槽形取样钻机具研制与试验

卢倩，冉灵杰，王福海，祝强，苏兴涛

(北京探矿工程研究所，北京 100083)

0 引言

目前在地质调查、化探、物探、基础工程勘察等领域有大量的浅层钻探取样的需求，亟需可以由人力搬运的5米以内的轻便冲击浅层取样钻机。便携式地质浅层取样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、槽探和井探等取样。

为了解决山区供水困难，研究人员探索了无水钻进法[1]。用空气循环替代水循环钻进和无循环钻进技术[2]。同时采用轻便且可靠的钻进设备是降低钻进费用的有效途径[3]，但轻便的钻进取样技术仍是空白和难点。槽形取样钻可以在无冲洗介质条件下，快速实现纯冲击钻取工作，钻机结构简单、重量轻、可快速装卸、便于搬运。

1 主要技术特点

1.1 钻机整体特点

(1)取样钻总质量不超过10 kg，携带方便，适用于高山、无电源、无风压设备的地区和流动性较大的临时性工程尤为适合。

(2)新型槽形取样钻, 包括槽形钻具和钻杆、冲击头和冲击锤及合式提手。

(3)冲击头固定在钻杆的上端，中间可连接钻杆短节。

(4)槽形钻具可连接在钻杆的下端或冲击头的下端。

(5)冲击锤用于锤击冲击头，使其将槽形钻具打入地层中。

(6)合式提手卡住打入地层的钻杆和钻具，将其拔出。

1.2 钻杆设计

钻杆要求耐磨性好，承受传递能量所需的高强度等。由于该钻杆在疲劳载荷下使用，因此还应具有结构钢的一般性能。在冲击回转钻进过程中，钻杆承受高峰值、高频率的冲击载荷作用，导致快速的疲劳破坏。此外，钻杆还将受到扭转、弯曲、拉伸、压缩等多种复合应力的作用，并在回转、碰撞的环境下经受岩石、岩粉等工作介质的磨蚀作用，因此要求钻杆应具有如下性能：

(1)足够高的疲劳强度；

(2)适量的塑性和韧性，以保证钢材有较低的疲劳缺口敏感度；

(3)良好的循环韧性，从而保证钢材的消震性能良好，并且还可降低疲劳裂纹的扩展速率；

(4)一定的抗腐蚀能力，主要是耐大气和矿物的腐蚀；

(5)良好的工艺性能，包括冷、热加工，锻造和热处理性能。

1.3 钻具设计

按照先成孔，后取心的设计方案，钻头主要有锥形冲击钻头和合金取心钻头两种。取心钻头安装在单管取心钻具上。单管取心钻具设计了普通单管和槽型单管两种形式。按照先成孔，后取心的设计方案，钻头主要有锥形冲击钻头和合金取心钻头两种。取心钻头安装在单管取心钻具上。单管取心钻具设计了普通单管和槽型单管两种形式。

2 现场试验与改进

钻机仅需一人即可搬运，2人操作，见图1。图2为所取的样品。

图1 现场试验

图2 所取样品

(1)针对野外试验中遇到的问题，做了如下改进。冲击头的上部为一半圆头，易于承接冲击锤的冲击力。

(2)钻具材料抗冲击，为近半圆开口结构形式，进尺速度快。

(3)有两个横置把手，易于钻工操作：下压和上提。

因在实验中发现钻杆和钻具冲入地层后，靠人力很难将其取出，研究人员继续研发了合式提手成对使用，可提高提钻力。可将人力无法提出的钻杆，由两名操作人员共同提出。有效的解决了起拔问题。

3 总结

本机克服了现有技术中钻机体积笨重且功能单一，不能适应浅表地层的复杂地质环境，可用于较软的松散地层，但不适用于坚硬(含砾石)致密完整的岩石地层。从实际问题出发，经过不断试验和改进，便携式冲击取样钻机具的装备和钻进取样工艺，实现了浅部无水钻进和取样。全套装备需要2人背负，其中一人背钻机，另一人背钻杆、钻具和工具。钻进取样时需要2人配合完成。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，是区域地质填图、物化探取样、古地磁取样、地质灾害预防等浅层地质勘查工作中不可缺少的技术手段。该设备及工艺可部分替代探槽采样。