直推鉆探技術在礦山地質環境調查評價中的應用研究

摘 要：鉆探是礦山地質環境調查工作中獲取地層信息的一種重要手段，鉆探質量直接影響著調查工作的質量。在北京市礦山地質環境調查過程中，基于礦區取樣質量要求，通過對比部分鉆探取樣設備和技術的優缺點及適用性，選擇將直推鉆探技術應用到礦山地質環境調查取樣工作中。在取樣過程中，Geoprobe-7822DT直推式土壤鉆機配備了DT22和MC5直推鉆具進行鉆探取樣，2種直推鉆具發揮了各自的優勢，提升了礦山地質環境調查取樣工作的質量和效率。MC5直推鉆具適用地層范圍更廣，更加適用于礦區深部土壤鉆探取樣。

關鍵詞：直推；鉆探技術；礦山；地質環境；應用研究

Applied research of direct push drilling technology in mine geological environment investigation and evaluation

ZHANG Jianjie， LIU Chunsheng， DUAN Shidun

（Beijing Institute of Mineral Resources and Geology， Beijing101500， China）

Abstract： Drilling is an important means for obtaining stratigraphic information in mine geological environment investigation. The quality of drilling directly affects the quality of investigation. In the process of mine geological environment investigation in Beijing， based on the quality requirements for sampling of the working area in the mining area， through comparing the advantages， disadvantages and applicability of some drilling sampling equipment and technologies， this paper applies direct push drilling technology to the sampling work of mine geological environment investigation. During the sampling process， the Geoprobe-7822DT direct push soil drill is equipped with two types of direct push drilling tools including DT22 and MC5 for drilling and sampling. Both types of direct push drilling tools have their respective advantages， which improve the quality and efficiency of the sampling work of mine geological environment investigation. But the MC5 direct push drilling tool， better at deep soil drilling sampling， is more suitable for the stratum of the working area in the mining area.

Keywords： direct push; drilling technology; mine; geological environment; applied research

隨著我國社會經濟的發展、國家產業結構的升級以及城市布局的調整，工業廠址搬遷產生的污染場地不斷涌現（宋家音等，2021；梁龍等，2018），礦山企業閉坑后遺留的采礦遺址也逐年增多（彭振等，2021），迫切需要對這些場地開展地質環境調查與修復工作。黨的十八大以來，礦山生態修復治理已成為我國生態文明建設的重要內容，為解決礦山生態修復歷史欠賬多、現實矛盾多、投入不足等突出問題，自然資源部出臺《關于探索利用市場化方式推進礦山生態修復的意見》等多項政策，以加快推進礦山生態修復工作。

近些年，直推鉆探技術被成功研發并應用于實踐（孔祥科等，2014），一般在環境調查特別是在污染場地調查工作中使用較多，并在調查工作中發揮了重要作用，提高了深部土壤取樣的質量和效率，取得了較好的經濟效益和社會效益。但是，在礦山地質環境調查中，受礦區地形和地質條件的影響，直推鉆探技術應用實踐極少。本文結合礦山地質環境調查工作，對部分鉆探取樣設備和技術及其適用環境進行了對比，將直推鉆探技術應用于礦山地質環境調查工作中。本次應用實踐表明，直推鉆探技術不僅能夠滿足礦山地質環境調查取樣工作的需求，而且能夠提升礦山地質環境調查取樣工作的質量和效率，為今后類似項目的實施提供參考。

1" 直推鉆探技術簡介

1.1" 直推鉆探技術內涵

直推鉆探技術包括直推鉆探工藝與鉆探裝備。直推鉆探工藝是通過人力或者機械力將鉆具壓入地下的一種鉆探和取樣方法，鉆進方法包括推鉆、錘擊或振動推進（李炯等，2019；孫平賀，2021）。

1.2" Geoprobe-7822DT鉆機概述

Geoprobe-7822DT直推式土壤鉆機結構緊湊、功能多樣，采取原狀樣品質量可靠。該鉆機可快速完成土壤污染的調查工作，以及土壤污染的修復工作，可進行土壤取樣、地下水取樣、地下氣體取樣、監測井建設等工作（吳浩等，2019；鄭繼天等，2010）。

該鉆機重量為3 427 kg，最大展開高度為4.521 m，折疊后高度為1.930 m，長度為3.378 m，寬度為1.524 m，探測架可進行折疊以方便運輸，鉆機行進最大速度為8 km·h-1（圖1）。鉆機配有液壓絞車提升系統，提升力可達1 066 kg，方便鉆探取樣時鉆具的運移。整機采用久保田4缸渦輪增壓柴油動力，設備功率42 kW。鉆機主要由探測組件、液壓系統、電氣系統3個部分構成，土壤及地下水取樣深度可達30 m。

1.3" 工作原理

Geoprobe-7822DT鉆機工作原理是在鉆進過程中，如遇地層阻力較小時，給進油缸產生靜壓力推動變速箱沿導軌向下運動，帶動取樣裝置無回轉地進入地層中；如遇地層阻力較大時，振動沖擊器產生沖擊力，配合靜壓入土的方式快速鉆進成孔并取樣。直推鉆機在取樣過程中無需沖洗液，能夠保證取得的樣品不被混樣污染，有效保證土樣的原狀特性（陳洪陽等，2019）。

2" 直推鉆探技術在礦山地質環境調查中的應用實例

為了查明礦區周邊水、土重金屬污染的垂直分布規律，設計土壤鉆探累計進尺400 m，施工區域主要涉及北京市平谷區和懷柔區部分金礦礦區，鉆遇地層主要為粉土、粉質黏土、粉砂、粗砂及風化層，部分區域表層為回填土，少數地層中夾雜有碎石。

2.1" 鉆探技術要求

1）鉆探前進行場地踏勘，鉆探點位應布置在鉆探設備能夠達到的位置，且無地下管線干擾，確保鉆探工作正常開展。

2）地層的綜合取心（土）率應滿足項目取樣需求，回次進尺不得超過巖（土）心管長度。

3）鉆探取樣應避開碎石、卵石、基巖，防止鉆頭磨損干擾土壤組成成分測定。要求采取原狀土壤，每個鉆孔進尺應在1.5 m以上。

4）配備地質技術人員，由地質技術人員按鉆進回次如實、及時記錄剖面土層類別、特征及變化情況。巖（土）心野外描述以觀察、手觸方法為主。

5）鉆探工作按單孔作業任務書進行，每孔現場驗收，驗收合格后再搬遷施工下一鉆孔。

6）除需保留的部分鉆孔外，在鉆探結束后應將鉆孔及時回填。鉆孔終孔后用水泥加膨潤土漿液回填至地面，特殊地段采用水泥漿封孔。

2.2" 鉆探設備選用

以往礦山地質環境調查多采用傳統的小型回轉鉆機進行取樣，取得了較好的效果。但也存在取樣時擾動土壤樣品、施工人員體力消耗大、效率相對較低等不足。

本次礦山地質典型影響區地質環境調查項目，對垂直土壤樣品取樣質量要求高，鉆探深度較大。Geoprobe-7822DT直推鉆機一般應用于污染場地調查，技術相對比較成熟，但在礦山地質環境調查應用方面幾乎為空白。該套鉆探裝備具有可進行非擾動取樣，取樣質量好，鉆探效率高，行走方便，適用地層范圍廣等特點。因此，該項目選用Geoprobe-7822DT直推鉆機進行深部土壤鉆探取樣，一方面是為了滿足項目質量和技術要求，另一方面是探索直推鉆探技術在礦山地質環境調查中的應用。

在施工過程中，還需配備鉆機運輸車輛1臺，用于鉆機在礦區作業時遠距離轉運。選用中型載貨專項作業車（又稱拖車，外廓尺寸為7 400 mm×2 420 mm×2 340 mm）作為運輸車輛，用于鉆機運輸（圖2）。此類車型能夠自動完成鉆機裝卸，便于鉆機運輸和使用。

2.3" 取樣工藝方法

2.3.1" 工藝流程

根據項目技術質量和工程進度要求，取樣工作流程主要包括以下幾個方面：

1）場地踏勘：在調查設計布置點位時，前期到調查區域進行現場踏勘，在滿足項目技術要求的前提下，點位要布置在鉆機能夠到達的位置，以方便施工；

2）孔位定位：根據項目給定的鉆孔位置坐標，采用較高精度GPS進行鉆孔定位；

3）場地平整：對孔口周邊進行平整并做好開鉆前期準備，保證鉆機施工時擺放平穩；

4）鉆探取樣：在確認鉆孔位置無地下管線后，開鉆施工，由技能熟練人員進行操作，鉆進要平穩；

5）取樣記錄：土壤樣品取出后，及時編錄、密封、整理，土壤樣品記錄必須由專業技術人員進行填寫；

6）場地恢復：對施工現場進行場地恢復，對于尾礦庫及附近施工的鉆孔要進行封孔處理；

7）樣品送檢：取出的剖面土壤樣品裝入樣袋保存，樣袋上面寫好樣品編號和取樣日期，及時送檢。

2.3.2" 直推鉆進方法

按照工作要求，為保證礦區深部土壤取樣質量，提高鉆探效率，可選用DT22或MC5直推鉆具進行鉆探取樣。

1）DT22鉆具直推鉆進

采用DT22鉆具推進時，將組裝好的鉆具上端加頂驅帽后，根據鉆遇地層特點，啟動鉆機利用油缸靜壓力或以一定頻率錘擊使鉆具推進土體，當推進端頭達到預計取樣深度時，停止下壓或錘擊，提出內鉆桿和心樣管，完成一個回次推進取樣。再連接好內鉆桿和新的心樣管，將心樣管重新放入取心外管固定位置，加上足夠長的內外管，鉆具上端再加上頂驅帽，再以靜壓或錘擊的方式使鉆具推進達到預計取樣深度，停止下壓或錘擊，取出內鉆桿和心樣管，完成第二個回次推進取樣（秦沛等，2020）。重復以上工作，直至完成一個點位的鉆探取樣任務（圖3）。

該鉆具也可實現預定深度土壤樣品的直接取樣。將組裝好的鉆具（內鉆桿連接有穿梭鉆頭）上端加頂驅帽后，啟動鉆機使鉆具推進土體，當推進端頭達到預計取樣位置上部時，提出連接有穿梭鉆頭的內鉆桿。再連接好內鉆桿和心樣管，將心樣管放入取心外管固定位置，推進端頭推進到取樣位置下部時，停止下壓或錘擊，提出內鉆桿和心樣管取樣。后續回次按照常規方法推進，即取得預定深度的土壤樣品。

2）MC5鉆具直推鉆進

采用MC5鉆具推進時，將組裝好的鉆具上端加頂驅帽后，根據鉆遇地層特點，啟動鉆機利用油缸靜壓力或以一定頻率錘擊使鉆具推進土體，當推進端頭達到預計取樣位置上部時，停止下壓或錘擊，取出內鉆桿蓋帽和內鉆桿，在鉆具上端加好頂驅帽，再以靜壓或錘擊的方式使推進端頭推進到取樣位置下部時，停止下壓或錘擊，提出鉆具取樣（黃東帥等，2022）。重復以上工作，直至完成一個點位的鉆探取樣任務（圖4）。

以上2種直推鉆具鉆進取樣系統，開孔位置如遇地表為混凝土地面，可用2.25 in十字液動沖擊鉆頭破除后再進行鉆進。

3" 應用效果及建議

3.1" 應用效果

本次Geoprobe-7822DT直推式土壤鉆機在該項目的應用中，共施工土壤取樣鉆孔59個，累計完成鉆探進尺440.7 m，鉆孔最大深度達16.5 m。施工過程中，鉆機操作機動靈活，鉆探取樣效率高，巖（土）心采取率高，適用于礦區各種地形和地層條件，按期高質完成了項目全部鉆探取樣任務，取得了良好的鉆探效果（圖5）。

3.2" 建議

Geoprobe-7822DT直推式土壤鉆機配備的DT22和MC5直推鉆具，在取樣過程中發揮了各自的優勢，2種直推鉆具取樣性能對比見表1。從對比結果來看，MC5直推鉆具鉆進取樣系統更適用于礦區地質環境調查深部土壤鉆探取樣。建議在使用該鉆機（尤其是配備使用MC5直推鉆具）進行鉆進取樣時，一方面加強操作人員保障，在提下鉆過程中進行操作人員輪換，保證提下鉆速度，以提高鉆進效率；另一方面研究配備擰管機或其他輔助機械設備，降低操作人員勞動強度，從而提高鉆進效率。

4" 結論

在我國礦業工程不斷發展的過程中，礦山為國家經濟發展作出了巨大貢獻，但隨之產生諸多礦山地質環境問題，礦山地質環境調查與修復成為目前面臨的重要課題。鉆探技術為礦山地質環境調查獲取地層信息提供了可靠手段，直推鉆探技術更是有效、高質地保障了該項工作的開展。

1）直推鉆探取樣對土壤無擾動，無需沖洗液，有效保證了土壤取樣質量。

2）Geoprobe-7822DT直推鉆機采用履帶式行進方式，動力足，能夠適應礦區地形條件，提高了取樣效率。

3）MC5直推鉆具回次取樣量大，適用地層范圍廣，更加適合于礦區地質環境調查深部土壤鉆探取樣。

4）該系列鉆機不僅能夠進行深部土壤鉆探取樣，還配備有SP22地下水取水鉆具，可進行水位在30 m以內不同層位的地下水取樣工作。

直推鉆機與傳統回轉鉆機相比取樣質量和效率更高，但在礦區頻繁轉運過程中可能會提高運輸成本。在實際礦山地質環境調查取樣工作中，可以根據取樣質量要求、項目預算、地形條件選擇合適的鉆探設備，條件允許的情況下建議首選直推鉆機，以提高深部土壤和地下水取樣的質量。

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