引言

 

  地質(zhì)調(diào)查勘探工程通常由鉆探、坑探、槽探及物探四部分組成，水文地質(zhì)鉆探是整個水文地質(zhì)調(diào)查勘探工程中最為重要的一個部分。顧名思義，水文地質(zhì)鉆探即是為查明地下水的埋藏條件、運(yùn)動規(guī)律、水質(zhì)、水量等水文地質(zhì)條件,以獲取合理開發(fā)及利用地下水所需資料而采用的一種主要技術(shù)手段及方法。文章通過對地質(zhì)鉆探技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及意義的分析，進(jìn)一步對地質(zhì)鉆探的技術(shù)和方法進(jìn)行探討。

 

  1.地質(zhì)鉆探技術(shù)現(xiàn)狀及意義

 

  目前來說地質(zhì)鉆探是對地下水進(jìn)行研究最可靠也是最重要的手段，因此，地質(zhì)鉆探技術(shù)及方法愈發(fā)受到水文工作者的重視。盡管地質(zhì)鉆探技術(shù)在地質(zhì)勘探的過程中應(yīng)用廣泛，但由于其設(shè)計未得到及時的更新，所以技術(shù)水平相對來說還比較落后。例如當(dāng)前只能依賴進(jìn)口的液壓動力鉆頭；金剛石繩索鉆探取芯法盡管在國內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，但由于操作技術(shù)的落后使其潛能未能得到充分發(fā)揮。雖然有一些新的地質(zhì)鉆探技術(shù)應(yīng)用于勘探工程當(dāng)中，但涉及的范圍還有待擴(kuò)大。

 

  換個層面來看，國家和地方政府雖然對現(xiàn)階段的地質(zhì)鉆探工作極力支持，且基本常用的鉆探技術(shù)方法也有，但可能由于國內(nèi)先進(jìn)鉆機(jī)的研制能力不夠，會直接導(dǎo)致地質(zhì)鉆探過程中出現(xiàn)一系列的問題。為此，需要對地質(zhì)鉆探新技術(shù)的研發(fā)加大力度，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)以便能夠縮小國外與國內(nèi)鉆探技術(shù)的差距。

 

  由于地質(zhì)鉆探技術(shù)涉及的范圍比較廣，其中包括礦產(chǎn)資源、地質(zhì)狀況及地下水開發(fā)等。因此，地質(zhì)鉆探技術(shù)的發(fā)展對人類的生活和生產(chǎn)活動會造成一定程度上的影響。首先，地質(zhì)鉆探是各種地質(zhì)試驗的必備工程，同時也是對地質(zhì)測繪、物探成果的檢驗手段。其次，伴隨著地質(zhì)鉆探階段的逐漸深入，地質(zhì)鉆探工作量在礦產(chǎn)地質(zhì)勘察全程中具有關(guān)鍵性的作用及地位。由于地質(zhì)鉆探的設(shè)備較為沉重，施工技術(shù)較為復(fù)雜，成本昂貴且工期較長，因此地質(zhì)鉆探對整個礦產(chǎn)地質(zhì)勘察項目的完成及投資起著決定性的作用。所以對地質(zhì)鉆探技術(shù)方法的研究勢在必行。

 

  2.地質(zhì)鉆探的技術(shù)與方法

 

  由于地質(zhì)鉆孔在地質(zhì)調(diào)查勘探的過程中會碰到不同硬度的巖層，因此根據(jù)巖層的結(jié)構(gòu)選用正確的鉆進(jìn)方法極為重要。其常用的鉆進(jìn)方法包括正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、機(jī)械沖擊鉆進(jìn)及特殊鉆進(jìn)技術(shù)與特種工藝[2]。以下主要對前三種鉆進(jìn)方法及技術(shù)參數(shù)予以詳細(xì)分析闡述。

 

  2.1正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)

 

  正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法主要包括鉆機(jī)的就位、初鉆、鉆進(jìn)速度、泥漿性能及鉆孔位置的準(zhǔn)確。其中在鉆進(jìn)速度的控制上要根據(jù)土層的性質(zhì)來進(jìn)行調(diào)整，比如在粘質(zhì)土中鉆進(jìn)時，由于泥漿粘性大，鉆錐所受阻力太大，因此在正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時最好選用尖底鉆錐、中等轉(zhuǎn)速、大泵量、稀泥漿鉆進(jìn)。

 

  （1）基本方法：根據(jù)鉆孔直徑和深度對鉆具級配進(jìn)行合理選擇，且按照GB9808-9812和DZ/T0008標(biāo)準(zhǔn)來要求鉆具的規(guī)格、質(zhì)量和技術(shù)。鉆進(jìn)時鉆桿在孔內(nèi)位置應(yīng)定期倒換，淺孔可抽上換下，深孔宜用抽中間換兩頭的方法交替使用。鉆孔換徑時，應(yīng)使用異徑導(dǎo)向鉆具鉆進(jìn)，導(dǎo)向鉆具長3～5m。

 

  大口徑鉆進(jìn)，若示量不能使孔內(nèi)沖洗液上返速度達(dá)到0.1m/s時，宜在鉆具組合中增加取粉管，回次鉆進(jìn)結(jié)束時要沖孔撈渣。鉆進(jìn)過程中要隨時注意孔內(nèi)情況變化，若出現(xiàn)回轉(zhuǎn)阻力增大，負(fù)荷突變，泥漿壓力 不足或蹩泵，孔口返漿減少或不返漿、巖心堵塞以及鉆速突然降低等異狀時，要立即采取措施，經(jīng)處理無效時要及時提鉆檢查。停鉆時，鉆具不準(zhǔn)在孔底停放，必須將鉆具提至孔外或安全孔段。

 

  （2）牙輪鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)  鉆壓：宜達(dá)到所鉆巖石的破碎強(qiáng)度值，并結(jié)合設(shè)備能力和鉆具強(qiáng)度等安全因素合理選擇。按鉆頭直徑單位長度所需壓力計算：在中硬以上較硬巖層中鉆進(jìn)宜采用3～4kN/cm， 在中硬以下較軟地層中鉆進(jìn)可采用1～3kN/cm。轉(zhuǎn)速：線速度以0.8～1.5m/s為宜，遇卵礫石層或嚴(yán)重破碎地層可降低到0.6m/s；地層完整、硬度較低、鉆孔較淺時，可采用快速，用常規(guī)口徑鉆進(jìn)的轉(zhuǎn)速為70～200r/min，大口徑為30～60r/min。泵量：以滿足沖洗液上返速度0.1～0.5m/s為宜，有條件時應(yīng)選大值。

 

  2.2反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)

 

  反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)是指攜帶巖屑的鉆探?jīng)_洗介質(zhì)經(jīng)過鉆桿內(nèi)孔返回地面的鉆進(jìn)方法。與常規(guī)循環(huán)方式的鉆進(jìn)相比，反循環(huán)鉆進(jìn)的液流上返速度快，攜帶巖粉能力強(qiáng)，且孔底被鉆下的巖石能夠及時的排出并迅速返回地表。

 

  （1）基本方法：一般采用“水壓”鉆進(jìn)，即自開孔至完孔的全過程中，要保持水源池與孔內(nèi)連通，注滿孔內(nèi)液體。在地下水位小于3m的松散易坍塌地層鉆進(jìn)時，必須采取可靠措施進(jìn)行護(hù)壁。

 

  要求循環(huán)管路中，內(nèi)壁光滑沒有變徑和凹凸臺面，避免巖屑堵塞管路。所用鉆頭適合于反循環(huán)鉆進(jìn)，其鉆頭的水口應(yīng)利于巖屑吸入。下鉆時，不能將鉆具直接下到孔底，應(yīng)在距孔底0.3～0.5m處開始循環(huán)，待排渣口出水后，邊回轉(zhuǎn)邊下鉆。鉆進(jìn)中要隨時觀察排渣情況，并及時調(diào)整鉆進(jìn)速度，必要時提動鉆具，停止進(jìn)尺，待排渣正常后再繼續(xù)鉆進(jìn)。要挖設(shè)專用供水池，以防孔內(nèi)突然漏水能及時補(bǔ)充。其供水池容積為鉆孔體積的3～5倍。

 

  （2）射流反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)：鉆桿內(nèi)流體上返速度一般控制在3～4m/s。鉆桿內(nèi)巖屑含量一般不得超過8%～10%，孔淺時取大值，孔深時取小值。鉆桿內(nèi)徑應(yīng)根據(jù)鉆孔直徑的大小來選擇，一般鉆桿內(nèi)徑不得小于鉆孔直徑的1/10，且不宜小于70mm。鉆孔直徑愈大，所需射流泵引射流流量相應(yīng)增加，鉆孔直徑為300～500mm時，其泵量為：120～150m3/h。 一般采用低鉆壓慢轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。轉(zhuǎn)速為15～40r/min，鉆壓根據(jù)地層和鉆頭直徑來合理確定，一般鉆頭直徑單位長度壓力為0.6kN/cm。

 

  2.3沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)

 

  沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)是指通過利用沖擊及回轉(zhuǎn)兩種方式進(jìn)行同時碎巖的鉆探方法，其主要是在回轉(zhuǎn)的鉆桿柱下端及取芯鉆具之間安裝潛孔沖擊器，以便能夠使沖擊脈沖、軸向鉆頭壓力及鉆桿回轉(zhuǎn)扭矩同時作用于鉆頭上，實現(xiàn)鉆進(jìn)與采取巖心。其主要的優(yōu)勢在于能夠大幅度提高硬巖層鉆速及回次進(jìn)尺的長度，減少鉆孔彎曲的程度，極大降低了鉆探成本。

 

  （1）潛孔錘取心鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)  風(fēng)量、風(fēng)壓：取心鉆進(jìn)所用風(fēng)量和風(fēng)壓較不取心潛孔錘鉆進(jìn)要低。一般風(fēng)量為6～15m3/min；風(fēng)壓為0.7～1.5MPa。鉆壓、轉(zhuǎn)速：鉆壓不要太高，一般為8～12kN，轉(zhuǎn)速與普通潛孔錘鉆進(jìn)相同。

 

  （2）潛孔錘空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)  溶液濃度：應(yīng)根據(jù)泡沫性質(zhì)、孔內(nèi)涌水量合理確定溶液配制濃度。十二烷基苯一般濃度為0.6～1.0%，若孔內(nèi)涌水量大時，溶劑易被稀釋可加大其濃度。灌注量與氣液比：應(yīng)根據(jù)孔內(nèi)涌水量、鉆進(jìn)速度、巖屑顆粒大小和送風(fēng)量等因素，合理確定泡沫溶液灌注量。其量應(yīng)不小于孔內(nèi)涌水量，一般灌注量為4～6L/min。灌注量與風(fēng)量之比即為液氣比，一般為1/100～1/300。風(fēng)量與風(fēng)壓：氣液上返速度為常規(guī)潛孔錘鉆進(jìn)的1/15～1/20就可排渣，所以空氣泡沫鉆進(jìn)風(fēng)量、風(fēng)壓均低于常規(guī)潛孔錘鉆進(jìn)，一般風(fēng)量2～3m3/min，風(fēng)壓為0.6MPa即可。鉆壓與轉(zhuǎn)速：鉆壓低于常規(guī)潛孔錘鉆進(jìn)，一般為8～12kN，轉(zhuǎn)速可略高于常規(guī)潛孔錘鉆進(jìn)，一般為20～40r/min。

 

  2.4地質(zhì)觀測

 

  地質(zhì)觀測主要是在進(jìn)行地質(zhì)鉆探的工作時記錄的相關(guān)地質(zhì)資料。其詳細(xì)內(nèi)容包括了鉆孔中水位的變化、消耗漏失沖洗液情況、涌水位置、出水量、水溫異常及遇溶洞、老巷、大裂隙、流砂及鉆具突然掉落的層位和深度。

 

  （1）觀測水位：在進(jìn)行水位觀測時，有二種情況：一是清水為沖洗液時，應(yīng)間隔5分鐘以上于提鉆后、下鉆前各對水位進(jìn)行測量，當(dāng)層次出現(xiàn)漏水嚴(yán)重的現(xiàn)象時，應(yīng)該采取穩(wěn)定或近似穩(wěn)定的水位觀測方法。二是泥漿為沖洗液時，鉆孔通常無需進(jìn)行水位觀測，其主要的測量方法是在沖洗液鉆進(jìn)中，憑借孔內(nèi)水位變化的深度來進(jìn)行判斷。如潛水的初見水位等同于穩(wěn)定水位，承壓水德穩(wěn)定水位高于初見水位。

 

  （2）觀測消耗沖洗液情況：在進(jìn)行水文地質(zhì)鉆探的工作時，最能反映巖層透水性變化的是沖洗液消耗量，因此，對沖洗液消耗量的觀測也極為重要。當(dāng)鉆孔穿透含水層地板，出現(xiàn)沖洗液大量消耗及漏失現(xiàn)象時，需要間隔10-30分鐘對沖洗液的消耗量及漏失情況進(jìn)行觀測。

 

  （3）觀測地質(zhì)構(gòu)造活動性:在新構(gòu)造運(yùn)動活躍的地區(qū)，為監(jiān)測活動斷層的位移和地應(yīng)力場的變化，要用精密水準(zhǔn)測量大地形變；對垂直活動斷層帶，定期進(jìn)行短水準(zhǔn)測量；同時設(shè)置專門地震臺網(wǎng)，監(jiān)測微地震和有感地震的活動，用以分析區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定，以及水庫地震發(fā)生和發(fā)展的可能性。

 

  3.地質(zhì)鉆探新技術(shù)的應(yīng)用

 

  隨著社會經(jīng)濟(jì)不斷的飛速發(fā)展，地質(zhì)鉆探技術(shù)也在不斷的革新，因此，為適應(yīng)區(qū)域的鉆探技術(shù)，提高鉆探效率及保質(zhì)保量的要求，地質(zhì)鉆探新技術(shù)的應(yīng)用推廣也勢在必行。

 

  （1）空氣鉆探技術(shù)：空氣鉆探技術(shù)主要是指通過壓縮空氣作為鉆進(jìn)時的循環(huán)沖洗介質(zhì)的鉆進(jìn)工藝方法。其特點(diǎn)是其低密度介質(zhì)加快了碎巖速度，在不穩(wěn)定地層中對孔壁進(jìn)行良好的保護(hù)。該技術(shù)的應(yīng)用不僅很大程度上提高了地質(zhì)鉆探的速度及質(zhì)量，而且也產(chǎn)生了較為巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益。

 

  （2）繩索取芯鉆探技術(shù)：此技術(shù)因?qū)Φ讓舆m應(yīng)性高而在地質(zhì)取芯鉆探中應(yīng)用較為廣泛，其不僅能夠減少鉆具升降次數(shù)，減少巖心腐蝕，而且能夠增加純鉆進(jìn)時間，進(jìn)而使巖心采取率達(dá)到90-100%。

 

  （3）液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)：此技術(shù)是基于回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的前提下，增加洗井液驅(qū)動并對液動潛孔錘加以利用。一方面其本身能夠產(chǎn)生一定的沖擊能量，另一方面也從很大程度上提高底層鉆探效率。近年來，此技術(shù)已應(yīng)用于地下水勘查及地質(zhì)巖心鉆探等地質(zhì)勘察領(lǐng)域中，并且促進(jìn)了良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

 

  （4）受控定向鉆探技術(shù)：此技術(shù)主要是通過孔底馬達(dá)及彎接頭控制方向順著設(shè)計好的軌跡進(jìn)行的鉆進(jìn)工藝。其應(yīng)用于水文地質(zhì)鉆探中不僅能夠更好地擴(kuò)大地?zé)峋?/a>的采集面積及增加鉆孔豐富的出水量，而且能夠在一個主孔的基礎(chǔ)上延伸出深度方向不一的分枝孔，因此大幅度提高了鉆探效率，同時也節(jié)約了鉆探成本。

  綜上所述，地質(zhì)鉆探技術(shù)與方法在礦產(chǎn)地質(zhì)勘查中的運(yùn)用，能夠更好地為社會經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)展服務(wù)。但由于目前我國在地質(zhì)鉆探技術(shù)方面的應(yīng)用現(xiàn)狀中還存在著一些不足及問題，因此，本文基于地質(zhì)鉆探技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及意義分析的前提下，進(jìn)一步對地質(zhì)鉆探的技術(shù)和方法進(jìn)行了探討與分析，并大致的介紹了地質(zhì)鉆探新技術(shù)的應(yīng)用情況，以便能夠為礦產(chǎn)的開發(fā)提供些許有價值的參考建議。