盧倩，冉靈杰，王福海，祝強，蘇興濤

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 引言

目前在地質(zhì)調(diào)查、化探、物探、基礎(chǔ)工程勘察等領(lǐng)域有大量的淺層鉆探取樣的需求，亟需可以由人力搬運的5米以內(nèi)的輕便沖擊淺層取樣鉆機。便攜式地質(zhì)淺層取樣鉆機是一種主要適用于山嶺、交通和能源不便地區(qū)的小型輕便化取樣鉆孔設(shè)備。采用該鉆機取樣可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工挖掘、槽探和井探等取樣。

為了解決山區(qū)供水困難，研究人員探索了無水鉆進法[1]。用空氣循環(huán)替代水循環(huán)鉆進和無循環(huán)鉆進技術(shù)[2]。同時采用輕便且可靠的鉆進設(shè)備是降低鉆進費用的有效途徑[3]，但輕便的鉆進取樣技術(shù)仍是空白和難點。槽形取樣鉆可以在無沖洗介質(zhì)條件下，快速實現(xiàn)純沖擊鉆取工作，鉆機結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、可快速裝卸、便于搬運。

1 主要技術(shù)特點

1.1 鉆機整體特點

(1)取樣鉆總質(zhì)量不超過10 kg，攜帶方便，適用于高山、無電源、無風壓設(shè)備的地區(qū)和流動性較大的臨時性工程尤為適合。

(2)新型槽形取樣鉆, 包括槽形鉆具和鉆桿、沖擊頭和沖擊錘及合式提手。

(3)沖擊頭固定在鉆桿的上端，中間可連接鉆桿短節(jié)。

(4)槽形鉆具可連接在鉆桿的下端或沖擊頭的下端。

(5)沖擊錘用于錘擊沖擊頭，使其將槽形鉆具打入地層中。

(6)合式提手卡住打入地層的鉆桿和鉆具，將其拔出。

1.2 鉆桿設(shè)計

鉆桿要求耐磨性好，承受傳遞能量所需的高強度等。由于該鉆桿在疲勞載荷下使用，因此還應(yīng)具有結(jié)構(gòu)鋼的一般性能。在沖擊回轉(zhuǎn)鉆進過程中，鉆桿承受高峰值、高頻率的沖擊載荷作用，導(dǎo)致快速的疲勞破壞。此外，鉆桿還將受到扭轉(zhuǎn)、彎曲、拉伸、壓縮等多種復(fù)合應(yīng)力的作用，并在回轉(zhuǎn)、碰撞的環(huán)境下經(jīng)受巖石、巖粉等工作介質(zhì)的磨蝕作用，因此要求鉆桿應(yīng)具有如下性能：

(1)足夠高的疲勞強度；

(2)適量的塑性和韌性，以保證鋼材有較低的疲勞缺口敏感度；

(3)良好的循環(huán)韌性，從而保證鋼材的消震性能良好，并且還可降低疲勞裂紋的擴展速率；

(4)一定的抗腐蝕能力，主要是耐大氣和礦物的腐蝕；

(5)良好的工藝性能，包括冷、熱加工，鍛造和熱處理性能。

1.3 鉆具設(shè)計

按照先成孔，后取心的設(shè)計方案，鉆頭主要有錐形沖擊鉆頭和合金取心鉆頭兩種。取心鉆頭安裝在單管取心鉆具上。單管取心鉆具設(shè)計了普通單管和槽型單管兩種形式。按照先成孔，后取心的設(shè)計方案，鉆頭主要有錐形沖擊鉆頭和合金取心鉆頭兩種。取心鉆頭安裝在單管取心鉆具上。單管取心鉆具設(shè)計了普通單管和槽型單管兩種形式。

2 現(xiàn)場試驗與改進

鉆機僅需一人即可搬運，2人操作，見圖1。圖2為所取的樣品。

圖1 現(xiàn)場試驗

圖2 所取樣品

(1)針對野外試驗中遇到的問題，做了如下改進。沖擊頭的上部為一半圓頭，易于承接沖擊錘的沖擊力。

(2)鉆具材料抗沖擊，為近半圓開口結(jié)構(gòu)形式，進尺速度快。

(3)有兩個橫置把手，易于鉆工操作：下壓和上提。

因在實驗中發(fā)現(xiàn)鉆桿和鉆具沖入地層后，靠人力很難將其取出，研究人員繼續(xù)研發(fā)了合式提手成對使用，可提高提鉆力?？蓪⑷肆o法提出的鉆桿，由兩名操作人員共同提出。有效的解決了起拔問題。

3 總結(jié)

本機克服了現(xiàn)有技術(shù)中鉆機體積笨重且功能單一，不能適應(yīng)淺表地層的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，可用于較軟的松散地層，但不適用于堅硬(含礫石)致密完整的巖石地層。從實際問題出發(fā)，經(jīng)過不斷試驗和改進，便攜式?jīng)_擊取樣鉆機具的裝備和鉆進取樣工藝，實現(xiàn)了淺部無水鉆進和取樣。全套裝備需要2人背負，其中一人背鉆機，另一人背鉆桿、鉆具和工具。鉆進取樣時需要2人配合完成。它不僅能加快取樣工作速度，而且能大量減少植被的破壞，保護環(huán)境，是區(qū)域地質(zhì)填圖、物化探取樣、古地磁取樣、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防等淺層地質(zhì)勘查工作中不可缺少的技術(shù)手段。該設(shè)備及工藝可部分替代探槽采樣。