便攜式全液壓鉆機在地質勘查中的應用

繆 賽

（江西有色地質勘查二隊，江西 贛州 341000）

便攜全液壓鉆機突出的設計理念是輕便、可靠，幾乎支持任何地質探查環境下的作業，能進入地形陡峭地區以及完成零散的勘察任務，借助其迅速鉆探以及資源整合，改善鉆探裝備。

1 便攜式全液壓鉆機

1.1 突出特點

此種便攜式的鉆機特點在在于：

一是，輕便靈活，其結構材料選擇航空鋁材，自重相對偏低，最重部分通常僅需四人左右，輕松搬運移動。配備桅桿式鉆架，不必另設鉆塔，支持在45°～90°之間，隨意調整。二是，移位及進尺速度快，對勘察環境的要求不高，僅需具備約為1m的通道，作業場地面積標準也只用4.5m見方即可，不會用到過多的占地空間，有效控制基礎項目環節的成本支出。再加上，配有液壓接頭進行連接，方便拆裝及搬運，而且從終孔至再次作業的時間間隔只需維一日。另外，進尺速度及臺月均優于傳統立軸結構的鉆機，有效避免超出工期，壓縮人力費用。三是，適用性及可靠性高，鉆機構成部件通常來自國外成熟技術，運至國內進行組裝，有較高的應用穩定性。同時，鉆進效率優，不易發生事故，擁有高集成的液壓系統，進一步保障整體作業的效果。四是，壓縮成本，此鉆機為模塊化形式，可實現降本增效。五是，技術含量高，有顯著的采取率。其配備高強度及精度的薄壁鉆桿與鉆具，即使遇到破碎、風化等地層，都能呈現較優的采取效果。在鉆進中，沖洗液能多次使用，并可保障液體帶出巖屑及保護孔壁的效果[1]。

1.2 性能參數

便攜式的此類鉆機，主要包括液壓操作臺及動力頭、泥漿泵等部件。以XD800型的鉆機為例，其鉆孔的口徑有BTW、NTW以及HQ三類，孔深分別為800m、600m以及400m，支持的傾角范圍在45°～90°之間。其動力機需配備三臺，功率是33kW，轉速能達到3000rpm。動力頭的結構框架是馬達直驅型，最快轉速能達到每分鐘1380轉，最大扭矩是1528N.m。另外，此鉆機的給進系統，能產生的最強給進力是50kN，其拔力能達到100kN，給進行程是1850m。同時，還帶有繩索卷揚機，首層單繩的拉力值是5.6kN，容繩量有850m，繩速是每分鐘120m～200m。鉆機連接的泥漿泵，每分鐘可運送140升泥漿，泵壓能達到12MPa。規格質量是長寬均是4.5m，鉆機整體的質量為1800公斤。

圖1 XD800型90度工況示意圖

2 便攜式全液壓鉆機應用過程

2.1 搭建機臺

按照具體項目的現場條件，設置機臺。如果覆蓋層偏厚，應當先平整土地，以保證機臺結構穩定。此外，機臺占地為4.5m長的正方形，在確保勘查過程順利開展的基礎上，有效控制場地的應用量[2]。

2.2 錨固處理

在項目作業現場，需著重把控鉆孔傾斜角度，為確保鉆機能擁有穩定作業的條件，可設置地錨孔，連接鐵鏈，把鉆機和臺體穩定連接起來。在設置此種孔洞時，要保證其深度接近甚至到達基巖，而且此孔洞需和鉆探孔相互獨立，二者相鄰孔壁間距至少要達到150mm。比如選擇BTW口徑的鉆具，在鉆進到設定深度時，需更換地錨頭。而為使燒結錨頭期間，不干擾水龍頭原本的密封效果，需摘掉下鉆到孔底，進行無泥漿的重復燒結，之后利用鐵鏈固定于枕木上。

圖2 獨立密封圈式的水龍頭結構圖

2.3 鉆進作業

在實際地質勘查期間，需基于工地現場情況，根據地層情況，將鉆進劃分出多個階段。在遇到冰層等特殊地質條件時，考慮到塌孔的問題，進尺效率會偏低。對此，可選擇NTW口徑規格的鉆具，以保障鉆進速度。

2.4 投放取心

以XD800型鉆機為例，可選擇繩索取心，獲取巖心。配備的動力頭是可翻轉結構，以便打撈工具的高效下放。比如，應用3m規格的巖心管，支持鉆進2根鉆桿，利于壓縮打撈巖心作業的時長，提高鉆探的效率。全孔段采取巖心的過程，基本上能滿足現有工程標準，而且由于支出配備排繩機構，能有效避免咬繩、壓繩等現象的出現。

2.5 快速起下鉆

XD800型的此種鉆機，能借助油缸，直接推動力頭，和底部夾持部件相互配合，能快速擰拆及加接1.5m規格的鉆桿。單就擰卸操作過程來說，動力頭上行到設定點位后，使用夾持器固定鉆桿。在動力頭反轉的過程中，卸掉絲扣，而后將動力頭下行到孔口的位置。和以往立軸式的鉆機相較，便攜式在擰卸操作上，更為簡便，支持高效加減鉆桿，省去諸多作業時間，減輕人工強度。

2.6 復雜地層

在鉆探期間，要保證孔壁結構穩定。如果地層條件較為復雜，可在鉆孔中，不間斷進行掃孔，并適當調整泥漿的配備，強化對纖維素等原料的管控。而且在保障孔壁穩定的過程中，把巖石粉末沖到地面，有序經過若干縮徑段。

3 便攜式全液壓鉆機應用效果分析

在面對類似的鉆探任務，便攜式與立軸式的鉆機有明顯差異，前者應用效果更佳顯著。前者臺月效率以及平均時效，能達到后者1.5倍～2倍左右。現實應用中，如果工期是49日，應用前者時，鉆進作業的時長可能在20日左右，并耗費10日左右完成搬運及組裝，其余時間則用于等待布置。但倘若選用后者，鉆進作業時長就能接近30日，其余工期則全部耗費在搬運及安設任務上。由此來說，便攜式的此類鉆機，鉆進時效及輔助時間安排，都優于立軸式的鉆機。在日后勘查中，縮短停待的時長，能進一步提升作業效率。并在一般項目條件下，此類鉆機能一個月完成800m的任務。

3.1 成本效益

XD800型的鉆機，市場購置價格在120萬左右，而國產立軸式的鉆機，在保證同等性能的前提下，價格僅有50萬左右。應用成本上，便攜式與立軸式對比，前者年折舊額接近后者的3倍左右，而且此項成本支出為固定不變的。在使用年限增加中，其單位折舊費會有所減少。鉆具消耗方面，如果應用壽命是8000m，再加上鉆頭與擴孔器的應用，鉆具的單位成本接近每米24元。而立軸式的鉆機，如果應用壽命同樣是8000m，結合其他部件的消耗，鉆具單位成本不足每米17元。另外，燃油使用上，便攜式鉆機配備三臺33kW規格的發動機，立軸式鉆機則連接100kW規格的發電機組。結合二者鉆進情況，前者進尺每米需耗用8公斤左右的燃油，后者則為每米6公斤。而出現此種情況的原因一般為液壓傳動及消耗功率上的問題。

兩種鉆機在收益上的比較，假設年任務量足夠，施工時間為九個月，鉆探費用按照每米450元計算，燃油是每公斤8.5元。通過對比，綜合成本及收益，便攜式鉆機的毛利潤更高，其經濟效益較佳。選擇應用便攜式機鉆機，前期投入的機械購進成本品高，但其鉆進效率遠超過立軸式鉆機，因而便攜式鉆機能在短期能回收成本。

3.2 應用優點

由于其支持傾角區間是45°～90°，所以能用小傾角的勘探項目中。加之配備薄壁的鉆具及鉆桿等，切削截面相對偏小，利于提升進尺效率，由于常規繩索取心的鉆機結構。和立軸式鉆機比較，因為給進行程較長，使出現巖心斷裂及堵塞情況的幾率較低，尤其在應對破碎地層時，能迅速通過。此外，該種便攜式鉆機，僅安設支架，不用進行上塔作業，能避免高空操作的安全問題。技術員所使用的操作系統，設置成儀表形式，便于操作。另外，鉆機為模塊化結構，柴油機是其中最重的部分，但也僅有180公斤，無運輸及安設難度，確實省去搬運及組裝的時間，特別在交通條件不佳的地區。如果勘查任務在山區及林地等，不用建設臨時通道，避免損害過多植被，維護原有生態，由此也減少在臨時用地上的資金投入費用。

3.3 臺月效率

在實地勘查中，需把鉆孔根據深度進行分類，經過比較分析，便攜式鉆機在裝配NTW口徑的工具時，最佳鉆孔效率通常在150m～175m之間，并且終孔深度大于250m時，會出現大幅降低，而且臺月效率同樣出現明顯降低。造成效率低下的原因，通常是：孔深大于200m后，鉆桿重量及孔中阻力均會提高，轉速下降，由此造成小時效率的變化；在孔深不斷加大中，輔助時間會延長，造成臺月效率下降。

3.4 應用缺點

和立軸式鉆機相比，因為其是由液壓驅動，除此之外沒有其他的輔助，導致實際抗拔與應對孔中事故的水平不高。另外，正常鉆進條件中，沖洗液無法重復應用，提高作業成本，而且不適用距離水源較遠與缺水的工作環境。在處理復雜地層中，為確保沖洗液的應用效果，往往會配備清水循環體系，控制液壓油的溫度。并且由于液壓手把的反應極為靈敏，如果出現頻繁操作的情況，可能出現誤操作的問題。同時，和常規立軸式鉆機對比，便攜式的配件市價更高，使得勘查成本增多[3,4]。

4 結語

根據便攜式鉆的應用情況，筆者得出幾點結論。首先，此類鉆機擁有高效、易運輸、高適應度等特點，可用于鉆孔不深、移動頻繁及交通不便的項目中。其次，鉆孔作業延伸到坑槽及探槽上，能在控制對生態損害的同時，也滿足地質勘查需要。再次，以環保與擴展施工的角度來說，應當配備電動機，擴大鉆探范圍，提升鉆機對作業環境的適應性。最后，應優化泥漿泵，支持固相泥漿使用，促使沖洗液重復應用。