便攜式全液壓鉆機在礦產勘查中的應用探討

［關鍵詞］便攜式；全液壓鉆機；礦產勘查；生態理念；巖心鉆探

在貫徹落實生態發展理念的背景下，傳統地質礦產勘查設備由于攜帶不方便，且耗能較多，污染嚴重，故逐漸不再使用。在此背景下，科研機構在傳統液壓鉆機的基礎上進行了創新，研發出了便攜式全液壓鉆機，相較于傳統鉆機，新型鉆機結構簡單，運輸方便，操作便捷，可靠性強，且具有良好的應用效果。因此，對此項課題進行研究，具有十分重要的意義。

1. 便攜式全液壓鉆機在礦產勘查中實際應用調研

1.1 鉆機在不同地區中的應用試驗

分別將鉆機應用到山西太原地區的西山礦區和東山礦區進行地質結構勘查。對兩者之間的應用方法、技術參數以及應用效果進行分析，具體應用區域如下：

西山礦區：位于我國山西省太原市西山地區，為低中山地區，山區坡面陡峻。礦產資源中包括白家莊礦、西銘礦等多個地區，地質結構中包括桐坑巖體、馬頭巖體等，設計應用便攜式全液壓鉆機進行鉆孔勘查，將應用過程記錄在案[1]。

東山礦區：該礦區同樣位于我國山西省太原市，礦區具有豐富的煤炭類資源，金屬礦資源也十分豐富。地質結構中巖層結構比較脆弱，包括砂質巖、大理巖等內容。地質巖石結構較為復雜。勘查人員設計應用便攜式全液壓鉆機進行地質結構勘查，將應用過程記錄在案。

1.2 鉆機在不同地區應用方法分析

考慮到鉆機應用受操作人員影響，選擇相同的操作方法進行應用。鉆機應用采用金剛石繩索進行取芯以及開孔。施工期間達到完整基巖之后無須應用鉆桿設備進行起出，孔位擴展使用套管靴和鉆桿，在兩者相互作用下最終下降孔位擴展至完整基巖區域。在此過程中，鉆桿的主要作用是充當著套管的作用。在孔位拓展期間，如因應力條件導致孔位下層區域出現掉塊以及坍塌等問題，采用鉆桿續接的方法繼續拓展孔位，使其達到完整地層。當指標達到要求之后，應用鉆具進行鉆孔，達到終孔區域停止鉆進，鉆孔結構設計要求使用兩級結構作業，參數設計分別為90 mm、75 mm。

鉆進施工對技術參數以及技術指標進行明確，應用便攜式全液壓鉆機設備進行鉆進。鉆進過程中沒有配置相應的鉆壓調節裝置，操作臺控制僅包括增壓鉆進、減壓鉆進以及浮動鉆進三大功能，操作人員需要通過鉆速控制實現對鉆壓的調節。鉆進采用無級變速調節模式，根據實際需求實現對泵量的科學調節，減少鉆進過程中投入使用清洗液的頻率，避免沖洗液沖刷對孔位壁產生影響。鉆進轉速控制系統采取控制柴油機鉆速的方式實現對鉆機鉆速的控制，實時調整鉆進速度。

基于上述技術參數實現對不同深度地質結構的勘查，但在應用過程中發現，便攜式液壓全鉆機的應用對水泵控制精度的要求比較高，沖洗液經過水泵進行輸入存在一定的難度，對沖洗液的選取是鉆進技術應用中需要重點考慮的內容。案例中應用低固相沖洗液，投入使用后直接經由孔內進行排出，無法對其進行反復利用。

1.3 鉆進效率對比

西山礦區：自2020年3月至2020年5月，在西山礦區施工鉆孔達到6個，鉆探量達到1000 m以上，每臺每月的鉆探量達到900多米，每小時可以鉆進2.7 m左右。

東山礦區：自2020年3月至2020年12月，在東山礦區進行鉆探勘查，共計完成鉆孔11個，鉆探深度達到2800 m，每臺每月共計鉆探量達到990 m左右，每小時鉆探量達到2.3 m左右。

對比兩個礦區鉆機的鉆進效率，具體內容如表1所示。

1.4 鉆機應用效率影響因素分析

1.4.1地質強度

對比西山礦區與東山礦區之間全液壓鉆機應用效率，西山礦區孔位鉆進效率遠比東山礦區孔位鉆進效率低。分析影響效率的具體原因，受地質環境因素影響較大，西山礦區地質結構強度更強，而東山礦區的地質結構強度更弱。因此，西山礦區應用鉆機效率比東山礦區應用效率較高。

1.4.2鉆進深度

考慮到鉆孔深度對鉆機應用效率所造成的影響，如果鉆孔越深，則鉆孔深度對便攜式全液壓鉆機應用效率造成一定程度影響，鉆孔深度在200 m以內進行鉆探作業影響程度比較低，但如果鉆孔深度超過200 m，設備運行過程中鉆桿的重量會有所增加，地質結構對鉆具的阻力加大，導致鉆機設備運轉速度也隨之降低，最終影響了鉆機的鉆探效果。鉆孔深度增加對鉆進效率的影響主要體現在輔助時間上，深度越深，輔助時間越長，兩者呈現出正比例變化關系。

1.4.3結構元件

鉆機本身的性能參數對實際鉆進效率產生一定程度影響，鉆機電動機鉆進參數、扭矩力、重力參數等，對鉆進效率產生一定影響。本次在應用該型號全液壓鉆機時發現其泥漿泵系統與夾持器元件對鉆進效率產生一定程度影響。

2. 便攜式全液壓鉆機結構設計及性能優勢

2.1 便攜式全液壓鉆機選擇

河南省某工廠生產制造的便攜式全液壓鉆機在市場中被廣泛應用。設備結構設計考慮到其在應用過程中運輸方便、操作快捷，具有一定的可靠性，將其作為基礎設計理念實現對整體結構的科學設計。設計人員考慮到傳統設備運輸的困難，在較大范圍內進行運輸、操作具有不便利性，且操作會對生態環境造成一定程度影響，不符合生態設計理念。因此，設備設計與制造應用集成化以及模塊化的設計工藝，降低原本鉆機的扭阻參數，提高設備應用效率，延長設備使用壽命。在一些比較復雜的地質結構中進行鉆進、切割，使其在零散初探項目中可以達到快速鉆探的目的。上述理念設計的鉆機具有以下設計理念：采用模塊化的設計方式，將多個模塊集中在鉆機系統之中，以輕便化的設計理念，選擇設備結構材料、參數，使鉆機整體結構更加協調。設備機架區域應用航空鋁材作為主要結構，質量較輕，整套的鉆機可以使用人工的方式進行運輸，通常4～5個人即可完成對設備模塊的運輸。設備的鉆架應用桅桿式的結構，設備不需要鉆塔輔助即可進行相應的操作，可以實現對礦產地質結構的45°至90°之間的靈活鉆探[2]。

設備移動速率較快，進尺效率較高，對施工環境的要求比較低。使用該鉆機進場施工僅需要提前修建1 m寬度的道路即可支持施工，對鉆探場地的需求較低，支持20㎡區域內的自由鉆探，減少了鉆探準備工作中的資源浪費。液壓接頭使用可快速插接的元件，可以隨時隨地進行相應的拆卸，鉆孔施工至開鉆施工在1天內即可完成。比較傳統的立軸式鉆機而言，進尺的效率大大提高，安全系數和資源成本消耗均具有明顯的優勢[3]。

鉆機采用組裝的方式進行結構優化以及結構設計，鉆機的主要結構元件大都從國外進口，在國內進行加工組裝，安全效率可以得到保障。鉆機應用集成性較高的液壓系統支持操作，在多種地質區域內鉆探應用效果良好，適用性較好。

鉆機系統應用密度、強度較高的鉆桿、鉆具實現礦產地質勘查作業。在一些強度比較高的破碎地層、基巖層等區域鉆探勘查同樣可以保持高效的鉆進率，鉆進過程中不會受到鉆孔漏失影響，沖洗液單次利用，可以保障勘查區域孔壁的穩定性[4]。

2.2 便攜式全液壓鉆機性能指標優化

鉆機整體結構主要由四大模塊進行組成。各模塊之間相互作用組合賦予鉆機設備相應的功能，使其具備以上特征。其中主要部件包括沖洗液循環系統、操作臺、柴油機、鉆架等。沖洗液循環系統可以實現對系統的單獨利用，在操作臺區域進行鉆進操作，柴油機作為主要動力裝置，鉆架作為結構固定裝置。其他輔助結構元件包括鉆具、液壓油氣箱、底座、泥漿泵以及卷揚機等，其在某礦山地質礦產勘查過程中的性能參數如表2所示。

2.3 便攜式全液壓鉆機應用優勢

對便攜式全液壓鉆進機應用優勢進行分析，根據實際的鉆探工作量、鉆進效率以及時效率等參數進行分析。工廠說明書中闡述常規便攜式鉆機的月效率可以達到940 m左右，每小時可以鉆進參數達到3 m左右，最低時效率在2.2 m左右，其在西山礦區與東山礦區應用效果均比較良好，但相比較而言，西山礦區的鉆探效率更高[5]。應用過程中便攜式全液壓鉆機拆卸以及搬運在不同鉆點所耗費的時間僅僅需要1天，鉆孔的適應性也比較強，對環境的破壞程度降至最低。

便攜式全液壓鉆機在一些比較淺層的區域進行鉆孔施工適應性較強，在一些環境比較困難的區域進行鉆孔施工也具有適應性，相較傳統的立軸式鉆機而言，該設備操作以及鉆孔勘查投入的成本較低，運轉效率也比較高。通過鉆探效率的分析以及對比，可以有效了解到設備應用的效果。

3. 便攜式全液壓鉆機在應用中存在的問題

便攜式全液壓鉆機在應用過程中同樣存在相應的弊端，對鉆進效率產生一定程度影響。其問題主要表現在泥漿泵和夾持器上，以上兩個元件均是便攜式全液壓鉆機應用的輔助用具，具體問題如下：鉆機的泥漿泵主要應用低固相泥漿或者無固相泥漿，其他性質的泥漿在鉆機鉆探過程中應用會導致鉆探的效率有所降低。低固相泥漿的使用無法反復利用。因此，考慮到鉆機泥漿泵的操作環境以及應用環境，在地質結構中水分較多的地區進行操作具有一定的適應性，但如果鉆進的區域地層結構比較復雜，地下水的含水率比較小，鉆機鉆進效率會有所降低，操作難度也有所增加，無法完全適應該區域的地質結構鉆探勘查。

鉆機應用對夾持器的參數要求比較高，夾持器的最大夾持直徑對鉆機的實際應用具有一定的限制性。案例中應用兩臺鉆機進行鉆探應用，第一臺鉆機在應用過程中雖然可以通過直徑參數為10.8 cm的套管，但無法對其進行加持處理。第二臺鉆機在應用過程中無法通過參數為10.8 cm的套管，使得鉆孔的結構靈活性受到一定影響，夾持器對鉆孔結構起到了一定的限制作用。如果需要繼續使用直徑參數為10.8 cm的套管，則需要對其進行擴孔處理，起出直徑參數為8.9 cm的套管。

4. 鉆機應用對策優化

考慮到應用環境以及應用技術對便攜式全液壓鉆機應用效率的影響以及鉆機應用的實際條件。便攜式全液壓鉆機應用效率較高，支持人工搬運，對地質結構的適應性也比較強，符合生態勘查、綠色勘查理念。但對具體的鉆探施工環境有一定的要求，比較適合在一些淺層礦區地質結構勘查中應用，在一些修路比較困難的礦區中應用可以發揮其應用優勢。

當鉆探鉆進施工延伸至坑槽時，使用一些比較小型的鉆機施工可以進行幾十米左右的鉆孔。在該類鉆孔作業中可以使用鉆機代替原本的槽位，使得其效果更佳，可以減少開槽掘進對地質環境以及生態環境的破壞。

考慮到便攜式全液壓鉆機應用過程中的環境保護以及生態保護理念，進一步拓展其在地質勘查中的實際應用。可以適當在鉆機上安設相應的電動機裝置，使其可以在坑內進行鉆探，在不同的區域、環境內鉆探效果也比較好，符合綠色鉆探勘查理念。

目前，便攜式全液壓鉆機應用的主要問題集中在泥漿泵上，如果對泥漿泵進行相應的改進，使其可以泵送固相泥漿，并實現可以循環利用目標，則鉆機的應用效果以及應用適應性會有所增加。

5. 結語

便攜式全液壓鉆機在地質礦產勘查中應用效果較好，在應用過程中符合綠色勘查理念，減輕了地質礦產勘查活動對生態環境的影響。便攜式全液壓鉆機具有方便搬運、易于運輸、施工占地面積少、工作效率高、對環境破壞小等優點，是對施工環境及地層適應性很強的鉆機，特別適合在修路、搬運困難的礦區施工。