工程地質勘察裝備的現狀與發展

崔紅梅 孫希文

摘要：工程地質勘察的裝備發展到今現在，已經形成了系列化，專業化。已發展成門類比較齊全，具有我國工程勘察專業特色，基本能滿足工農業、國防科技建設的需要。與國外同行業裝備相比，還有一定的差距。高精尖裝備較少，存在著一定的技術差距。

關鍵詞：取樣鉆探裝備 復合鉆進工藝巖土測試儀器設備

超硬研磨材料與鉆進工藝

中圖分類號： P2 文獻標識碼： A

一、工程地質勘查裝備概況

我國工程地質勘察裝備，是上個世紀六十年代從前蘇聯引進、并發展起來的。至今某些裝備至今還在沿用。設備儀器技術水準相對比較落后，比較簡陋。比較突出的特點是：取樣勘查鉆機的功能還比較單一，操作不方便，運輸搬運困難，工人勞動強度較大?？辈煸粶y試儀器設備比較落后，技術性能和精度較低，結構需要優化、創新。與現代科學技術、尤其是計算機技術的開發應用，還需進一步發展研究。才能跟上時代發展的步伐，滿足各行各業工程建設的需要。

二、取樣鉆探設備

工程勘察取樣設備，尤其是工程地質取樣鉆機，發展到今天，系列化，專業化不強。幾十年來，所用的鉆探設備結構、性能，發展較慢，改進創新較少，跟不上工程建設的發展需要。工程地質取樣鉆機的功能還比較單一；操作不便；搬運困難；勞動強度大，配套裝備有機組合性差。例如：我國現在使用的淺孔取樣鉆機主要與、有：SH10型系列取樣鉆機；SH30型系列取樣鉆機；SH50型系列取樣鉆機；（SH系列鉆機的鉆進工藝為沖擊鉆進工藝）。SB型系列立軸式手把給進取樣鉆機；XU型系列立軸式液壓給進取樣鉆機；XY型系列立軸式液壓給進取樣鉆機；DDP-100型至DDP-300型車載立軸式液壓給進取樣鉆機系列等，（SB型系列，XU型系列，XY型系列和DDP型系列鉆機的鉆進工藝為回轉鉆進工藝）。它們共同的特點是鉆進功能單一，不能滿足各類地層（土砂層，巖石層）不同巖性的鉆進技術要求和工程地質技術要求。

在工程地質勘察取樣鉆探工藝中，取樣鉆機所鉆探的地層，幾乎涵蓋了地層表面的所有地層。第四系地層（Q4）主要有：粘土類地層；砂礫卵石類地層等。第三紀（Q3），白堊紀，侏羅紀的砂質、泥質類巖層；以及其他地質年代的風化、微風化巖層。第四系地層到第三紀（Q3），白堊紀，侏羅紀的砂質、泥質類巖層；風化軟質巖類，一般可采用沖擊鉆進工藝。強風化--微風化巖層類地層，一般采用采用回轉鉆進工藝。在實際工程地質取樣鉆探中，特別是在丘陵、半山區、山區工程地質取樣鉆探，在同一個取樣鉆孔內，所鉆的地層涵蓋了從第四系到第三系以及其他地質年代的地層；軟質巖、硬質巖都有，沖擊鉆進工藝和回轉鉆進工藝兩者都得用。我國現有的取樣鉆機，沖擊鉆進工藝和回轉鉆進工藝是分開的。往往在實際地質取樣鉆探中，

還得配備兩種型號的取樣鉆機。無論長途運輸，還是鉆探施工現場，都要準備多種運載工具。給取樣鉆探施工帶來諸多不便。浪費人力物力，增大了鉆探成本。在工程建設地質勘探中，鉆探設備發展到今天，也存在鉆探設備功能單一；不能適用各種地層。鉆探設備和運載工具分離，運載鉆探裝備，費時費力，在臺時利用率中，占有比例較高。

我國取樣鉆探設備，隨著科學技術的發展，與國外同行業的差距在縮小。地質勘探鉆機已向多功能、全液壓、自動化、相關裝備有機組合方向發展。針對地質勘探不同領域的需求，研制出適合不同領域的多功能、全液壓、自動化系列地質勘探鉆機。

（一）取樣地質鉆機結構改進

現有工程地質鉆探設備，無論SH10型系列取樣鉆機；SH30型系列取樣鉆機；SH50型系列取樣鉆機；（SH系列鉆機的鉆進工藝為沖擊鉆進工藝）。SB型系列立軸式手把給進取樣鉆機；XU型系列立軸式液壓給進取樣鉆機；XY型系列立軸式液壓給進取樣鉆機；DDP-100型至DDP-300型車載立軸式液壓給進取樣鉆機系列等，（SB型系列，XU型系列，XY型系列立軸式液壓給進取樣鉆機為回轉鉆進工藝）。沖擊鉆進和回轉鉆進功能是分開的，是兩種型號的鉆機。如果把這兩種鉆進工藝的功能組合在一種型號鉆機上，不但減少設備的投入，還可滿足各類地層的需要。取樣質量好，滿足地質需要；提高鉆探效率，降低鉆探成本。如果將XY型系列立軸式液壓給進取樣鉆機、DDP型系列車載立軸式液壓給進取樣鉆機的回轉鉆進功能和SH型系列取樣鉆機的沖擊鉆進功能在鉆機的結構上組合起來，即可沖擊，又可回轉?？沙杀兜靥岣咴诘谒募o（Q4）地層鉆進效率和取樣質量。因第四紀地層（Q4）是比較復雜的。單一的沖擊或者回轉，往往鉆探效果不理想。鉆孔質量低；取樣質量差；鉆探效率低。成本高。在實際鉆探取樣中，經常出現孔內事故，同時具備沖擊、回轉功能，對處理孔內事故效果好；縮短處理事故時間。

例如2012年在黑龍江省牡丹江海林某大橋勘察項目中，地層為卵礫巖，粒徑較大，地層上部全風化—強風化，采用了SH3--2型取樣鉆機；小時效率較低，進尺較慢。地層下部強風化—中風化，采用XY-1A型回轉取樣鉆機，同樣小時效率低，進尺慢，取樣效果不好。根據這種狀況，我們又采用了YD-1型大口徑金剛石（Φ75mm）液動潛孔錘，把他安在取芯鉆具（粗徑鉆具）上部，在回轉鉆進的基礎上增加了沖擊功能，小時效率明顯提高，進尺較快。但是液動潛孔錘的液壓元件經常出故障，質量不過關。給野外工程地質取樣鉆探維修維護帶來了不便，難以推廣使用。

根據幾十年地質取樣鉆探生產實踐，地質取樣鉆探設備發展到今天，迫切需要能對我國地質鉆探取樣設備和鉆進工藝進行改進。打破單一功能，復合在一起，設計生產出多功能復合型地質取樣鉆機和復合鉆進工藝。建議把SH系列鉆機的沖擊鉆進功能和XY型系列立軸式液壓給進取樣鉆機回轉鉆進功能有機的結合在一臺取樣鉆機上，同時在取芯鉆具上部裝有高性能、質量可靠的YD系列液動潛孔錘，在液壓給進回轉鉆進工藝上，給孔底鉆頭輔助增加一個沖擊功能，組合成“沖擊—回轉”鉆進工藝，能適合各類地層對鉆探的技術要求。尤其是能成倍提高在卵礫石巖層和堅硬巖層的鉆進效率。使之能提高小時效率，進尺快，取樣效果好?？沙杀兜亟档偷刭|取樣鉆探成本。

（二）改進運輸工具

往往在地質取樣鉆探勘察場地，一直采用其他運輸設備進行運輸搬遷；因地質勘察現場地形變化多樣，鉆探設備無法運進或運進困難，增加了外業鉆探施工工期和成本?？梢钥紤]將地質取樣鉆探設備設計裝在小型履帶機上；改成自走式。既解決了鉆探施工場地的運輸，又適應各種鉆探施工環境場地；提高搬遷效率。在固體礦產地質勘探，（特別是中、深孔800米—2000米）已設計有履帶式自行鉆機?？梢钥紤]將其設計裝配地質取樣鉆機上（100米以內淺孔）。改進為自走式履帶鉆機。

（三）改進塔機一體的鉆塔

在地質取樣鉆探中，給鉆機配套使用的鉆塔，是分體式的。使用、運輸都不方便。浪費人力物力。建議設計改進成塔、機一體；增加液壓起落；液壓調平鉆機鉆塔?？晒澥≥o助生產時間；減輕勞動強度。如果能將XY--1型系列鉆機，設計改進為具有沖擊、回轉功能，塔、機一體；鉆塔液壓起落；鉆機鉆塔液壓調平。履帶式自走。將帶來一場地質取樣鉆探設備的革新；實現鉆機、鉆塔、鉆探施工現場運輸工具一體化。極大地提高鉆探效率，減少輔助時間，減輕勞動強度。

三、巖土測試儀器設備

我國現有的巖土測試儀器設備，從上世紀50—60年代引進前蘇聯的到現在我國自己研制生產，走過了幾十年，并無較大的進步。以上海土壤儀器廠和國內其他廠家，生產的儀器設備功能比較單一，以機械式為主，例如室內土工試驗的常用的WG型系列固結儀、ZJ型、TSZ型系列剪切儀、WE—100B型至1000B型系列、WA—100C型至WA—1000C型系列、TYA—300型至TYA—2000型萬能試驗壓力機等。外業常用的動力觸探試驗；63.5KG標準貫入試驗設備；WSY型、WJCL型等靜力觸探機、地震波速測試、載荷試驗、現場剪切試驗、旁壓試驗、扁鏟側脹試驗、巖體原位測試、地基土動力參數測試等，在實際應用中存在著試驗誤差和計算操作不便。

計算機技術發展到今天，已深入到各個領域，將計算機技術引入并研發相關的計算軟件和傳感器，實現機電一體化，可提高試驗精度，使試驗結果減小誤差，提高工作效率，減少勞動強度。外業的巖土測試儀器設備，應向組合便攜化、試驗現場操作使用簡便化、輪式車載或履帶車載運輸便捷化、數據計算統計電算化方向發展。

四、超硬研磨材料與鉆進工藝

超硬研磨材料發展到今天，依然以天然金剛石和人造金剛石作為研磨材料為主。因金剛石這種材料是地球上至今發現的最硬的礦物。在工程地質勘察取樣鉆探中，在卵礫巖到堅硬巖地層鉆探中，往往大量使用人造金剛石孕鑲鉆頭。在單一的回轉鉆進工藝中，靠靜壓回轉磨削巖石，小時效率和臺月效率至今都比較低，成本居高，經濟效益較低。人造孕鑲金剛石鉆頭的發明，改變了鉆探工藝。經過幾十年的發展，已經系列化，標準化。但在卵礫巖到堅硬巖地層，小時效率不高，這是至今困擾著鉆探人的一個難題。今后還有許多難題需要研究改進。例如：人造金剛石的目數、濃度、胎體的材料及硬度、唇部形狀及燒結鑲嵌的方式。根據巖石種類的研磨性、硬度、破碎程度，對人造金剛石鉆頭的這些參數細分，使之適應各類巖層。這樣，可有效地提高小時效率和臺月效率，降低取樣鉆探的成本。

在上個世紀七十年代開始，國內外開始研究沖擊鉆進和回轉鉆進的組合。根據水錘原理，發明了液動沖擊器。（即現在的液動潛孔錘）在回轉鉆進基礎上增加一個沖擊功，由單一的靜壓回轉，改為復合式靜壓沖擊回轉。使碎巖機理發生改變，由磨削碎巖改為體積破碎碎巖。小時效率和臺月效率成倍的增加。有效地降低了成本。

液動潛孔錘發展到今天，在工程地質和固體礦產地質找礦取芯鉆探中還沒有大量推廣使用。其原因是：液動潛孔錘的結構有待改進，零部件的材質和加工工藝有待提高。在實際應用中，零部件易損壞，經常失靈。例如;在黑龍江省某大理巖礦區取樣鉆探中，我們采用了YZ—1型液動沖擊器，經常出現零部件損壞和失靈狀態，性能不穩定。

鉆探工人不愿使用。但是，它改變了傳統的單一靜壓回轉鉆進工藝，是鉆進工藝向沖擊-靜壓回轉復合鉆進工藝的轉變。小時效率和臺月效率成倍的增加，在未來的工程地質取樣鉆探和固體礦產地質找礦取芯鉆探中，具有廣闊的發展前景。

五、結論與建議

1、地質勘探取樣鉆機已向多功能、全液壓、自動化、相關裝備有機組合方向發展。針對地質勘探不同領域的需求，研制出適合不同領域不同鉆進深度的多功能（沖擊-回轉復合）、全液壓、行走自動化、操作電腦化系列地質勘探鉆機。

2、巖土儀器設備，研發相關的計算軟件和傳感器，實現機電一體化，可提高試驗精度，使試驗結果減小誤差，提高工作效率，減少勞動強度。外業的巖土測試儀器設備，應向組合便攜化、試驗現場操作使用簡便化、輪式車載或履帶車載運輸便捷化、數據計算統計電算化方向發展。

3、繼續研發小時效率高，鉆頭使用壽命長的沖擊-回轉、適應各類地層的人造金剛石鉆頭。人造金剛石的目數、濃度、胎體的材料及硬度、唇部形狀及燒結鑲嵌的方式。根據巖石種類的研磨性、硬度、破碎程度，對人造金剛石鉆頭的這些參數細分，使之適應各類巖層。這樣，可有效地提高小時效率和臺月效率，降低取樣鉆探的成本。

4、改進提高液動潛孔錘的性能、結構，使之耐使用，不易損壞，長壽命，操作比較簡便方向發展。是鉆進工藝向沖擊-靜壓回轉復合鉆進工藝的轉變。小時效率和臺月效率成倍的增加，在未來的工程地質取樣鉆探和固體礦產地質找礦取芯鉆探中，具有廣闊的發展前景。

5、在未來工程地質取樣鉆探中，多功能（沖擊-回轉兩用）取樣鉆機，沖擊-回轉鉆進工藝（即在粗徑鉆具上部裝有液動潛孔錘），適應各類巖層的（適合沖擊-回轉）人造孕鑲金剛石“沖擊-回轉”鉆頭（人造金剛石的目數、濃度、胎體的材料及硬度、唇部形狀及燒結鑲嵌的方式。根據巖石種類的研磨性、硬度、破碎程度），改變碎巖機理，是取樣鉆探的有效組合。

參考文獻：

[1]張金昌地質巖心鉆探技術及其在資源勘探中的應用探礦工程2009.（8）

[2]王友年等繩索取芯鉆探技術新發展------三合一組合鉆具探礦工程2007.（9）

[3]蘇長壽等系列高效液動錘的研究與應用探礦工程2010.（3）

作者簡歷

崔紅梅女1972年出生工程師1997年07月畢業于哈爾濱理工大學

1994年09月--- 1997年07月， 在哈爾濱理工大學機械專業學習。

1997年08月至今，在中國建筑材料工業地質勘查中心黑龍江總隊工作。

歷任技術員，工程師。