浅谈背包式岩芯钻机在山区风电场勘察中的应用

孙礼健， 李金华

(中国能源建设集团 安徽省电力设计院有限公司，安徽 合肥 230601)



浅谈背包式岩芯钻机在山区风电场勘察中的应用

孙礼健， 李金华

(中国能源建设集团 安徽省电力设计院有限公司，安徽 合肥 230601)

山区风电场地形起伏较大，场地地形复杂，高差变化大，有些场地传统勘探设备无法到达，针对这种情况使用背包式岩芯钻机来查清地质情况。以安徽某两处风电场为背景，简要分析了背包式岩芯钻机在不同地层的施工工艺，得出了一些规律性认识, 以期为相似工程勘察提供参考。

背包式岩芯钻机；风电场；勘察

0 引 言

近年来，随低风速风机技术的快速发展，风电发展迅速，尤其是山区风电场居多[1-4]。山区风电场地形起伏较大，场地地形复杂，高差变化大，风机大部分沿山顶、山脊、山坡布置，有些场地传统勘探设备无法到达，针对这种情况使用背包式岩芯钻机来查清地层情况。本文简要分析了背包式岩芯钻机在不同地层的施工工艺，得出了一些规律性认识, 以期为相似工程勘察提供参考。

1 背包式岩芯钻机简介

背包式岩芯钻机是一种主要适用于山岭、交通和能源不便地区的小型轻便化取样钻孔设备。采用该钻机取样可代替传统的人工挖掘、槽探和井探等。它不仅能加快取样工作速度，而且能大量减少植被的破坏，保护环境,是浅层地质勘察工作中不可缺少的技术手段[5-7]。

背包式岩芯钻机携带方便，整套钻机及相关配件装入背包后，一套标准配备的绍尔便携式钻机及其附件的全部重量不超过18 kg，所有用于钻孔和收集各种岩石样本的工具都可装在背包中，一个普通的成年男性或女性均可轻松负担。另外，背包内尚有充足的空间用于放置备用的燃料、饮用水及个人用品。背包式岩芯钻机操作简单，只要简单地旋转和推拉，无需额外的工具，即可连接或延伸整个装置，易拆易装。再加上岩芯取给器，可快速、彻底地取出岩芯以及岩芯碎片。图1为背包式岩芯钻机设备，图2为现场勘探照片。

图1 背包式岩芯钻机设备

图2 现场勘探照片

2 不同地层的施工工艺

与平原区勘察相比，山区地质条件更为复杂，地层变化较大[8-11]。背包式岩芯钻机在钻进过程中应根据不同的地层采用不同的施工工艺。

2.1 覆盖层较薄坚硬岩地层

宿州萧县灵山48 MW风电场工程风机位于低山山顶、山脊和山坡上。地基岩土表层为厚度0～0.5 m碎石土，下伏寒武系中风化白云质灰岩、白云岩等。由于基岩裸露，地层变化不大，一个风机位布置一个勘探点，勘探点布置于各风机位中心或稍偏中心。后经背包式岩芯钻机揭露，局部风机位浅部地层存在小型溶蚀、溶洞。为准确探明地层，采取了背包式岩芯钻探取芯与高密度电法相结合的勘探方式。现将背包式岩芯钻机适合本地层的施工工艺阐述如下：

(1) 钻进方法：选用两水口金刚石钻头、直径25.8 mm钻具施工，尽量在完整岩石中开孔，开始时钻机转数控制在低速，等钻进到完整基岩时方可提高转速。钻进前，应将钻具提离孔底2～5 cm，等转速平稳后，下入孔底逐步加压。经常检查钻头外径，如果磨损超过0.2 mm时，应改用新钻头扫孔，防止因孔壁间隙过小而影响转速。 钻孔不返水又不影响正常钻进，可采用打“点滴”的方法。随着钻孔的加深，钻具加重，起下钻时应二人进行配合操作，以防钻杆脱落造成孔内事故。地层完整时进尺过慢可采用两人加压的方法。

(2) 取芯方法： 钻进中突然出现憋钻现象，钻进阻力减小，岩芯可能被拧断，需及时取芯。为增加采取率，回次终了，停止供水10 s左右，同时在孔底不加压转40～100圈左右，再取芯。孔内有残留岩芯时下入取芯器，顺时针转至孔底，取芯。破碎风化层取芯可采用无水钻进法进行钻进。图3为岩芯照片。

图3 岩芯照片

2.2 全风化层较厚以及覆盖层较厚软岩地层

华能安徽怀宁风电场(50 MW)一期工程局部风机位地基岩土表层为厚度3.0～5.0 m全风化泥质砂岩，下伏侏罗系强-中风化泥质砂岩。局部风机位地基岩土表层为厚度2.0～4.0 m粉质黏土，下伏侏罗系强-中风化泥质砂岩。由于全风化层厚以及覆盖层厚变化较大，勘探点布置应适当加密，尽可能的准确反映地层特点。现将背包式岩芯钻机适合本地层的施工工艺阐述如下：

(1) 钻进方法：选用直径36.5 mmPDC钻头、直径36.5 mm钻具施工。在该地层开孔，事先清理出便于操作的平台，钻机转数控制在低速并轻压，冲洗液量比正常钻进的水量要稍大点，同时可适当加入聚丙烯酰胺。钻进完一根钻杆，不提钻，卸下异径接头，对上第二根套管，拧上异径接头进行钻进，同样原理直至套管钻穿全风化层、覆盖层为止。由于施工中泵水量较大，岩芯基本被水冲刷,取芯困难。由于在钻进过程中，全风化层以及覆盖层容易塌孔，可以往孔内投入泥球或直接送膨润土干粉，下入钻具用少量冲洗液回转搅拌，加大冲洗液粘度，增强钻孔冲洗液的造浆护壁能力。钻穿全风化层、覆盖层后卸掉异径接头，将直径36.5 mm钻具作为套管使用，改用直径25.8 mm钻具施工，钻头选用两水口钻头，后续施工跟坚硬岩地层施工类似。在全风化地层以及覆盖层中钻进，极易发生埋钻事故，操作人员在钻进时需要高度重视。若发生埋钻，可以用直径25.8 mm钻具在事故钻具周围打2～3个同样深的钻孔，将事故钻具取出。

(2) 取芯方法： 全风化层、覆盖层中，由于钻头高速旋转，岩土基本被磨碎，泵水量较大，岩芯基本被水冲刷,取芯困难，只能从岩粉中判断岩性。钻穿全风化层、覆盖层后，应先停止送水，回转并上下提动钻具，利用孔内的水进行冷却钻头，直至孔内岩芯管堵塞不进尺，便可停止钻进，提钻取芯。

3 结束语

(1) 山区风电场风机大部分沿山顶、山脊、山坡布置，有些场地传统勘探设备无法到达，针对这种情况使用背包式岩芯钻机来查清地层情况，背包式岩芯钻机在钻进过程中应根据不同的地层采用不同的施工工艺。

(2) 山区风电场地下条件复杂，为查清工程地质结构，需因地制宜地采取合理方案，如采取了背包式岩芯钻探取芯与高密度电法相结合的勘探方式。地层变化较大时，勘探点布置应适当加密，尽可能的准确反映地层特点，必要时加强施工验槽。

(3) 背包式岩芯钻探取芯直径一般在30 mm，无法做力学性质试验，只能通过工程经验提供设计、施工所需的岩土参数，确定地基承载力。

(4) 背包式岩芯钻机需要水来冷却钻头以及利用冲洗液将岩粉循环出孔外，而水必须要从山下通过人力抬到山上，消耗大量人力，如果能解决水循环利用问题，可起到事半功倍的效果。

[1] 斯陈东．山区风电场风机基础设计[J]．工程与建设， 2015，29(5)：618～620．

[2] 张长存．山区风电场的勘察要点与难点——以泰国某工程为例[J]．风电场， 2012，12(73)：72～76．

[3] 陶铁铃．山区风电场设计难点及对策[J]．人民长江， 2015，46(18)：618～620．

[4] 华锡江．浅谈江西某风电场风电机基础设计及其地基处理[J]．电力技术，2010，19(6)：64～66．

[5] 王新红．单人背包式钻机在电力工程勘察中的应用[J]．山西建筑， 2014，40(8)：52～53．

[6] 戴胜生．背包式钻机在山区输电线路勘测中的应用[J]．西部探矿工程， 2014，26(9)：37～38．

[7] 吴辉杰．背包式钻机在输电线路勘察中的应用[J]．江西建材， 2015，38(20)：222．

[8] 郭小红．高密度电法物探技术在某山区勘察中的应用[J]．山西建筑， 2013，39(28)：49～50．

[9] 王 健．公路勘察设计新理念在山区公路设计中的应用[J]．交通科技， 2015，270(3)：94～96．

[10] 翟运雄．山区场地岩土工程勘察要点[J]．西部探矿工程， 2006，109(2)：109～110．

[11] 刘彦彬．山区场地勘察及地基处理[J]．山西建筑， 2012，38(23)：75～76．

2016-05-09；修改日期：2016-05-12

孙礼健(1983-)，男，安徽巢湖人，硕士，中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司工程师．

TM614

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1673-5781(2016)03-0314-03