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，進一步對地質(zhì)鉆探的技術(shù)和方法進行探討。

 

  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。例如當前只能依賴進口的液壓動力鉆頭；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)用于勘探工程當中，但涉及的范圍還有待擴大。

 

  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)先進鉆機的研制能力不夠，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，引進先進技術(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)選用正確的鉆進方法極為重要。其常用的鉆進方法包括正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進、反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進、沖擊回轉(zhuǎn)鉆進、機械沖擊鉆進及特殊鉆進技術(shù)與特種工藝[2]。以下主要對前三種鉆進方法及技術(shù)參數(shù)予以詳細分析闡述。

 

  2.1正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進

 

  正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進方法主要包括鉆機的就位、初鉆、鉆進速度、泥漿性能及鉆孔位置的準確。其中在鉆進速度的控制上要根據(jù)土層的性質(zhì)來進行調(diào)整，比如在粘質(zhì)土中鉆進時，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)鉆進時最好選用尖底鉆錐、中等轉(zhuǎn)速、大泵量、稀泥漿鉆進。

 

  （1）基本方法：根據(jù)鉆孔直徑和深度對鉆具級配進行合理選擇，且按照GB9808-9812和DZ/T0008標準來要求鉆具的規(guī)格、質(zhì)量和技術(shù)。鉆進時鉆桿在孔內(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，導(dǎo)向鉆具長3～5m。

 

  大口徑鉆進，若示量不能使孔內(nèi)沖洗液上返速度達到0.1m/s時，宜在鉆具組合中增加取粉管，回次鉆進結(jié)束時要沖孔撈渣。鉆進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，鉆具不準在孔底停放，必須將鉆具提至孔外或安全孔段。

 

  （2）牙輪鉆進技術(shù)參數(shù)  鉆壓：宜達到所鉆巖石的破碎強度值，并結(jié)合設(shè)備能力和鉆具強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宜采用3～4kN/cm， 在中硬以下較軟地層中鉆進可采用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

 

  反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進是指攜帶巖屑的鉆探?jīng)_洗介質(zhì)經(jīng)過鉆桿內(nèi)孔返回地面的鉆進方法。與常規(guī)循環(huán)方式的鉆進相比，反循環(huán)鉆進的液流上返速度快，攜帶巖粉能力強，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，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時，必須采取可靠措施進行護壁。

 

  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，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。鉆進中要隨時觀察排渣情況，并及時調(diào)整鉆進速度，必要時提動鉆具，停止進尺，待排渣正常后再繼續(xù)鉆進。要挖設(shè)專用供水池，以防孔內(nèi)突然漏水能及時補充。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。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

 

  沖擊回轉(zhuǎn)鉆進是指通過利用沖擊及回轉(zhuǎn)兩種方式進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）潛孔錘取心鉆進技術(shù)參數(shù)  風量、風壓：取心鉆進所用風量和風壓較不取心潛孔錘鉆進要低。一般風量為6～15m3/min；風壓為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相同。

 

  （2）潛孔錘空氣泡沫鉆進技術(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、鉆進速度、巖屑顆粒大小和送風量等因素，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。灌注量與風量之比即為液氣比，一般為1/100～1/300。風量與風壓：氣液上返速度為常規(guī)潛孔錘鉆進的1/15～1/20就可排渣，所以空氣泡沫鉆進風量、風壓均低于常規(guī)潛孔錘鉆進，一般風量2～3m3/min，風壓為0.6MPa即可。鉆壓與轉(zhuǎn)速：鉆壓低于常規(guī)潛孔錘鉆進，一般為8～12kN，轉(zhuǎn)速可略高于常規(guī)潛孔錘鉆進，一般為20～40r/min。

 

  2.4地質(zhì)觀測

 

  地質(zhì)觀測主要是在進行地質(zhì)鉆探的工作時記錄的相關(guān)地質(zhì)資料。其詳細內(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、下鉆前各對水位進行測量，當層次出現(xiàn)漏水嚴重的現(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，鉆孔通常無需進行水位觀測，其主要的測量方法是在沖洗液鉆進中，憑借孔內(nèi)水位變化的深度來進行判斷。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行觀測。

 

  （3）觀測地質(zhì)構(gòu)造活動性:在新構(gòu)造運動活躍的地區(qū)，為監(jiān)測活動斷層的位移和地應(yīng)力場的變化，要用精密水準測量大地形變；對垂直活動斷層帶，定期進行短水準測量；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時的循環(huán)沖洗介質(zhì)的鉆進工藝方法。其特點是其低密度介質(zhì)加快了碎巖速度，在不穩(wěn)定地層中對孔壁進行良好的保護。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時間，進而使巖心采取率達到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，并且促進了良好的社會經(jīng)濟效益。

 

  （4）受控定向鉆探技術(shù)：此技術(shù)主要是通過孔底馬達及彎接頭控制方向順著設(shè)計好的軌跡進行的鉆進工藝。其應(yīng)用于水文地質(zhì)鉆探中不僅能夠更好地擴大地熱井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。

 

  4.結(jié)語

 

  綜上所述，地質(zhì)鉆探技術(shù)與方法在礦產(chǎn)地質(zhì)勘查中的運用，能夠更好地為社會經(jīng)濟效益的發(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，進一步對地質(zhì)鉆探的技術(shù)和方法進行了探討與分析，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。