一种浅层轻便土壤取样钻机的研制

刘广治，卢猛

(北京探矿工程研究所，北京 100083)

0 引言

近些年来,我国经济快速发展带来的环境恶化问题突出。土壤和地下水环境的恶化对我国人民身体健康有着直接影响，因此我国对土壤以及地下水的污染也越来越重视。治理污染土壤以及被污染的地下水,首先要勘查污染区域,界定污染范围，探明污染物所在地层的地质条件，了解污染物在土壤中存在状态。根据调查结果制定治理方案,利用物理化学和生物的方法进行污染土壤的修复。在土壤修复过程中以及修复工程结束后对土壤中的污染物进行跟踪监测，了解污染治理工程的进度，检验治理的效果。可以说,整个土壤污染治理的工艺流程都需要对污染土壤的取样调查。

1 TGQ-30C浅层轻便取样钻机

1.1 开发背景

北京探矿工程研究所从20世纪70年代开始进行轻便浅层取样装备的研究，现已经成功开发出300 m以浅的TGQ系列轻便浅层取样装备。TGQ系列浅层取样钻机具有体积小、重量轻、效率高、操作简单，移动方便等特点，可广泛用于地质调查填图、物探爆破孔、化探岩石取样、道路基础勘察各种取样施工作业。

依靠多年对TGQ系列浅层轻便取样钻机研发以及优化改进中积累的经验，在TGQ-30型液压取样钻机的基础上研制了一套应用于土壤取样的TGQ-30C浅层轻便取样钻机。TGQ-30C浅层轻便土壤取样钻机采用模块化设计，拆装方便，操作简单，可满足20 m以内的土壤取样要求。TGQ-30C钻机如图1所示；适配的冲击钻杆及钻具如图2所示。

图1 TGQ-30C土壤取样钻机

图2 冲击钻杆以及钻具

1.2 TGQ-30C钻机的构成

TGQ-30C浅层轻便土壤取样钻机主要由液压驱动式振动冲击锤，汽油机驱动液压动力站，钻机机架以及液压提升装置组成。

1.2.1 液压驱动式振动冲击锤

液压驱动式振动冲击锤采用的是丹麦海空产品，主要技术参数见表1。

表1 振动冲击锤技术参数表

1.2.2 汽油机驱动液压动力站

TGQ-30C浅层轻便土壤取样钻机液压系统的动力站为丹麦海空的13(18)HP汽油机驱动的液压动力站。该动力站结构紧凑，移动方便,其主要参数见表2。

表2 液压动力站技术参数表

1.2.3 钻机机架

TGQ-30C浅层轻便土壤取样钻机采用的是TGQ-30液压取样钻机的机架，该机架设计有链传动装置，滑套背板结构以及移动轮，整体结构紧凑，重量轻，移动方便，功能强大。钻架设置斜支撑，保证工作时的稳定性。机架背板可打开，围绕销轴旋转，该结构可加装动力头，实现金刚石钻进、合金钻进以及螺旋钻进，适应于绳索取心工艺。也可加装液压驱动的振动冲击锤，用于土壤取样。

1.2.4 液压提升装置

TGQ-30C浅层轻便土壤取样钻机沿用了TGQ-30岩心钻机的液压提升装置，采用液压绞车加动滑轮的结构形式，液压绞车设计的结构紧凑，额定拉力为7.5 kN，加装动滑轮后，拉力达到12 kN左右(考虑提升效率)。

在一些特殊地层或者钻深较深时，依靠液压绞车加动滑轮的提升机构不足以提升钻杆，采用拉力更大的液压绞车虽然可以适当的增大提升力。但在增大液压绞车拉力的同时，绞车的重量以及相应的支撑结构也会加大，制约了钻机的轻便性，影响了钻机的应用范围。因此需要研发一套独立于钻机的起拔装置，在减轻钻机重量同时，保证足够的起拔力。作者研制的钢球夹紧起拔装置，利用锥面上钢球自锁卡紧冲击钻杆起拔，结构紧凑，重量轻，输出力大。

2 钻进试验

2.1 试验场地

TGQ-30C浅层轻便土壤取样钻机试验场地选定为临近河边的场地，地层为回填土，地下超过5 m 为湿泥，黏性比较大，钻进阻力比较大，可以充分的实验出钻机的性能。

2.2 钻进工艺

TGQ-30C可以实现双管钻进工艺和单管钻进工艺。

双管钻进工艺是指钻具中设置有取心内管，通过每次提取内管的方式取心。取心内管为硬质塑料样品管，一端加工出螺纹，另一端加工出爪簧结构，保证进入到取心内管中土样漏出。冲击钻头中按照内管外径加工出台阶孔，取心内管放置在外管中，一端放置在冲击钻头的台阶孔中，另外一端利用螺纹连接到外管中锤击头卡住内管，保证钻进时，土样能够进入到内管当中。当钻进深度大于钻具长度时，取心内管通过螺纹连接钎杆，保证取心内管始终卡紧在外管中。取心时，利用钎杆之间的螺纹连接，依次拔出钎杆和取心内管，取出的土壤样品如图3所示。采用双管钻进工艺，取心效率高，避免反复提钻。

单管钻进是指钻具采用半合管，每次通过提钻的方式取心。采用单管钻进取心的工艺，取出的样品直径大，更有益于样品的研究。

2.3 试验过程

TGQ-30C采用双管钻进工艺时，试验中使用的外管外径60 mm，内管直径46 mm。采用单管钻进工艺时，试验使用的半合管钻具外径60 mm。泵站工作压力12 MPa，泵站额定供给流量30 L/min。

转动机架上的摇杆，通过链传动装置带动TGQ-30C振动冲击锤向下移动，当锤头接触到钻杆时，振动冲击锤开始工作，高频振动产生的冲击功传递到钻头上，从而带动钻头以切削、剪切和断裂的方式钻进地层中，钻头加工有锥面，可有效的减少钻进土壤中的阻力。

TGQ-30C在前5 m的平均纯钻进速度可达到2 m/min(不含上卸钻杆和取心等花费的时间)，实验深度超过5 m后，平均纯钻进速度明显降低，取出的样品均为黏度大的湿泥。实验深度超过15 m 后，平均纯钻进速度变得更低，基本上为0.1 m/min,而且钻具发生了变形，钻杆螺纹连接处开始出现轻微裂纹。为避免钻杆断裂发生事故，最终试验深度为17 m。

2.4 钻进效率和取心率

振动冲击取样的钻进速度随着钻深的加大逐渐降低，主要是由于高频震动产生的能量随着钻进深度的加大，在传递过程中会不断地衰减。TGQ-30C在采用双管钻进工艺实验过程中，前5 m的平均钻进效率(包含接钻杆和取心)为0.5 m/min。5 m到17 m的钻进效率为0.1 m/min,取心率可达到85%以上。

TGQ-30C在采用单管钻进工艺实验过程中，前5 m的平均钻进效率(包含接钻杆和取心)为0.2 m/min。5 m到17 m的钻进效率为0.05 m/min,取心率可达5%以上。

2.5 试验结果分析

TGQ-30C实验过程中钻进效率除考虑地层外还综合考虑了上卸钻杆和取心等因素。

由于试验场地比较特殊，地层复杂，实验深度超过5 m后，均为湿泥，黏度很大，湿泥包裹在钻具以及钻杆上，钻进阻力大，是影响钻进效率的主要因素。采用单管钻进时，半合管钻具随着钻深的加大，变形严重，造成每次取心时拆卸半合管的时间长，影响了钻进效率。

TGQ-30C在实验过程中，钻杆连接处的螺纹出现轻微的裂纹。通过分析为螺纹连接处比较薄弱，加工过程中有应力集中，加上实际工作中的高频振动冲击，易产生的疲劳断裂。解决措施为对钻杆连接处的壁厚优化，同时进行热处理，去除应力集中。

实验表明，尽管实验地层比较复杂，TGQ-30C依然能够保证较高的钻进效率和较高的取心率，满足目前20 m以内的土壤取样要求。

3 结语

TGQ-30C浅层轻便土壤取样钻机模块化设计，结构紧凑，重量轻，取心率高，能适应各种钻进工艺。根据已售出的客户反馈，TGQ-30C浅层轻便土壤取样钻机在实际应用中性能良好，满足了用户钻进深度和取心的要求。

[1] 王达, 何远信. 地质钻探手册[M]. 长沙:中南大学出版社, 2014.

[2] 张志民. 轻便快速振动冲击取样机具与钻进工艺的研究[D]. 中国地质大学(北京), 2007.

[3] 赵磊. 取样技术在挥发性有机物污染土壤治理中的应用研究[D].北京:中国地质大学(北京), 2009.

[4] 何远信. 环境科学钻探技术研究[D].北京:中国地质大学(北京),2006.