鉆進(jìn)作業(yè)的時長可能在20日左右，并耗費(fèi)10日左右完成搬運(yùn)及組裝，其余時間則用于等待布置。但倘若選用后者，鉆進(jìn)作業(yè)時長就能接近30日，其余工期則全部耗費(fèi)在搬運(yùn)及安設(shè)任務(wù)上。由此來說，便攜式的此類鉆機(jī)，鉆進(jìn)時效及輔助時間安排，都優(yōu)于立軸式的鉆機(jī)。在日后勘查中，縮短停待的時長，能進(jìn)一步提升作業(yè)效率。并在一般項目條件下，此類鉆機(jī)能一個月完成800m的任務(wù)。

3.1 成本效益

XD800型的鉆機(jī)，市場購置價格在120萬左右，而國產(chǎn)立軸式的鉆機(jī)，在保證同等性能的前提下，價格僅有50萬左右。應(yīng)用成本上，便攜式與立軸式對比，前者年折舊額接近后者的3倍左右，而且此項成本支出為固定不變的。在使用年限增加中，其單位折舊費(fèi)會有所減少。鉆具消耗方面，如果應(yīng)用壽命是8000m，再加上鉆頭與擴(kuò)孔器的應(yīng)用，鉆具的單位成本接近每米24元。而立軸式的鉆機(jī)，如果應(yīng)用壽命同樣是8000m，結(jié)合其他部件的消耗，鉆具單位成本不足每米17元。另外，燃油使用上，便攜式鉆機(jī)配備三臺33kW規(guī)格的發(fā)動機(jī)，立軸式鉆機(jī)則連接100kW規(guī)格的發(fā)電機(jī)組。結(jié)合二者鉆進(jìn)情況，前者進(jìn)尺每米需耗用8公斤左右的燃油，后者則為每米6公斤。而出現(xiàn)此種情況的原因一般為液壓傳動及消耗功率上的問題。

兩種鉆機(jī)在收益上的比較，假設(shè)年任務(wù)量足夠，施工時間為九個月，鉆探費(fèi)用按照每米450元計算，燃油是每公斤8.5元。通過對比，綜合成本及收益，便攜式鉆機(jī)的毛利潤更高，其經(jīng)濟(jì)效益較佳。選擇應(yīng)用便攜式機(jī)鉆機(jī)，前期投入的機(jī)械購進(jìn)成本品高，但其鉆進(jìn)效率遠(yuǎn)超過立軸式鉆機(jī)，因而便攜式鉆機(jī)能在短期能回收成本。

3.2 應(yīng)用優(yōu)點

由于其支持傾角區(qū)間是45°～90°，所以能用小傾角的勘探項目中。加之配備薄壁的鉆具及鉆桿等，切削截面相對偏小，利于提升進(jìn)尺效率，由于常規(guī)繩索取心的鉆機(jī)結(jié)構(gòu)。和立軸式鉆機(jī)比較，因為給進(jìn)行程較長，使出現(xiàn)巖心斷裂及堵塞情況的幾率較低，尤其在應(yīng)對破碎地層時，能迅速通過。此外，該種便攜式鉆機(jī)，僅安設(shè)支架，不用進(jìn)行上塔作業(yè)，能避免高空操作的安全問題。技術(shù)員所使用的操作系統(tǒng)，設(shè)置成儀表形式，便于操作。另外，鉆機(jī)為模塊化結(jié)構(gòu)，柴油機(jī)是其中最重的部分，但也僅有180公斤，無運(yùn)輸及安設(shè)難度，確實省去搬運(yùn)及組裝的時間，特別在交通條件不佳的地區(qū)。如果勘查任務(wù)在山區(qū)及林地等，不用建設(shè)臨時通道，避免損害過多植被，維護(hù)原有生態(tài)，由此也減少在臨時用地上的資金投入費(fèi)用。

3.3 臺月效率

在實地勘查中，需把鉆孔根據(jù)深度進(jìn)行分類，經(jīng)過比較分析，便攜式鉆機(jī)在裝配NTW口徑的工具時，最佳鉆孔效率通常在150m～175m之間，并且終孔深度大于250m時，會出現(xiàn)大幅降低，而且臺月效率同樣出現(xiàn)明顯降低。造成效率低下的原因，通常是：孔深大于200m后，鉆桿重量及孔中阻力均會提高，轉(zhuǎn)速下降，由此造成小時效率的變化；在孔深不斷加大中，輔助時間會延長，造成臺月效率下降。

3.4 應(yīng)用缺點

和立軸式鉆機(jī)相比，因為其是由液壓驅(qū)動，除此之外沒有其他的輔助，導(dǎo)致實際抗拔與應(yīng)對孔中事故的水平不高。另外，正常鉆進(jìn)條件中，沖洗液無法重復(fù)應(yīng)用，提高作業(yè)成本，而且不適用距離水源較遠(yuǎn)與缺水的工作環(huán)境。在處理復(fù)雜地層中，為確保沖洗液的應(yīng)用效果，往往會配備清水循環(huán)體系，控制液壓油的溫度。并且由于液壓手把的反應(yīng)極為靈敏，如果出現(xiàn)頻繁操作的情況，可能出現(xiàn)誤操作的問題。同時，和常規(guī)立軸式鉆機(jī)對比，便攜式的配件市價更高，使得勘查成本增多[3,4]。

4 結(jié)語

根據(jù)便攜式鉆的應(yīng)用情況，筆者得出幾點結(jié)論。首先，此類鉆機(jī)擁有高效、易運(yùn)輸、高適應(yīng)度等特點，可用于鉆孔不深、移動頻繁及交通不便的項目中。其次，鉆孔作業(yè)延伸到坑槽及探槽上，能在控制對生態(tài)損害的同時，也滿足地質(zhì)勘查需要。再次，以環(huán)保與擴(kuò)展施工的角度來說，應(yīng)當(dāng)配備電動機(jī)，擴(kuò)大鉆探范圍，提升鉆機(jī)對作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性。最后，應(yīng)優(yōu)化泥漿泵，支持固相泥漿使用，促使沖洗液重復(fù)應(yīng)用。