地質工程鉆探方法綜述

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地質的鉆探施工，對于鉆探設備、鉆探工藝、鉆探規程和參數、人員操作方式等等都有不同于淺孔施工的要求。

1工程地質鉆探的特點及適用條件

在工程地質勘察中，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。與地質找礦鉆探相比，工程地質鉆探的特點是：

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

(2)鉆進深度一般不大，除了大型水利工程，深埋隧道以及為了解專門的地質問題(如控測深巖溶)外，孔深均為十余米至數十米，所以經常采用簡易鉆探法和輕便鉆機。

(3)鉆孔多具綜合性目的，1個鉆孔除了需查明地層巖性、地質結構和水文地質條件外，還要作各種試驗、取樣、長期觀測。有些試驗往往與鉆進同時進行，所以進尺較慢。

(4)工程地質鉆探在鉆進方法、鉆孔結構、鉆進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，鉆探工作有其獨特的優點，它可以在各種環境下進行，不受地形地質條件的限制。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，但在實踐中，金剛石鉆進技術經濟效果與管理密切相關，只有科學地選擇鉆頭，并合理地使用，才能提高鉆速，減少事故，增加純鉆進時間和延長鉆頭壽命。

2．1金剛石鉆頭選擇原則

金剛石鉆頭要求與巖石性質相適應，如選用得正確，便會得到好的效果；如選擇不當，不但鉆進效果不好，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，概括地說應遵循以下原則：

(1)硬的、堅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)硬度級別較低的、完整均質巖層應選用表鑲金剛石鉆頭。

(3)在中硬及中硬以下巖層鉆進，選用優質聚晶(PCD)和復合片(PDC)鉆頭為好。

2．2金剛石鉆頭選擇使用

依據上述原則，針對施工地區地層特點，確定鉆頭類型。沖擊層鉆進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均采用復合片鉆頭，7級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。同一類型的鉆頭又有不同的形狀，我們選擇了幾種孕鑲人造金剛石鉆頭和復合片取芯鉆頭及復合片無芯鉆頭進行了生產試驗。從表l可以看出，圓弧形孕鑲金剛石鉆頭各項工作指標都較高，故我們最終選擇了圓弧形人造孕鑲金剛石鉆頭鉆進較硬的石英砂巖和火成巖。使用金剛石代替硬質合金鉆進后，可大幅提高鉆速，減少輔助工作時間，鉆探效率提高30％以上。兩種鉆進方法的效果比較見表1。

3工藝參數

金剛石鉆進效率除了取決于正確選擇鉆頭外，還取決于鉆進工藝參數：鉆壓、鉆頭轉速和沖洗液量。影響鉆進工藝程參數的因素很多，主要有巖層的性質和特點、鉆頭的類型、所用設備和鉆具性能以及鉆孔的直徑和深度等。評定金剛石鉆進工藝是否合理，主要依據鉆速、鉆頭的總進尺和單位進尺金剛石的消耗量三個方面的指標來衡量。根據金剛石性質及破碎巖石的機理，金剛石鉆進必須采用以高轉速為主體的鉆進工藝，配合適當的鉆壓和足夠的沖洗液量。

3．1鉆壓

決定鉆壓既有鉆進所需的一面，又有所用的設備和鉆具可能施加其上的一面。實踐證明，鉆速在一定限度內隨著鉆壓的上升而增加，當加在鉆頭上的壓力大于所鉆巖石的壓人硬度時，巖石就由表面破碎轉到體積破碎，鉆速迅速增長，但當壓力接近或超過金剛石本身抗壓強度時，金剛石開始破損，導致鉆速下降。因此，鉆壓有一個最優值，這個最優值應該處于巖石抗壓強度和金剛石抗壓強度之問，以保證鉆頭很好的磨銳，維持比較穩定的鉆速。依據上述原則，結合鉆頭鉆壓推薦值，確定鉆進不同巖層的鉆壓值：7級以上較硬巖層10～15kN，5~6級砂巖、細砂巖、粉砂巖，鉆壓控制在8～llkN，泥巖鉆進鉆壓5～9kN，新地層鉆進鉆壓在4kN以下(見表2)。在實際鉆進中，我們根據不同地層條件和鉆頭情況，對鉆壓進行調整，以使孔底鉆頭獲得所需鉆壓。對完整巖石選用鉆壓上限，對破碎、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，金剛石鉆頭剛入孔底時，輕壓慢轉鉆進4～5min，等鉆頭與孔底密合以后，再以正常規程鉆進。這樣既提高了鉆進速度，又可降低鉆頭金剛石的消耗量，增加鉆頭的總進尺，特別是PDC鉆頭鉆進，鉆壓由小逐漸增大對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效果。

3．2轉速

轉速是影響鉆進效率的重要因素。研究轉速與機械鉆速和鉆頭磨損之間的關系，對正確選擇轉速具有重要意義。首先我們選擇在不同巖層條件下鉆速與轉速的變化規律進行試驗研究，如圖1。從圖1曲線可以看出，在泥巖、細砂巖、石英砂巖中鉆進，鉆速和轉速的變化近似呈線性關系，其中，泥巖對轉速的增加最為敏感。當然，隨著轉速的增加，鉆頭單位時間內的磨損量有所增加，但是其單位時間內的進尺量亦隨轉速增加而增加，鉆頭磨損的增長低于破巖效率的提高，因而相對磨損量下降。雖然鉆進效率隨轉速的增加而提高，但是生產中不能無限提高轉速，而應結合鉆頭、設備、鉆具能力、鉆孔等因素來確定轉速。在生產施工中，參照鉆頭的推薦值，結合設備、鉆具情況，確定了比較合理的轉速(表4)。

3．3沖洗液量

沖洗液量是金剛石鉆進的另一重要規程參數，它除了冷卻鉆頭，排除巖粉外，還具有調節金剛石胎體正常磨損，即適時暴露金剛石的作用，還有軟化巖石、保護孔壁、潤滑減振作用。金剛石鉆進特點是巖粉細小，鉆具與孔壁、孔底的間隙都很小，沖洗液流經狹窄的通道，阻力很大，般不需要大泵量。如泵量過大，不僅增加工作泵壓，而且會沖壞孔壁，沖蝕巖芯，而易造成巖芯堵塞事故，還會造成鉆壓的過量減少，甚至會造成鉆具的振動。當然，泵量不足也會發生排粉不暢，增大阻力，增大金剛石耗量，嚴重不足時，則會發生燒鉆等嚴重事故。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，現在常以沖洗液的上返流速來計算金剛石鉆進所需的泵量，即：Q=6VF式中：O為沖洗液量Umin；V為環空間隙上返流速(≥0．3～0．5wds)：F為鉆孔的環空面積(era2)。在實際操作中，隨鉆孔的不斷延深而降低轉速，取得較好效果(表4)。鉆壓和轉速這二個工藝參數，雖然各有其作用和特點，但在鉆進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，必須綜合權衡，使鉆頭在最優狀態下工作，方能充分發揮金剛石鉆進的有效能力。

4效益

4．1直接效益

隨著該工藝技術研究、實踐完善及其推廣應用，使地質勘探鉆進效率大幅提高，平均鉆機月效由380m提高至現在的580m，最高突破1000m，提高52．6％。全年開動鉆機18臺，鉆探作業總臺時達146899，鉆月數達204．026個，按市場價格280～320元，m，單機每個鉆月可多創收60000元左右，公司可多刨產值1000多萬元，經濟效益相當可觀。

4．2間接效益

工藝技術推廣應用后，不僅提高了地質勘探的鉆進效率和經濟效率；同時也因所施工的鉆孔質量好、工期短，受到甲方的肯定與好評和同行的敬佩與效仿，穩固并擴大了在這一行業中的市場份額。

5結束語

不同建筑場地的工程地質條件，不同的鉆探目的，決定了工程地質鉆探方法和設備的選擇。目的明確，技術先進，方法多樣，是工程地質鉆探特有的技術特點，因此有必要對鉆探技術加深認識，不斷地學習和創新。