環(huán)境取樣鉆機的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢研究

李 炯， 王 瑜， 周 琴， 劉寶林， 張 凱， 王志喬

(1.中國地質(zhì)大學〈北京〉工程技術(shù)學院，北京 100083； 2.自然資源部深部地質(zhì)鉆探技術(shù)重點實驗室，北京 100083)

0 引言

自工業(yè)革命以來，人類社會文明的發(fā)展進程急速變化。人們在享受工業(yè)革命帶來的豐碩果實的同時，生態(tài)環(huán)境卻遭受到了破壞。而隨著社會的發(fā)展，人們不僅對物質(zhì)文化生活提出了更高的要求，對環(huán)境等方面的要求也越來越高[1]。因此，通過進行環(huán)境取樣來測定環(huán)境中物理化學和生態(tài)系統(tǒng)各指標，以確定環(huán)境污染狀況或環(huán)境質(zhì)量的高低顯得尤為重要[2]。

環(huán)境取樣通常包括水體取樣[3-5]、氣體取樣[6-8]和土壤或地質(zhì)取樣[9-11]。在環(huán)境地質(zhì)取樣中，主要有直推式取樣、聲頻振動取樣和回轉(zhuǎn)取樣。環(huán)境取樣鉆機通常具有鉆探成本低、取心率高、鉆進速度快、對樣品無擾動及對土壤無污染的特點[12-15]。本文綜述了環(huán)境取樣鉆機的發(fā)展歷程。通過對國內(nèi)外鉆機的比較得出，國外鉆機通常具有模塊化和智能化程度高、結(jié)構(gòu)緊湊、造型美觀的特點，但同時價格昂貴；國內(nèi)鉆機也正朝著這幾個方向發(fā)展。提出了環(huán)境取樣鉆機的關(guān)鍵技術(shù)應包括移動能力、鉆進能力和樣品保真能力3個方面，認為環(huán)境取樣鉆機將朝著采用清潔能源動力、自動分析樣品和適應多種場合的方向發(fā)展。

1 直推式取樣鉆機

1.1 直推式取樣鉆機的工作原理

直推式取樣鉆機通常由導軌、給進油缸、振動沖擊器、馬達和變速箱等組成。其鉆進方法包括推鉆、錘擊或振動推進鉆頭3種。工作原理是在鉆進過程中，遇阻力較小的時候給進油缸產(chǎn)生靜壓力推動變速箱沿導軌向下運動，帶動取樣裝置無回轉(zhuǎn)地進入地層中；阻力較大或者無法靜壓進尺的時候，振動沖擊器產(chǎn)生沖擊力，配合靜壓入土的方式快速鉆進成孔并取樣。直推鉆機在取樣過程中不需要沖洗液，確保所得到的樣品不被交叉污染，能最大程度的保證土樣的原狀特性[16-17]。

1.2 直推式靜壓取樣鉆機的發(fā)展

直推技術(shù)起源于20世紀20年代的荷蘭，當時荷蘭人在進行收集巖土和水文地質(zhì)數(shù)據(jù)及土壤和地下水樣品的時候，直接將錐形取樣或測量裝置推入地下；到20世紀90年代，隨著國外的環(huán)境鉆探項目日益增多，為快速高效地獲得高質(zhì)量原狀土樣品，美國Geoprobe公司率先在鉆機中應用了直推技術(shù)，在首次應用中鉆進速度明顯超過普通回轉(zhuǎn)鉆機，目前該公司生產(chǎn)的Model7800型直推式靜壓取樣鉆機(見圖1)，具有直推和聲頻振動鉆進功能且車載方式使其具有在野外能快速往返于不同取樣地點的特點[18-19]。

圖1 Model7800型鉆機Fig.1 Model 7800 drill rig

除了Geoprobe公司之外，美國的PowerProbe公司研發(fā)了VTR系列直推式靜壓鉆機，其9520VTR型鉆機具有動力強、燃油效率高、環(huán)保且能自動調(diào)整支架的特點；西班牙TEOP. S. A公司研制的TEC12型鉆機模塊化程度高，同時擁有旋轉(zhuǎn)頭和錘擊頭的設(shè)計使其既能進行勘探取樣又能進行標準貫入實驗，三類靜壓鉆機的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 國外直推式鉆機技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of foreign direct push drills

我國在進入21世紀之后，原建設(shè)在城市內(nèi)部的工業(yè)園區(qū)外遷趨勢加快，原有場地轉(zhuǎn)變?yōu)樯虡I(yè)或居民用地，對這些場地的污染狀況調(diào)查引發(fā)了國產(chǎn)環(huán)境鉆機的研制熱潮。此時，國外的直接推進鉆探技術(shù)進入中國，經(jīng)過十幾年發(fā)展，南京貽潤環(huán)境科技有限公司自主研制出了智能化程度較高的土壤地下水環(huán)境取樣修復一體機，其中Eprobe2000型鉆機(見圖2)不僅可以遠程無線遙控，還因行走裝置設(shè)計成三角形狀提高了場地通過性。

圖2 Eprobe2000型鉆機Fig.2 Eprobe2000 drill rig

此外，江蘇蓋亞環(huán)境科技股份有限公司、浙江清陽環(huán)境工程有限公司分別研制了GY-SR600型和QY-100L型具有無原位擾動能力的環(huán)境取樣修復一體機[20]，其技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 國內(nèi)直推式鉆機參數(shù)Table 2 Technical parameters of domestic direct push drill rig

目前，國內(nèi)企業(yè)所研制的直推式鉆機具有取樣功能的同時兼具修復功能，在智能化和模塊化方面同國外鉆機差別不大，但是在鉆機種類的豐富程度和適應性方面同國外鉆機具有較大差距，需要在挖掘新的工作原理的同時在鉆機的行走方式等方面拓展鉆機的多樣性。

2 聲頻振動取樣鉆機

2.1 聲頻振動取樣鉆機的工作原理

聲頻振動鉆機主要包括振動頭、液壓系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、行走底盤和桅桿五大部分。它的工作原理是通過聲頻振動頭上兩個對稱分布的偏心軸或偏心塊相向轉(zhuǎn)動使軸向力疊加，水平力抵消，疊加的軸向力能通過鉆桿傳遞給周圍土體，通過調(diào)節(jié)偏心軸或偏心塊的轉(zhuǎn)動頻率能使其同鉆桿產(chǎn)生共振，產(chǎn)生駐波，駐波的巨大能量也傳遞給周圍土體，從而擠開或液化周圍土體實現(xiàn)高速鉆進[21-23](參見圖3)。

圖3 聲頻振動鉆機原理圖Fig.3 Working principle of sonic vibration drill rig

2.2 聲頻振動取樣鉆機的發(fā)展

聲頻振動鉆機又稱聲波鉆機，因其振動頻率在50～200 Hz的人耳能感受到的頻率區(qū)間而得名。聲頻鉆進理論最早是由羅馬尼亞工程師George Constantinesco提出，1930年，另一位羅馬尼亞工程師Ion Basgan介紹了將高頻振動應用在傳統(tǒng)鉆進技術(shù)的理論，加快了聲頻鉆進技術(shù)的發(fā)展；20世紀60年代，美蘇兩國相繼研發(fā)了適用于孔底或只依靠振動不具備回轉(zhuǎn)功能的振動器，雖然鉆進速度快，但巨大的振動能量總能造成結(jié)構(gòu)損壞，因此，實驗以失敗告終； 70年代之后，美國的 Ray Roussy和他的助手設(shè)計了一種低頻振動鉆機并在油田、砂土地層和冰凍層實驗成功，后來陸續(xù)有其他國家和公司對聲頻鉆機進行研究，使得聲頻鉆機迅速發(fā)展；90年代之后，聲頻振動鉆機已經(jīng)得到了充分的發(fā)展。由于聲頻振動鉆機在鉆進過程中不需要水或其他鉆井液，對周圍環(huán)境不會產(chǎn)生污染，各個國家相繼將聲頻振動鉆機應用在環(huán)境鉆探中。目前英國Ecoprobe、荷蘭Eijkelkamp、美國BoartLongyear、加拿大Sonic Drill和日本ToneBoring等公司都有自己的聲頻振動鉆機[24-27]，技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 國外聲頻振動鉆機參數(shù)Table 3 Technical parameters of foreign sonic vibration drill rig

中國在21世紀初引入聲頻振動鉆機之后在吸收國外先進經(jīng)驗的同時，對鉆進機理等進行了深入的研究，采用虛擬樣機技術(shù)設(shè)計并模擬鉆進過程。現(xiàn)在中國地質(zhì)大學(北京)、中國煤炭地質(zhì)總局第二勘探局、北京探礦工程研究所及無錫金帆鉆鑿設(shè)備股份有限公司相繼研發(fā)出了自己的聲頻振動鉆機[28-31]，技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 國內(nèi)聲頻振動鉆機參數(shù)Table 4 Technical parameters of domestic sonic vibration drill rig

聲頻振動鉆機進入我國較晚，雖然國內(nèi)研制該類型鉆機的廠家已經(jīng)較多，但是產(chǎn)品性能以及減振措施等關(guān)鍵技術(shù)同國外鉆機差距較大，在加大研發(fā)力度的同時同國外企業(yè)開展技術(shù)交流顯得很有必要。

3 回轉(zhuǎn)取樣鉆機

3.1 回轉(zhuǎn)取樣鉆機的工作原理

環(huán)境取樣過程中所用到的回轉(zhuǎn)鉆機具有輕便、易操作的特點，通常有兩種類型(見圖4)：(1)自行走式鉆機，即可通過控制鉆機自身安裝的系統(tǒng)使鉆機移動，該類鉆機通常由柴油機/汽油機、桅桿、卷揚機和動力頭組成；(2)背包式鉆機，主要由主機、鉆具和鉆桿組成。兩種回轉(zhuǎn)鉆機的工作原理是鉆桿和動力頭或主機相連，動力頭或主機帶動鉆桿回轉(zhuǎn)并加壓，沖洗液通過鉆桿內(nèi)部流入孔底，冷卻鉆頭，并攜帶巖屑從鉆桿外壁和鉆孔間隙之間返回到地面[32-34]。

圖4 回轉(zhuǎn)鉆機Fig.4 Rotary drill rig

3.2 回轉(zhuǎn)取樣鉆機的發(fā)展

(1)自行走式鉆機。西方國家在20世紀70年代為方便在偏遠地區(qū)鉆探施工，開始研制輕便化的鉆探設(shè)備，到90年代，美國Mobile drilling公司研制的Minuteman鉆機、Acker Drill公司研制的KODIAK及加拿大EGR公司的EP600型鉆機均具有整體結(jié)構(gòu)簡單緊湊，能夠在空間狹小的地方進行取心作業(yè)并快速移動的特點，且機械化接卸鉆桿的方式，大大縮短了鉆進過程的輔助時間[35-37]，三類鉆機的技術(shù)參數(shù)見表5。

表5 國外自行走式鉆機技術(shù)參數(shù)Table 5 Technical parameters of foreign self-propelled drill rig

中國在20世紀70年代生產(chǎn)的“爭光”系列鉆機開創(chuàng)了我國輕便鉆機的先河，80年代無錫探礦機械總廠研制的G系列輕型鉆機在當時廣受歡迎，隨后在90年代進行的國土資源大調(diào)查中多家企業(yè)和科研院所自主研制了多種輕便鉆機，這些鉆機技術(shù)參數(shù)上雖有差異(見表6)，但結(jié)構(gòu)上相似度卻很高。

表6 國內(nèi)自行走式鉆機技術(shù)參數(shù)Table 6 Technical parameters of domestic self-propelled drill rig

(2)背包式鉆機。背包式鉆機最早是由美國紹爾公司為進行礦物考察、油田勘測等地質(zhì)研究者打造的一種輕型鉆機，包括動力機、回轉(zhuǎn)器和手持壓力桶等部件，現(xiàn)也經(jīng)常用于環(huán)境取樣鉆進中。由于背包式鉆機具有質(zhì)量輕、可由單人攜帶和使用方便等特點，深受鉆探工作者的喜愛，因此自問世以來迅速發(fā)展。目前，國外常見的背包式鉆機為澳大利亞科力公司研發(fā)的SD-1型單人手持式土壤取樣鉆機和德國高茲研制的WD-H型手持巖心取樣鉆機[38-40]，技術(shù)參數(shù)見表7。

表7 國外背包式鉆機技術(shù)參數(shù)Fig.7 Technical parameters of foreign knapsack type drill rig

鑒于進口的背包式鉆機價格昂貴，且不能滿足我國復雜地層的取樣需求，因此，研制適合我國地質(zhì)工作者們使用的背包式鉆機顯得十分必要。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，北京探礦工程研究所、濟寧恒旺集團、山東巨匠機械集團有限公司、唐山凱地勘探設(shè)備制造有限公司和新泰宏豐地質(zhì)鉆探工程有限公司相繼研發(fā)了自己的背包式鉆機[41-43]，技術(shù)參數(shù)見表8。

表8 國內(nèi)背包式鉆機技術(shù)參數(shù)Fig.8 Technical parameters of domestic knapsack type drill rig

通過對環(huán)境取樣過程中常用鉆機的綜述，可以得出，國外鉆機無論是在智能化、模塊化還是結(jié)構(gòu)及外觀方面都擁有成熟的技術(shù)，但是，國外鉆機價格昂貴，國內(nèi)鉆機需在技術(shù)上趕超國外鉆機的同時，可充分發(fā)揮價格和售后服務的優(yōu)勢來開辟市場。

4 環(huán)境取樣鉆機關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢

4.1 關(guān)鍵技術(shù)

環(huán)境取樣主要是通過對原狀樣品進行分析測試得出該地區(qū)的環(huán)境污染狀況，通常施工環(huán)境復雜多樣，且采樣點數(shù)目繁多。環(huán)境取樣鉆機是集智能化、模塊化、輕便化于一體的技術(shù)集成，其關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個方面：

(1)移動能力：由于取樣環(huán)境或取樣數(shù)目的不確定性，對環(huán)境取樣鉆機的移動能力有較高的要求，在野外地形復雜或取樣數(shù)目較多的時候，為節(jié)省時間提高效率，要求鉆機能快速移動到不同取樣點，這種情況下就需要具有較大結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的直推式取樣鉆機同時具有穩(wěn)定性較好的履帶和能快速移動的輪式移動機構(gòu)，或者易于輪式越野車輛搬運。

(2)鉆進能力：鉆機的最終用途是用來鉆取樣品，復雜的野外環(huán)境使便于攜帶的輕便鉆機廣受歡迎，但輕便性造成動力裝置小型化，隨著鉆進深度的增加或遇到堅硬地層的時候，阻力越來越大，沒有充足的動力將會出現(xiàn)鉆進乏力、效率低下等問題，在保證二者兼?zhèn)涞那闆r下，提高鉆進能力將具有重要意義。

(3)樣品保真能力：樣品的保真主要指對樣品的結(jié)構(gòu)和成分的保真，由于樣品本身包含較多的夾雜物，為了解樣品中所包含的內(nèi)容，在鉆進過程中，需要避免樣品受到?jīng)_洗液的二次污染，或者鉆具對樣品產(chǎn)生擾動，因此，結(jié)合化學、材料和力學等學科對所研究樣品不會產(chǎn)生污染的沖洗液和鉆具需要被研發(fā)。

4.2 發(fā)展趨勢

綜述國內(nèi)外的環(huán)境鉆機可以得出，環(huán)境鉆機通常具有小型輕便、無泥漿、多功能的特點，但也有需要進一步完善的地方，例如大部分鉆機還是采用內(nèi)燃機驅(qū)動，而在采樣分析過程中還需要花費大量時間在實驗室進行，另外，雖然多功能環(huán)境鉆機具有能夠進行淺層地表取樣以用于分析污染情況、地質(zhì)勘察、淺層礦產(chǎn)資源勘探及淺井槽探工程等能力，但是適用場地還是比較單一，因此，隨著社會的進一步發(fā)展，環(huán)境鉆機將有以下幾個方面的發(fā)展趨勢：

(1)動力等采用清潔能源：目前，風能、太陽能等清潔能源技術(shù)已經(jīng)非常成熟，鉆探工作在野外作業(yè)時采用內(nèi)燃機驅(qū)動鉆機時，需要另外攜帶燃油增加了工作負擔，而自帶太陽能芯片或扇葉的鉆機能在一定程度上緩解或滿足自身的需求，并減少對環(huán)境的污染。

(2)自動分析樣品：微型計算機技術(shù)在現(xiàn)在社會中已經(jīng)得到了普遍應用，結(jié)合材料工程和編程技術(shù)，通過研發(fā)新型感應鉆桿鉆具，在鉆進過程中將地層或其他信息實時顯示在鉆機上的微型計算機上面，能迅速了解地層土壤的污染情況。

(3)適應多種場合：由于現(xiàn)在的鉆機適用場合很單一，而環(huán)境鉆探的場合包括陸地、水面等，因此結(jié)合造船、兩棲技術(shù)在現(xiàn)在鉆機的基礎(chǔ)上增加漂浮裝置等，研制用于水體或淤泥取樣的鉆具，使原來的陸用鉆機能在湖泊沼澤灘涂等地使用，拓展鉆機的應用范圍，從而節(jié)約成本。

5 結(jié)語

隨著人們對生存環(huán)境的質(zhì)量要求越來越高，環(huán)境鉆機成為檢測環(huán)境污染程度的重要裝備，其在未來的時間必將獲得較大的發(fā)展。我國環(huán)境鉆機在發(fā)展的過程中，雖然在智能化、模塊化、結(jié)構(gòu)及外觀上同國外差距較大，但是我們在追趕國外技術(shù)的同時，還可從綠色環(huán)保、智能分析及適應多種取樣場地等方面入手來彌補這些差距。