地質(zhì)工程鉆探方法綜述

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地質(zhì)的鉆探施工，對(duì)于鉆探設(shè)備、鉆探工藝、鉆探規(guī)程和參數(shù)、人員操作方式等等都有不同于淺孔施工的要求。

1工程地質(zhì)鉆探的特點(diǎn)及適用條件

在工程地質(zhì)勘察中，鉆探是最基本最常用的勘探手段。不同類型的建筑物，不同的勘察階段，不同的工程地質(zhì)條件下，凡是布置勘探工作的地段，一般均需采用鉆探方法。與地質(zhì)找礦鉆探相比，工程地質(zhì)鉆探的特點(diǎn)是：

(1)勘探工程鉆孔布置，不光要考慮自然地質(zhì)條件，還需結(jié)合工程類型及特點(diǎn)。如水壩一般應(yīng)順壩軸線布孔，工業(yè)與民用建筑則需按建筑物的輪廓線布孔等。

(2)鉆進(jìn)深度一般不大，除了大型水利工程，深埋隧道以及為了解專門的地質(zhì)問題(如控測深巖溶)外，孔深均為十余米至數(shù)十米，所以經(jīng)常采用簡易鉆探法和輕便鉆機(jī)。

(3)鉆孔多具綜合性目的，1個(gè)鉆孔除了需查明地層巖性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件外，還要作各種試驗(yàn)、取樣、長期觀測。有些試驗(yàn)往往與鉆進(jìn)同時(shí)進(jìn)行，所以進(jìn)尺較慢。

(4)工程地質(zhì)鉆探在鉆進(jìn)方法、鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆進(jìn)過程中的觀測編錄等方面，均有特殊的要求。與物探、坑探相比較，鉆探工作有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，它可以在各種環(huán)境下進(jìn)行，不受地形地質(zhì)條件的限制。它能直接觀察巖心和采樣，勘探精度高。勘探深度大，不受地下水的限制，鉆進(jìn)速度也較快，這是坑探所不能比擬的。

2鉆頭的選擇和使用

金剛石鉆頭的硬度超過堅(jiān)硬巖石的幾倍到幾十倍，從理論上說，金剛石鉆頭可以順利地在各類地層中鉆進(jìn)，但在實(shí)踐中，金剛石鉆進(jìn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果與管理密切相關(guān)，只有科學(xué)地選擇鉆頭，并合理地使用，才能提高鉆速，減少事故，增加純鉆進(jìn)時(shí)間和延長鉆頭壽命。

2．1金剛石鉆頭選擇原則

金剛石鉆頭要求與巖石性質(zhì)相適應(yīng)，如選用得正確，便會(huì)得到好的效果；如選擇不當(dāng)，不但鉆進(jìn)效果不好，甚至引起其他方面的麻煩。鉆頭的選擇往往涉及許多方面的因素，概括地說應(yīng)遵循以下原則：

(1)硬的、堅(jiān)硬致密而研磨性大的巖層，均勻性差，完整度差，甚至破碎地層宜用孕鑲金剛石鉆頭。

(2)硬度級(jí)別較低的、完整均質(zhì)巖層應(yīng)選用表鑲金剛石鉆頭。

(3)在中硬及中硬以下巖層鉆進(jìn)，選用優(yōu)質(zhì)聚晶(PCD)和復(fù)合片(PDC)鉆頭為好。

2．2金剛石鉆頭選擇使用

依據(jù)上述原則，針對(duì)施工地區(qū)地層特點(diǎn)，確定鉆頭類型。沖擊層鉆進(jìn)采用四翼螺旋肋骨取芯鉆頭和三翼階梯式無芯鉆頭。在中硬以下巖層中鉆進(jìn)均采用復(fù)合片鉆頭，7級(jí)以上石英砂巖和火成巖等較硬巖層采用人造孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)。同一類型的鉆頭又有不同的形狀，我們選擇了幾種孕鑲?cè)嗽旖饎偸@頭和復(fù)合片取芯鉆頭及復(fù)合片無芯鉆頭進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)。從表l可以看出，圓弧形孕鑲金剛石鉆頭各項(xiàng)工作指標(biāo)都較高，故我們最終選擇了圓弧形人造孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)較硬的石英砂巖和火成巖。使用金剛石代替硬質(zhì)合金鉆進(jìn)后，可大幅提高鉆速，減少輔助工作時(shí)間，鉆探效率提高30％以上。兩種鉆進(jìn)方法的效果比較見表1。

3工藝參數(shù)

金剛石鉆進(jìn)效率除了取決于正確選擇鉆頭外，還取決于鉆進(jìn)工藝參數(shù)：鉆壓、鉆頭轉(zhuǎn)速和沖洗液量。影響鉆進(jìn)工藝程參數(shù)的因素很多，主要有巖層的性質(zhì)和特點(diǎn)、鉆頭的類型、所用設(shè)備和鉆具性能以及鉆孔的直徑和深度等。評(píng)定金剛石鉆進(jìn)工藝是否合理，主要依據(jù)鉆速、鉆頭的總進(jìn)尺和單位進(jìn)尺金剛石的消耗量三個(gè)方面的指標(biāo)來衡量。根據(jù)金剛石性質(zhì)及破碎巖石的機(jī)理，金剛石鉆進(jìn)必須采用以高轉(zhuǎn)速為主體的鉆進(jìn)工藝，配合適當(dāng)?shù)你@壓和足夠的沖洗液量。

3．1鉆壓

決定鉆壓既有鉆進(jìn)所需的一面，又有所用的設(shè)備和鉆具可能施加其上的一面。實(shí)踐證明，鉆速在一定限度內(nèi)隨著鉆壓的上升而增加，當(dāng)加在鉆頭上的壓力大于所鉆巖石的壓人硬度時(shí)，巖石就由表面破碎轉(zhuǎn)到體積破碎，鉆速迅速增長，但當(dāng)壓力接近或超過金剛石本身抗壓強(qiáng)度時(shí)，金剛石開始破損，導(dǎo)致鉆速下降。因此，鉆壓有一個(gè)最優(yōu)值，這個(gè)最優(yōu)值應(yīng)該處于巖石抗壓強(qiáng)度和金剛石抗壓強(qiáng)度之問，以保證鉆頭很好的磨銳，維持比較穩(wěn)定的鉆速。依據(jù)上述原則，結(jié)合鉆頭鉆壓推薦值，確定鉆進(jìn)不同巖層的鉆壓值：7級(jí)以上較硬巖層10～15kN，5~6級(jí)砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖，鉆壓控制在8～llkN，泥巖鉆進(jìn)鉆壓5～9kN，新地層鉆進(jìn)鉆壓在4kN以下(見表2)。在實(shí)際鉆進(jìn)中，我們根據(jù)不同地層條件和鉆頭情況，對(duì)鉆壓進(jìn)行調(diào)整，以使孔底鉆頭獲得所需鉆壓。對(duì)完整巖石選用鉆壓上限，對(duì)破碎、裂隙和軟硬互層巖層選用下限。另外，鉆壓的施加還具有階段性，金剛石鉆頭剛?cè)肟椎讜r(shí)，輕壓慢轉(zhuǎn)鉆進(jìn)4～5min，等鉆頭與孔底密合以后，再以正常規(guī)程鉆進(jìn)。這樣既提高了鉆進(jìn)速度，又可降低鉆頭金剛石的消耗量，增加鉆頭的總進(jìn)尺，特別是PDC鉆頭鉆進(jìn)，鉆壓由小逐漸增大對(duì)克服鉆速衰減是十分必要和有效的，表3列出了3種不同加壓方式鉆進(jìn)效果。

3．2轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速是影響鉆進(jìn)效率的重要因素。研究轉(zhuǎn)速與機(jī)械鉆速和鉆頭磨損之間的關(guān)系，對(duì)正確選擇轉(zhuǎn)速具有重要意義。首先我們選擇在不同巖層條件下鉆速與轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)研究，如圖1。從圖1曲線可以看出，在泥巖、細(xì)砂巖、石英砂巖中鉆進(jìn)，鉆速和轉(zhuǎn)速的變化近似呈線性關(guān)系，其中，泥巖對(duì)轉(zhuǎn)速的增加最為敏感。當(dāng)然，隨著轉(zhuǎn)速的增加，鉆頭單位時(shí)間內(nèi)的磨損量有所增加，但是其單位時(shí)間內(nèi)的進(jìn)尺量亦隨轉(zhuǎn)速增加而增加，鉆頭磨損的增長低于破巖效率的提高，因而相對(duì)磨損量下降。雖然鉆進(jìn)效率隨轉(zhuǎn)速的增加而提高，但是生產(chǎn)中不能無限提高轉(zhuǎn)速，而應(yīng)結(jié)合鉆頭、設(shè)備、鉆具能力、鉆孔等因素來確定轉(zhuǎn)速。在生產(chǎn)施工中，參照鉆頭的推薦值，結(jié)合設(shè)備、鉆具情況，確定了比較合理的轉(zhuǎn)速(表4)。

3．3沖洗液量

沖洗液量是金剛石鉆進(jìn)的另一重要規(guī)程參數(shù)，它除了冷卻鉆頭，排除巖粉外，還具有調(diào)節(jié)金剛石胎體正常磨損，即適時(shí)暴露金剛石的作用，還有軟化巖石、保護(hù)孔壁、潤滑減振作用。金剛石鉆進(jìn)特點(diǎn)是巖粉細(xì)小，鉆具與孔壁、孔底的間隙都很小，沖洗液流經(jīng)狹窄的通道，阻力很大，般不需要大泵量。如泵量過大，不僅增加工作泵壓，而且會(huì)沖壞孔壁，沖蝕巖芯，而易造成巖芯堵塞事故，還會(huì)造成鉆壓的過量減少，甚至?xí)斐摄@具的振動(dòng)。當(dāng)然，泵量不足也會(huì)發(fā)生排粉不暢，增大阻力，增大金剛石耗量，嚴(yán)重不足時(shí)，則會(huì)發(fā)生燒鉆等嚴(yán)重事故。沖洗液排除巖粉和冷卻鉆頭的效率，取決于液流返流速度，所以，現(xiàn)在常以沖洗液的上返流速來計(jì)算金剛石鉆進(jìn)所需的泵量，即：Q=6VF式中：O為沖洗液量Umin；V為環(huán)空間隙上返流速(≥0．3～0．5wds)：F為鉆孔的環(huán)空面積(era2)。在實(shí)際操作中，隨鉆孔的不斷延深而降低轉(zhuǎn)速，取得較好效果(表4)。鉆壓和轉(zhuǎn)速這二個(gè)工藝參數(shù)，雖然各有其作用和特點(diǎn)，但在鉆進(jìn)過程中是相互配合和相互制約的，因此不能孤立研究選擇某一參數(shù)，必須綜合權(quán)衡，使鉆頭在最優(yōu)狀態(tài)下工作，方能充分發(fā)揮金剛石鉆進(jìn)的有效能力。

4效益

4．1直接效益

隨著該工藝技術(shù)研究、實(shí)踐完善及其推廣應(yīng)用，使地質(zhì)勘探鉆進(jìn)效率大幅提高，平均鉆機(jī)月效由380m提高至現(xiàn)在的580m，最高突破1000m，提高52．6％。全年開動(dòng)鉆機(jī)18臺(tái)，鉆探作業(yè)總臺(tái)時(shí)達(dá)146899，鉆月數(shù)達(dá)204．026個(gè)，按市場價(jià)格280～320元，m，單機(jī)每個(gè)鉆月可多創(chuàng)收60000元左右，公司可多刨產(chǎn)值1000多萬元，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。

4．2間接效益

工藝技術(shù)推廣應(yīng)用后，不僅提高了地質(zhì)勘探的鉆進(jìn)效率和經(jīng)濟(jì)效率；同時(shí)也因所施工的鉆孔質(zhì)量好、工期短，受到甲方的肯定與好評(píng)和同行的敬佩與效仿，穩(wěn)固并擴(kuò)大了在這一行業(yè)中的市場份額。

5結(jié)束語

不同建筑場地的工程地質(zhì)條件，不同的鉆探目的，決定了工程地質(zhì)鉆探方法和設(shè)備的選擇。目的明確，技術(shù)先進(jìn)，方法多樣，是工程地質(zhì)鉆探特有的技術(shù)特點(diǎn)，因此有必要對(duì)鉆探技術(shù)加深認(rèn)識(shí)，不斷地學(xué)習(xí)和創(chuàng)新。