便携式全液压钻机在地质勘查中的应用

缪 赛

（江西有色地质勘查二队，江西 赣州 341000）

便携全液压钻机突出的设计理念是轻便、可靠，几乎支持任何地质探查环境下的作业，能进入地形陡峭地区以及完成零散的勘察任务，借助其迅速钻探以及资源整合，改善钻探装备。

1 便携式全液压钻机

1.1 突出特点

此种便携式的钻机特点在在于：

一是，轻便灵活，其结构材料选择航空铝材，自重相对偏低，最重部分通常仅需四人左右，轻松搬运移动。配备桅杆式钻架，不必另设钻塔，支持在45°～90°之间，随意调整。二是，移位及进尺速度快，对勘察环境的要求不高，仅需具备约为1m的通道，作业场地面积标准也只用4.5m见方即可，不会用到过多的占地空间，有效控制基础项目环节的成本支出。再加上，配有液压接头进行连接，方便拆装及搬运，而且从终孔至再次作业的时间间隔只需维一日。另外，进尺速度及台月均优于传统立轴结构的钻机，有效避免超出工期，压缩人力费用。三是，适用性及可靠性高，钻机构成部件通常来自国外成熟技术，运至国内进行组装，有较高的应用稳定性。同时，钻进效率优，不易发生事故，拥有高集成的液压系统，进一步保障整体作业的效果。四是，压缩成本，此钻机为模块化形式，可实现降本增效。五是，技术含量高，有显著的采取率。其配备高强度及精度的薄壁钻杆与钻具，即使遇到破碎、风化等地层，都能呈现较优的采取效果。在钻进中，冲洗液能多次使用，并可保障液体带出岩屑及保护孔壁的效果[1]。

1.2 性能参数

便携式的此类钻机，主要包括液压操作台及动力头、泥浆泵等部件。以XD800型的钻机为例，其钻孔的口径有BTW、NTW以及HQ三类，孔深分别为800m、600m以及400m，支持的倾角范围在45°～90°之间。其动力机需配备三台，功率是33kW，转速能达到3000rpm。动力头的结构框架是马达直驱型，最快转速能达到每分钟1380转，最大扭矩是1528N.m。另外，此钻机的给进系统，能产生的最强给进力是50kN，其拔力能达到100kN，给进行程是1850m。同时，还带有绳索卷扬机，首层单绳的拉力值是5.6kN，容绳量有850m，绳速是每分钟120m～200m。钻机连接的泥浆泵，每分钟可运送140升泥浆，泵压能达到12MPa。规格质量是长宽均是4.5m，钻机整体的质量为1800公斤。

图1 XD800型90度工况示意图

2 便携式全液压钻机应用过程

2.1 搭建机台

按照具体项目的现场条件，设置机台。如果覆盖层偏厚，应当先平整土地，以保证机台结构稳定。此外，机台占地为4.5m长的正方形，在确保勘查过程顺利开展的基础上，有效控制场地的应用量[2]。

2.2 锚固处理

在项目作业现场，需着重把控钻孔倾斜角度，为确保钻机能拥有稳定作业的条件，可设置地锚孔，连接铁链，把钻机和台体稳定连接起来。在设置此种孔洞时，要保证其深度接近甚至到达基岩，而且此孔洞需和钻探孔相互独立，二者相邻孔壁间距至少要达到150mm。比如选择BTW口径的钻具，在钻进到设定深度时，需更换地锚头。而为使烧结锚头期间，不干扰水龙头原本的密封效果，需摘掉下钻到孔底，进行无泥浆的重复烧结，之后利用铁链固定于枕木上。

图2 独立密封圈式的水龙头结构图

2.3 钻进作业

在实际地质勘查期间，需基于工地现场情况，根据地层情况，将钻进划分出多个阶段。在遇到冰层等特殊地质条件时，考虑到塌孔的问题，进尺效率会偏低。对此，可选择NTW口径规格的钻具，以保障钻进速度。

2.4 投放取心

以XD800型钻机为例，可选择绳索取心，获取岩心。配备的动力头是可翻转结构，以便打捞工具的高效下放。比如，应用3m规格的岩心管，支持钻进2根钻杆，利于压缩打捞岩心作业的时长，提高钻探的效率。全孔段采取岩心的过程，基本上能满足现有工程标准，而且由于支出配备排绳机构，能有效避免咬绳、压绳等现象的出现。

2.5 快速起下钻

XD800型的此种钻机，能借助油缸，直接推动力头，和底部夹持部件相互配合，能快速拧拆及加接1.5m规格的钻杆。单就拧卸操作过程来说，动力头上行到设定点位后，使用夹持器固定钻杆。在动力头反转的过程中，卸掉丝扣，而后将动力头下行到孔口的位置。和以往立轴式的钻机相较，便携式在拧卸操作上，更为简便，支持高效加减钻杆，省去诸多作业时间，减轻人工强度。

2.6 复杂地层

在钻探期间，要保证孔壁结构稳定。如果地层条件较为复杂，可在钻孔中，不间断进行扫孔，并适当调整泥浆的配备，强化对纤维素等原料的管控。而且在保障孔壁稳定的过程中，把岩石粉末冲到地面，有序经过若干缩径段。

3 便携式全液压钻机应用效果分析

在面对类似的钻探任务，便携式与立轴式的钻机有明显差异，前者应用效果更佳显著。前者台月效率以及平均时效，能达到后者1.5倍～2倍左右。现实应用中，如果工期是49日，应用前者时，钻进作业的时长可能在20日左右，并耗费10日左右完成搬运及组装，其余时间则用于等待布置。但倘若选用后者，钻进作业时长就能接近30日，其余工期则全部耗费在搬运及安设任务上。由此来说，便携式的此类钻机，钻进时效及辅助时间安排，都优于立轴式的钻机。在日后勘查中，缩短停待的时长，能进一步提升作业效率。并在一般项目条件下，此类钻机能一个月完成800m的任务。

3.1 成本效益

XD800型的钻机，市场购置价格在120万左右，而国产立轴式的钻机，在保证同等性能的前提下，价格仅有50万左右。应用成本上，便携式与立轴式对比，前者年折旧额接近后者的3倍左右，而且此项成本支出为固定不变的。在使用年限增加中，其单位折旧费会有所减少。钻具消耗方面，如果应用寿命是8000m，再加上钻头与扩孔器的应用，钻具的单位成本接近每米24元。而立轴式的钻机，如果应用寿命同样是8000m，结合其他部件的消耗，钻具单位成本不足每米17元。另外，燃油使用上，便携式钻机配备三台33kW规格的发动机，立轴式钻机则连接100kW规格的发电机组。结合二者钻进情况，前者进尺每米需耗用8公斤左右的燃油，后者则为每米6公斤。而出现此种情况的原因一般为液压传动及消耗功率上的问题。

两种钻机在收益上的比较，假设年任务量足够，施工时间为九个月，钻探费用按照每米450元计算，燃油是每公斤8.5元。通过对比，综合成本及收益，便携式钻机的毛利润更高，其经济效益较佳。选择应用便携式机钻机，前期投入的机械购进成本品高，但其钻进效率远超过立轴式钻机，因而便携式钻机能在短期能回收成本。

3.2 应用优点

由于其支持倾角区间是45°～90°，所以能用小倾角的勘探项目中。加之配备薄壁的钻具及钻杆等，切削截面相对偏小，利于提升进尺效率，由于常规绳索取心的钻机结构。和立轴式钻机比较，因为给进行程较长，使出现岩心断裂及堵塞情况的几率较低，尤其在应对破碎地层时，能迅速通过。此外，该种便携式钻机，仅安设支架，不用进行上塔作业，能避免高空操作的安全问题。技术员所使用的操作系统，设置成仪表形式，便于操作。另外，钻机为模块化结构，柴油机是其中最重的部分，但也仅有180公斤，无运输及安设难度，确实省去搬运及组装的时间，特别在交通条件不佳的地区。如果勘查任务在山区及林地等，不用建设临时通道，避免损害过多植被，维护原有生态，由此也减少在临时用地上的资金投入费用。

3.3 台月效率

在实地勘查中，需把钻孔根据深度进行分类，经过比较分析，便携式钻机在装配NTW口径的工具时，最佳钻孔效率通常在150m～175m之间，并且终孔深度大于250m时，会出现大幅降低，而且台月效率同样出现明显降低。造成效率低下的原因，通常是：孔深大于200m后，钻杆重量及孔中阻力均会提高，转速下降，由此造成小时效率的变化；在孔深不断加大中，辅助时间会延长，造成台月效率下降。

3.4 应用缺点

和立轴式钻机相比，因为其是由液压驱动，除此之外没有其他的辅助，导致实际抗拔与应对孔中事故的水平不高。另外，正常钻进条件中，冲洗液无法重复应用，提高作业成本，而且不适用距离水源较远与缺水的工作环境。在处理复杂地层中，为确保冲洗液的应用效果，往往会配备清水循环体系，控制液压油的温度。并且由于液压手把的反应极为灵敏，如果出现频繁操作的情况，可能出现误操作的问题。同时，和常规立轴式钻机对比，便携式的配件市价更高，使得勘查成本增多[3,4]。

4 结语

根据便携式钻的应用情况，笔者得出几点结论。首先，此类钻机拥有高效、易运输、高适应度等特点，可用于钻孔不深、移动频繁及交通不便的项目中。其次，钻孔作业延伸到坑槽及探槽上，能在控制对生态损害的同时，也满足地质勘查需要。再次，以环保与扩展施工的角度来说，应当配备电动机，扩大钻探范围，提升钻机对作业环境的适应性。最后，应优化泥浆泵，支持固相泥浆使用，促使冲洗液重复应用。