MGD-S50Ⅱ型聲頻振動(dòng)鉆機(jī)應(yīng)用試驗(yàn)及優(yōu)化研究

陸衛(wèi)星，吳浩，任曉飛

(中國煤炭地質(zhì)總局第二勘探局綠色勘查技術(shù)裝備研究院，河北涿州 072750)

0 引言

2016年，中國煤炭地質(zhì)總局第二勘探局綠色勘查技術(shù)裝備研究院鉆機(jī)研發(fā)團(tuán)隊(duì)在第一代YSZ-50型聲頻環(huán)保鉆機(jī)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化整機(jī)結(jié)構(gòu)布局、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和聲頻動(dòng)力頭部件，研發(fā)成功MGD-S50Ⅱ型聲頻環(huán)保振動(dòng)鉆機(jī)，技術(shù)性能進(jìn)一步提升。

為進(jìn)一步檢驗(yàn)MGD-S50Ⅱ型聲頻環(huán)保振動(dòng)鉆機(jī)在極限負(fù)載條件下的工作穩(wěn)定性，優(yōu)化完善鉆機(jī)并研制聲頻環(huán)保鉆機(jī)配套鉆具，2019年中煤地第二勘探局集團(tuán)有限責(zé)任公司設(shè)立“MGD-S50Ⅱ型聲頻振動(dòng)鉆機(jī)極限深度試驗(yàn)及優(yōu)化研究”科研項(xiàng)目，以檢驗(yàn)設(shè)備性能并優(yōu)化設(shè)計(jì)鉆機(jī)。

1 鉆機(jī)特點(diǎn)及研究內(nèi)容

1.1 鉆機(jī)特點(diǎn)

①引入工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)理念，具有固定操作臺(tái)及可旋轉(zhuǎn)操作臺(tái)，提高了操作的舒適度和安全性；②采用模塊化設(shè)計(jì)、方便產(chǎn)品的系列化改型及整機(jī)部件更換與維修[1,2]；③優(yōu)化集成液壓系統(tǒng)，采用液壓先導(dǎo)控制技術(shù)及電控技術(shù)，大幅度提升鉆機(jī)的操控性能；④配備超高頻動(dòng)力頭，振動(dòng)力大，處理孔內(nèi)事故能力強(qiáng)，配有低速大扭矩馬達(dá)，可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)、回轉(zhuǎn)、振動(dòng)+回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式，鉆進(jìn)速度快，比常規(guī)鉆探提高100%～200%，遇軟土層鉆進(jìn)效率更高；⑤取樣質(zhì)量高，采樣率高，對(duì)樣品擾動(dòng)小，可連續(xù)獲取大直徑的樣品；⑥配有多種取樣鉆具，適用于軟土、硬土、砂卵石、巖石等各類地層，地層適應(yīng)性廣；⑦可滑移桅桿，提高了鉆機(jī)的工作穩(wěn)定性，自行走履帶底盤，爬坡能力強(qiáng)，搬遷移動(dòng)靈活。

1.2 研究內(nèi)容

1.2.1 總體方案

(1)開展極限振動(dòng)深度試驗(yàn)。測(cè)試不同地層的聲頻振動(dòng)極限深度試驗(yàn)，研究不同地層的聲頻振動(dòng)鉆探技術(shù)方法，監(jiān)測(cè)不同地層的鉆進(jìn)壓力，獲取聲頻振動(dòng)鉆探速度和取樣率數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)和研發(fā)適用不同地層的鉆桿、鉆具和鉆頭[3,4]。

(2)優(yōu)化改進(jìn)鉆機(jī)。檢測(cè)鉆機(jī)的技術(shù)參數(shù)，測(cè)試鉆機(jī)尤其聲頻動(dòng)力頭在極限負(fù)載條件下的工作穩(wěn)定性，測(cè)試鉆機(jī)在不同地質(zhì)工況的適應(yīng)性，進(jìn)一步優(yōu)化完善鉆機(jī)結(jié)構(gòu)。

1.2.2 技術(shù)路線

采取技術(shù)路線：極限深度試驗(yàn)→鉆機(jī)測(cè)試+樣品采集+數(shù)據(jù)匯總分析→試驗(yàn)報(bào)告+改進(jìn)技術(shù)完善優(yōu)化鉆機(jī)+項(xiàng)目驗(yàn)收+產(chǎn)品推廣。

1.3 場(chǎng)地試驗(yàn)及推廣應(yīng)用

1.3.1 污染場(chǎng)地調(diào)查及環(huán)境監(jiān)測(cè)井建造

在山東濱州成功開展首例環(huán)境污染場(chǎng)地調(diào)查試驗(yàn)應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖1，得到南京貽潤環(huán)境科技有限公司的認(rèn)可，獲得高度評(píng)價(jià)。一是鉆孔深度深，超過現(xiàn)場(chǎng)Geoprobe鉆機(jī)，承擔(dān)了深層驗(yàn)證孔的勘探任務(wù)；二是取樣質(zhì)量高，樣品無污染；三是取樣直徑大，能夠獲取直徑80 mm樣品，而Geoprobe環(huán)保鉆機(jī)利用塑料管取樣鉆機(jī)僅能獲取直徑28 mm樣品；四是振動(dòng)下入和起拔套管的速度快，效果好，處理復(fù)雜地層能力強(qiáng)。

圖1 山東濱州污染場(chǎng)地調(diào)查

1.3.2 山西尾礦庫勘察

圓滿完成山西尾礦庫閉庫勘察野外試驗(yàn)應(yīng)用，得到北京建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院的高度認(rèn)可，提交“尾礦壩閉庫勘察野外試驗(yàn)應(yīng)用報(bào)告”，取得“工程應(yīng)用評(píng)價(jià)報(bào)告”。工程試驗(yàn)過程中不需泥漿，最大程度地避免了對(duì)赤泥庫壩體的損壞；整體取樣質(zhì)量高，實(shí)現(xiàn)靜壓或超高頻振動(dòng)鉆探的薄壁取樣，對(duì)土體擾動(dòng)較??；鉆進(jìn)速度快，比常規(guī)SH30鉆機(jī)快一倍；鉆孔深度較深(>35 m)，且有大量塊石和卵石， SH30鉆機(jī)無法施工，MGD-S50Ⅱ鉆機(jī)可驅(qū)動(dòng)螺旋鉆具和刮刀鉆頭破除塊石和卵石后下入半合管取樣；與相比常規(guī)鉆機(jī)SH30比較，操作舒適、行走安全、大量節(jié)約人力成本。

1.3.3 開展場(chǎng)地極限振動(dòng)深度試驗(yàn)應(yīng)用

在河北涿州完成15個(gè)場(chǎng)地勘探孔，其中孔徑115 mm的單孔最大鉆深52.85 m，取得良好的工程應(yīng)用效果。

整個(gè)試驗(yàn)過程揭露的地層劃分為8大層和1個(gè)亞層，第1層地下水位埋深在12～13 m處，試驗(yàn)區(qū)地層自上而下依次為：

①層雜填土，雜色，以磚塊、灰渣、混凝土碎塊及石子等為主，層位標(biāo)高0～-1.3 m；

②層粉土，褐黃色，稍濕，稍密，層位標(biāo)高-1.3 ～-14.2 m；

③層淤泥，灰色，很濕，層位標(biāo)高-14.2 ～-15.2 m；

④層黏土，褐黃色和黃褐色，很濕，可塑，層位標(biāo)高-15.2 ～-29.5 m；

⑤層細(xì)砂，灰褐色，飽和，中密，含石英、云母、長石等，層位標(biāo)高-29.5 ～-31.8 m；

⑥層粗砂夾卵石，雜色，飽和，密實(shí)，亞圓為主，卵石占50%以上，一般直徑3～5 cm，最大直徑6 cm，鉆進(jìn)困難，層位標(biāo)高-31.8～-39.7 m；

⑦層黏土，黃褐色，可塑，層位標(biāo)高-39.7 ～-51.25 m；

⑧層砂土夾卵石，黃褐色，可塑，層位標(biāo)高-51.25～-52.25 m。

通過試驗(yàn)檢驗(yàn)了鉆機(jī)在極限振動(dòng)深度下的工作性能，主要表現(xiàn)在：①取樣質(zhì)量高，全孔采取無泥漿聲頻鉆探方式，獲取了原狀、連續(xù)的粉土、黏土和粉砂樣品，樣品質(zhì)量高；②鉆探速度快，平均鉆速5 m/h，循環(huán)鉆速達(dá)9 m/h；③取樣直徑大，代表性強(qiáng)，能獲取直徑96 mm樣品，遠(yuǎn)大于其他直推式環(huán)保鉆機(jī)的取樣直徑；④整機(jī)結(jié)構(gòu)美觀，布局合理，性能優(yōu)越。

2 MGD-S50Ⅱ型鉆機(jī)特點(diǎn)及創(chuàng)新

2.1 鉆機(jī)特點(diǎn)

①高頻振動(dòng)鉆進(jìn)，不用泥漿、泡沫等介質(zhì)，綠色環(huán)保；②可適應(yīng)復(fù)雜地層，無污染，取樣質(zhì)量高、擾動(dòng)小、直徑大，取樣率高；③鉆進(jìn)速度快，振動(dòng)起下套管速度快；④振動(dòng)鉆進(jìn)解決卡鉆問題，處理孔內(nèi)事故能力強(qiáng)。

2.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

廣泛開展不同地質(zhì)環(huán)境的極限振動(dòng)深度試驗(yàn)及應(yīng)用推廣試驗(yàn)，持續(xù)的優(yōu)化完善鉆機(jī)[5,6]。鉆機(jī)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括：①創(chuàng)新采用側(cè)面橡膠減振結(jié)構(gòu)、側(cè)面防松螺栓緊固方式，提高優(yōu)化提高聲頻動(dòng)力頭的工作可靠性；②研制成功雙管塑料管鉆具、半合管鉆具、半合管鉆具快速固定裝置、合頁板鉆頭和金屬爪簧片鉆頭等適用于復(fù)雜地層的鉆桿、鉆具和鉆頭；③通過優(yōu)化增設(shè)動(dòng)力頭側(cè)移機(jī)構(gòu)和動(dòng)力頭提引器，提高鉆探效率；④創(chuàng)新使用刮刀鉆頭及螺旋鉆桿、套管內(nèi)振動(dòng)下入半合管鉆具等復(fù)雜地層的聲頻振動(dòng)鉆探工藝方法[7-9]。

3 與國內(nèi)外同類技術(shù)的綜合比較

表1為MGD-S50Ⅱ型聲頻振動(dòng)鉆機(jī)的技術(shù)參數(shù)與無錫雙帆鉆鑿設(shè)備有限公司的YGL-S50型聲波鉆機(jī)、美國Geoprobe 7822DT環(huán)保取樣鉆機(jī)及荷蘭荷蘭SonicSamp Drill公司CRS型聲波鉆機(jī)的對(duì)比表。由表1可見，MGD-S50Ⅱ型聲頻振動(dòng)鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)部分超過YGL-S50型聲波鉆機(jī)。在濱州場(chǎng)地試驗(yàn)應(yīng)用中，MGD-S50Ⅱ型聲頻振動(dòng)鉆機(jī)的鉆深和取樣直徑遠(yuǎn)超過在同一現(xiàn)場(chǎng)施工的美國Geoprobe環(huán)保鉆機(jī)，MGD-S50Ⅱ鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先的荷蘭SonicSampDrill公司同類產(chǎn)品的技術(shù)性能，但在動(dòng)力頭可靠性和整機(jī)美觀性等方面仍有差距。

表1 MGD-S50Ⅱ型聲頻環(huán)保鉆機(jī)與國內(nèi)外常用類型環(huán)保鉆機(jī)各類參數(shù)對(duì)比表

4 第三方評(píng)價(jià)

中國煤炭地質(zhì)總局第二勘探局集團(tuán)有限責(zé)任公司自主研發(fā)的MGD-S50Ⅱ型聲頻振動(dòng)環(huán)保鉆機(jī)近幾年來開展多項(xiàng)場(chǎng)地極限深度試驗(yàn)與野外應(yīng)用試驗(yàn)推廣，獲得市場(chǎng)多方認(rèn)可，并獲得使用方的工程應(yīng)用評(píng)價(jià)報(bào)告。

4.1 建設(shè)綜合勘察設(shè)計(jì)院有限公司應(yīng)用評(píng)價(jià)

2018年5月，在山西鋁業(yè)上封村赤泥庫閉庫勘察中用于壩體鉆孔取心，取得良好使用效果，獲得建設(shè)綜合勘察設(shè)計(jì)院有限公司應(yīng)用評(píng)價(jià)：①不需泥漿，最大限度地避免了對(duì)赤泥庫壩體的損壞；②取樣質(zhì)量高，實(shí)現(xiàn)靜壓或超高頻振動(dòng)鉆探的薄壁取樣，對(duì)土體擾動(dòng)較小；③鉆進(jìn)速度快，比常規(guī)SH30鉆機(jī)快一倍；④地層適用范圍廣、鉆孔深度大，鉆孔深度較深(>35 m)，且有大量的塊石和卵石，SH30鉆機(jī)無法施工，MGD-S50Ⅱ型聲頻振動(dòng)環(huán)保鉆機(jī)可驅(qū)動(dòng)螺旋鉆具和刮刀鉆頭破除塊石和卵石后下入半合管取樣；⑤相比SH30等常規(guī)鉆機(jī)，操作舒適、行走安全、節(jié)省人力；⑥通過進(jìn)一步大幅提高鉆探效率、配套各類地層的專用取樣鉆具、降低成本，必將會(huì)在尾礦壩勘察、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查等新興市場(chǎng)領(lǐng)域得到更多的推廣和應(yīng)用。

4.2 南京貽潤環(huán)境科技有限公司應(yīng)用評(píng)價(jià)

2018年9月，參與了生態(tài)環(huán)境規(guī)劃院濱州污染場(chǎng)地調(diào)查項(xiàng)目，取得良好的使用效果，獲得南京貽潤環(huán)境科技有限公司應(yīng)用評(píng)價(jià)：①鉆孔深度深，超過Geoprobe鉆機(jī)，承擔(dān)了深層驗(yàn)證孔的勘探任務(wù)；②取樣質(zhì)量高，樣品無污染；③取樣直徑大，能夠獲取直徑80 mm樣品，而Geoprobe環(huán)保鉆機(jī)利用塑料管取樣鉆機(jī)僅能獲取直徑28 mm樣品；④振動(dòng)下入和起拔套管的速度快，效果好；⑤通過進(jìn)一步優(yōu)化卷揚(yáng)和動(dòng)力頭讓開機(jī)構(gòu)，大幅減少輔助時(shí)間，提高鉆探效率，必將在環(huán)境污染調(diào)查市場(chǎng)具有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。

4.3 北京市地質(zhì)勘察院應(yīng)用評(píng)價(jià)

2019年5月，在北京安泰科技廠區(qū)污染場(chǎng)地調(diào)查項(xiàng)目中，圓滿完成“獲取6 m鉆孔深度范圍內(nèi)原狀連續(xù)的地層樣品”目標(biāo)任務(wù)，取得良好的使用效果，獲得北京市地質(zhì)勘察院應(yīng)用評(píng)價(jià)：①取樣質(zhì)量高，全孔采取無泥漿聲頻鉆探方式，獲取了原狀、連續(xù)的粉土、黏土和粉砂樣品，樣品質(zhì)量高；②鉆探速度快，平均鉆速5 m/h，循環(huán)鉆速達(dá)9 m/h；③取樣直徑大，代表性強(qiáng)，能獲取96 mm直徑樣品，取樣直徑遠(yuǎn)大于普通直推式環(huán)保鉆機(jī)；④整機(jī)結(jié)構(gòu)美觀，布局合理，性能優(yōu)越；⑤建議進(jìn)一步優(yōu)化采用清潔的動(dòng)力系統(tǒng)和相關(guān)結(jié)構(gòu)，必將在環(huán)保調(diào)查領(lǐng)域具有重要的市場(chǎng)推廣應(yīng)用價(jià)值。

5 項(xiàng)目推廣應(yīng)用

5.1 不同地質(zhì)環(huán)境的推廣應(yīng)用試驗(yàn)

完成山東濱州飽和軟土地區(qū)9個(gè)深層勘探孔，單孔單日最大鉆深33 m，累計(jì)進(jìn)尺近600 m，獲取連續(xù)、無污染、大直徑的深部地層樣品，得到環(huán)境系統(tǒng)應(yīng)用單位的好評(píng)并獲“工程應(yīng)用證明”[10]。

完成山西尾礦庫閉庫勘察試驗(yàn)應(yīng)用，在黃土及卵、礫石堆筑壩體完成22個(gè)勘探鉆孔，單孔最大鉆深44 m，累計(jì)進(jìn)尺800余米，獲取300余組原狀樣，得到國家綜合甲級(jí)勘測(cè)單位好評(píng)并獲“工程應(yīng)用評(píng)價(jià)報(bào)告”。

開展河北涿州場(chǎng)地極限振動(dòng)深度試驗(yàn)應(yīng)用，完成15個(gè)場(chǎng)地勘探孔，單孔最大鉆深52.85 m，超過最初50 m的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

5.2 優(yōu)化完善鉆機(jī)研發(fā)匹配的套管鉆具

在多場(chǎng)地極限試驗(yàn)過程中優(yōu)化完善鉆機(jī)近20余處，主要改進(jìn)點(diǎn)采用了可旋轉(zhuǎn)操作臺(tái)，讓操作者視野更寬，有效降低了孔口盲區(qū)，讓操作更加安全。增加了頂部桅桿的的高度，卷揚(yáng)提升鉆桿效率大大提高，此外還設(shè)計(jì)研發(fā)各類配套鉆桿、鉆具和鉆頭等20余種。通過這次極限深度試驗(yàn)及推廣應(yīng)用，明確了鉆機(jī)的下一步改進(jìn)方向和市場(chǎng)推廣方向。通過工業(yè)性試驗(yàn)，逐步認(rèn)識(shí)到在提高鉆探效率的同時(shí)，適當(dāng)減少加鉆桿和卸鉆桿的輔助時(shí)間，以達(dá)到綜合提高鉆進(jìn)的效率是鉆機(jī)未來重點(diǎn)研究的領(lǐng)域。未來研究嘗試使用繩索取心工藝，減少起下鉆桿的時(shí)間，爭(zhēng)取進(jìn)一步提高鉆探效率[11,12]。

6 結(jié)語

隨著MGD-S50Ⅱ型聲頻振動(dòng)鉆機(jī)極限深度試驗(yàn)及優(yōu)化研究項(xiàng)目的進(jìn)行和深入，為聲頻環(huán)保鉆機(jī)的進(jìn)一步研發(fā)積累了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，也為以后的研究方向也探索出適合的發(fā)展道路。當(dāng)前國內(nèi)聲頻鉆機(jī)的研發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)處于快速發(fā)展階段[13-15]，美國的 Prosonic 公司、加拿大的Sonic drill公司、荷蘭Eijkelkamp公司等國外廠商的鉆機(jī)性能及外觀設(shè)計(jì)也有著很高的參考價(jià)值，有不少值得借鑒的設(shè)計(jì)思維和優(yōu)化理念。