APP下载

工程地质勘察装备的现状与发展

2014-12-25崔红梅孙希文

城市建设理论研究 2014年37期
关键词:钻机工程地质液压

崔红梅 孙希文

摘要:工程地质勘察的装备发展到今现在,已经形成了系列化,专业化。已发展成门类比较齐全,具有我国工程勘察专业特色,基本能满足工农业、国防科技建设的需要。与国外同行业装备相比,还有一定的差距。高精尖装备较少,存在着一定的技术差距。

关键词:取样钻探装备 复合钻进工艺岩土测试仪器设备

超硬研磨材料与钻进工艺

中图分类号: P2 文献标识码: A

一、工程地质勘查装备概况

我国工程地质勘察装备,是上个世纪六十年代从前苏联引进、并发展起来的。至今某些装备至今还在沿用。设备仪器技术水准相对比较落后,比较简陋。比较突出的特点是:取样勘查钻机的功能还比较单一,操作不方便,运输搬运困难,工人劳动强度较大。勘察原位测试仪器设备比较落后,技术性能和精度较低,结构需要优化、创新。与现代科学技术、尤其是计算机技术的开发应用,还需进一步发展研究。才能跟上时代发展的步伐,满足各行各业工程建设的需要。

二、取样钻探设备

工程勘察取样设备,尤其是工程地质取样钻机,发展到今天,系列化,专业化不强。几十年来,所用的钻探设备结构、性能,发展较慢,改进创新较少,跟不上工程建设的发展需要。工程地质取样钻机的功能还比较单一;操作不便;搬运困难;劳动强度大,配套装备有机组合性差。例如:我国现在使用的浅孔取样钻机主要与、有:SH10型系列取样钻机;SH30型系列取样钻机;SH50型系列取样钻机;(SH系列钻机的钻进工艺为冲击钻进工艺)。SB型系列立轴式手把给进取样钻机;XU型系列立轴式液压给进取样钻机;XY型系列立轴式液压给进取样钻机;DDP-100型至DDP-300型车载立轴式液压给进取样钻机系列等,(SB型系列,XU型系列,XY型系列和DDP型系列钻机的钻进工艺为回转钻进工艺)。它们共同的特点是钻进功能单一,不能满足各类地层(土砂层,岩石层)不同岩性的钻进技术要求和工程地质技术要求。

在工程地质勘察取样钻探工艺中,取样钻机所钻探的地层,几乎涵盖了地层表面的所有地层。第四系地层(Q4)主要有:粘土类地层;砂砾卵石类地层等。第三纪(Q3),白垩纪,侏罗纪的砂质、泥质类岩层;以及其他地质年代的风化、微风化岩层。第四系地层到第三纪(Q3),白垩纪,侏罗纪的砂质、泥质类岩层;风化软质岩类,一般可采用冲击钻进工艺。强风化--微风化岩层类地层,一般采用采用回转钻进工艺。在实际工程地质取样钻探中,特别是在丘陵、半山区、山区工程地质取样钻探,在同一个取样钻孔内,所钻的地层涵盖了从第四系到第三系以及其他地质年代的地层;软质岩、硬质岩都有,冲击钻进工艺和回转钻进工艺两者都得用。我国现有的取样钻机,冲击钻进工艺和回转钻进工艺是分开的。往往在实际地质取样钻探中,

还得配备两种型号的取样钻机。无论长途运输,还是钻探施工现场,都要准备多种运载工具。给取样钻探施工带来诸多不便。浪费人力物力,增大了钻探成本。在工程建设地质勘探中,钻探设备发展到今天,也存在钻探设备功能单一;不能适用各种地层。钻探设备和运载工具分离,运载钻探装备,费时费力,在台时利用率中,占有比例较高。

我国取样钻探设备,随着科学技术的发展,与国外同行业的差距在缩小。地质勘探钻机已向多功能、全液压、自动化、相关装备有机组合方向发展。针对地质勘探不同领域的需求,研制出适合不同领域的多功能、全液压、自动化系列地质勘探钻机。

(一)取样地质钻机结构改进

现有工程地质钻探设备,无论SH10型系列取样钻机;SH30型系列取样钻机;SH50型系列取样钻机;(SH系列钻机的钻进工艺为冲击钻进工艺)。SB型系列立轴式手把给进取样钻机;XU型系列立轴式液压给进取样钻机;XY型系列立轴式液压给进取样钻机;DDP-100型至DDP-300型车载立轴式液压给进取样钻机系列等,(SB型系列,XU型系列,XY型系列立轴式液压给进取样钻机为回转钻进工艺)。冲击钻进和回转钻进功能是分开的,是两种型号的钻机。如果把这两种钻进工艺的功能组合在一种型号钻机上,不但减少设备的投入,还可满足各类地层的需要。取样质量好,满足地质需要;提高钻探效率,降低钻探成本。如果将XY型系列立轴式液压给进取样钻机、DDP型系列车载立轴式液压给进取样钻机的回转钻进功能和SH型系列取样钻机的冲击钻进功能在钻机的结构上组合起来,即可冲击,又可回转。可成倍地提高在第四纪(Q4)地层钻进效率和取样质量。因第四纪地层(Q4)是比较复杂的。单一的冲击或者回转,往往钻探效果不理想。钻孔质量低;取样质量差;钻探效率低。成本高。在实际钻探取样中,经常出现孔内事故,同时具备冲击、回转功能,对处理孔内事故效果好;缩短处理事故时间。

例如2012年在黑龙江省牡丹江海林某大桥勘察项目中,地层为卵砾岩,粒径较大,地层上部全风化—强风化,采用了SH3--2型取样钻机;小时效率较低,进尺较慢。地层下部强风化—中风化,采用XY-1A型回转取样钻机,同样小时效率低,进尺慢,取样效果不好。根据这种状况,我们又采用了YD-1型大口径金刚石(Φ75mm)液动潜孔锤,把他安在取芯钻具(粗径钻具)上部,在回转钻进的基础上增加了冲击功能,小时效率明显提高,进尺较快。但是液动潜孔锤的液压元件经常出故障,质量不过关。给野外工程地质取样钻探维修维护带来了不便,难以推广使用。

根据几十年地质取样钻探生产实践,地质取样钻探设备发展到今天,迫切需要能对我国地质钻探取样设备和钻进工艺进行改进。打破单一功能,复合在一起,设计生产出多功能复合型地质取样钻机和复合钻进工艺。建议把SH系列钻机的冲击钻进功能和XY型系列立轴式液压给进取样钻机回转钻进功能有机的结合在一台取样钻机上,同时在取芯钻具上部装有高性能、质量可靠的YD系列液动潜孔锤,在液压给进回转钻进工艺上,给孔底钻头辅助增加一个冲击功能,组合成“冲击—回转”钻进工艺,能适合各类地层对钻探的技术要求。尤其是能成倍提高在卵砾石岩层和坚硬岩层的钻进效率。使之能提高小时效率,进尺快,取样效果好。可成倍地降低地质取样钻探成本。

(二)改进运输工具

往往在地质取样钻探勘察场地,一直采用其他运输设备进行运输搬迁;因地质勘察现场地形变化多样,钻探设备无法运进或运进困难,增加了外业钻探施工工期和成本。可以考虑将地质取样钻探设备设计装在小型履带机上;改成自走式。既解决了钻探施工场地的运输,又适应各种钻探施工环境场地;提高搬迁效率。在固体矿产地质勘探,(特别是中、深孔800米—2000米)已设计有履带式自行钻机。可以考虑将其设计装配地质取样钻机上(100米以内浅孔)。改进为自走式履带钻机。

(三)改进塔机一体的钻塔

在地质取样钻探中,给钻机配套使用的钻塔,是分体式的。使用、运输都不方便。浪费人力物力。建议设计改进成塔、机一体;增加液压起落;液压调平钻机钻塔。可节省辅助生产时间;减轻劳动强度。如果能将XY--1型系列钻机,设计改进为具有冲击、回转功能,塔、机一体;钻塔液压起落;钻机钻塔液压调平。履带式自走。将带来一场地质取样钻探设备的革新;实现钻机、钻塔、钻探施工现场运输工具一体化。极大地提高钻探效率,减少辅助时间,减轻劳动强度。

三、岩土测试仪器设备

我国现有的岩土测试仪器设备,从上世纪50—60年代引进前苏联的到现在我国自己研制生产,走过了几十年,并无较大的进步。以上海土壤仪器厂和国内其他厂家,生产的仪器设备功能比较单一,以机械式为主,例如室内土工试验的常用的WG型系列固结仪、ZJ型、TSZ型系列剪切仪、WE—100B型至1000B型系列、WA—100C型至WA—1000C型系列、TYA—300型至TYA—2000型万能试验压力机等。外业常用的动力触探试验;63.5KG标准贯入试验设备;WSY型、WJCL型等静力触探机、地震波速测试、载荷试验、现场剪切试验、旁压试验、扁铲侧胀试验、岩体原位测试、地基土动力参数测试等,在实际应用中存在着试验误差和计算操作不便。

计算机技术发展到今天,已深入到各个领域,将计算机技术引入并研发相关的计算软件和传感器,实现机电一体化,可提高试验精度,使试验结果减小误差,提高工作效率,减少劳动强度。外业的岩土测试仪器设备,应向组合便携化、试验现场操作使用简便化、轮式车载或履带车载运输便捷化、数据计算统计电算化方向发展。

四、超硬研磨材料与钻进工艺

超硬研磨材料发展到今天,依然以天然金刚石和人造金刚石作为研磨材料为主。因金刚石这种材料是地球上至今发现的最硬的矿物。在工程地质勘察取样钻探中,在卵砾岩到坚硬岩地层钻探中,往往大量使用人造金刚石孕镶钻头。在单一的回转钻进工艺中,靠静压回转磨削岩石,小时效率和台月效率至今都比较低,成本居高,经济效益较低。人造孕镶金刚石钻头的发明,改变了钻探工艺。经过几十年的发展,已经系列化,标准化。但在卵砾岩到坚硬岩地层,小时效率不高,这是至今困扰着钻探人的一个难题。今后还有许多难题需要研究改进。例如:人造金刚石的目数、浓度、胎体的材料及硬度、唇部形状及烧结镶嵌的方式。根据岩石种类的研磨性、硬度、破碎程度,对人造金刚石钻头的这些参数细分,使之适应各类岩层。这样,可有效地提高小时效率和台月效率,降低取样钻探的成本。

在上个世纪七十年代开始,国内外开始研究冲击钻进和回转钻进的组合。根据水锤原理,发明了液动冲击器。(即现在的液动潜孔锤)在回转钻进基础上增加一个冲击功,由单一的静压回转,改为复合式静压冲击回转。使碎岩机理发生改变,由磨削碎岩改为体积破碎碎岩。小时效率和台月效率成倍的增加。有效地降低了成本。

液动潜孔锤发展到今天,在工程地质和固体矿产地质找矿取芯钻探中还没有大量推广使用。其原因是:液动潜孔锤的结构有待改进,零部件的材质和加工工艺有待提高。在实际应用中,零部件易损坏,经常失灵。例如;在黑龙江省某大理岩矿区取样钻探中,我们采用了YZ—1型液动冲击器,经常出现零部件损坏和失灵状态,性能不稳定。

钻探工人不愿使用。但是,它改变了传统的单一静压回转钻进工艺,是钻进工艺向冲击-静压回转复合钻进工艺的转变。小时效率和台月效率成倍的增加,在未来的工程地质取样钻探和固体矿产地质找矿取芯钻探中,具有广阔的发展前景。

五、结论与建议

1、地质勘探取样钻机已向多功能、全液压、自动化、相关装备有机组合方向发展。针对地质勘探不同领域的需求,研制出适合不同领域不同钻进深度的多功能(冲击-回转复合)、全液压、行走自动化、操作电脑化系列地质勘探钻机。

2、岩土仪器设备,研发相关的计算软件和传感器,实现机电一体化,可提高试验精度,使试验结果减小误差,提高工作效率,减少劳动强度。外业的岩土测试仪器设备,应向组合便携化、试验现场操作使用简便化、轮式车载或履带车载运输便捷化、数据计算统计电算化方向发展。

3、继续研发小时效率高,钻头使用寿命长的冲击-回转、适应各类地层的人造金刚石钻头。人造金刚石的目数、浓度、胎体的材料及硬度、唇部形状及烧结镶嵌的方式。根据岩石种类的研磨性、硬度、破碎程度,对人造金刚石钻头的这些参数细分,使之适应各类岩层。这样,可有效地提高小时效率和台月效率,降低取样钻探的成本。

4、改进提高液动潜孔锤的性能、结构,使之耐使用,不易损坏,长寿命,操作比较简便方向发展。是钻进工艺向冲击-静压回转复合钻进工艺的转变。小时效率和台月效率成倍的增加,在未来的工程地质取样钻探和固体矿产地质找矿取芯钻探中,具有广阔的发展前景。

5、在未来工程地质取样钻探中,多功能(冲击-回转两用)取样钻机,冲击-回转钻进工艺(即在粗径钻具上部装有液动潜孔锤),适应各类岩层的(适合冲击-回转)人造孕镶金刚石“冲击-回转”钻头(人造金刚石的目数、浓度、胎体的材料及硬度、唇部形状及烧结镶嵌的方式。根据岩石种类的研磨性、硬度、破碎程度),改变碎岩机理,是取样钻探的有效组合。

参考文献:

[1]张金昌地质岩心钻探技术及其在资源勘探中的应用探矿工程2009.(8)

[2]王友年等绳索取芯钻探技术新发展------三合一组合钻具探矿工程2007.(9)

[3]苏长寿等系列高效液动锤的研究与应用探矿工程2010.(3)

作者简历

崔红梅女1972年出生工程师1997年07月毕业于哈尔滨理工大学

1994年09月--- 1997年07月, 在哈尔滨理工大学机械专业学习。

1997年08月至今,在中国建筑材料工业地质勘查中心黑龙江总队工作。

历任技术员,工程师。

猜你喜欢

钻机工程地质液压
液压系统常见污染及控制措施的探讨
矿业工程地质及水文地质教学模式构建与实践
自制液压储气式氢氧燃料电池
ZJ40L钻机并车箱升级改造设计
231米!“海牛Ⅱ号”钻出世界深度
液压挖掘机改装抓木器的技术研究
浅谈如何做好工程勘察档案的管理
基于风载、地震载荷下的钻机底盘有限元分析
探讨新时期如何做好工程地质勘察档案管理工作
ZYJ-7液压转辙机常见故障分析与处理