TQC-15钻机在北京环境地质调查中的应用

秦沛，张建杰

(北京市地质工程设计研究院，北京 101500)

TQC-15钻机在北京环境地质调查中的应用

秦沛，张建杰

(北京市地质工程设计研究院，北京 101500)

本文以《潮白河流域矿产资源开发水土环境影响调查评价》、《北京市矿山地质环境监测系统(一期)建设》环境地质调查项目深部取样钻探为例，分析了TQC-15钻机的施工效果，并对土壤取样钻探施工和工艺技术创新进行了总结，并针对存在的问题提出了改进建议，为今后类似工作起到借鉴作用。

取样钻机；环境地质；调查；应用

1 项目背景

北京市矿山主要分布在生态涵养区，长期开采形成了严重的矿山地质环境问题(见图1)。为进一步调查其对下游水源补给区水土环境质量的影响，我单位开展了《潮白河流域矿产资源开发水土环境影响调查评价(中国地质调查局：水[2014]02-023-008、水[2015]02-02-02-012 )》、《北京市矿山地质环境监测系统(一期)建设》项目。

图1 京西某煤矿及北部某铁矿开采形成的矿山地质环境问题图

上述两项目中基础工作是通过取样，查明区内土壤的垂向污染特征。因此，需要进行钻探采取土壤垂直剖面样，对土壤质地和第四系堆积类型进行划分，标明分层界线，描述土壤颜色、粒径、砾石成分、有机质、生物碎屑、铁(锰)结核和钙质结核含量等特征。钻探取样工作至关重要，直接影响到地质环境评价的准确度。

2 钻探取样技术要求

2.1 取样技术路线

根据项目设计要求，首先，采样采用较高精度GPS进行孔口定位；其次，对孔口周边进行平整并做好开钻前期准备；第三，进行钻探取样，钻进过程中，钻速要均匀，钻进要平稳；第四，岩(土)样取出后，及时编(计)录、密封、整理，岩(土)样品记录必须由专业技术人员进行，样品和资料的整理要一一对应；第五，对取出的岩(土)样品及时进行加工、储存和送检；最后，对施工现场进行恢复。具体技术路线详见图2。

图2 岩(土)样采取技术路线

2.2 取样要求

2.2.1 一般要求

(1)农业区采样点应布置在农田、菜地、林(果)地、草地及其他没有明显污染的空旷地带；

(2)在城镇区采样要避开近期搬运的堆积土和垃圾土，采样位置可以布置在人工揭露剖面上，采样时应去除剖面表土；

(3)样品采集使用专门非金属类的采样工具，以防污染岩(土)样；

(4)样品应连续采自地表至设计深度以下土柱，但不应采集到基岩风化层，土样原始质量应大于1000 g；

(5)采集的样品要防止玷污。

2.2.2 钻探取样要求

(1)孔口(取样点)坐标：采用高精度(平面误差≤0.5 m)GPS确定孔口(取样点)位置；

(2)钻探取样深度：按照设计要求分段取样，在人工填土地区应加大采样深度或移动孔位，确保取得原始岩(土)样；

(3)岩(土)样直径：根据取样重量及长度，一般岩(土)样直径应≥45 mm；

(4)岩(土)样编录、整理：对取出的(土)样及时进行现场检查、编录、整理、封存；

(5)岩(土)样加工、储存和送检：对岩(土)样进行现场整理后，按要求及时进行加工、储存和送检。

3 TQC-15钻机应用

3.1 TQC-15钻机主要特点

TQC-15钻机是北京探矿工程研究所生产的浅表取样钻机，体积小、重量轻、操作(搬运)方便(图3)。主要特点是：

(1)钻机采用模块化设计，钻架结构简单，易于安装、拆卸、保养和维护，便于搬迁；

(2)采用本田四冲程汽油机，启动方便，故障率低；

(3)整机重量轻，仅76 kg，操作简便，使用灵活；

(4)具有高、中、低三种转速，使用范围广，可实现金刚石钻进、合金钻进和螺旋钻进；

(5)设备扭矩大，能够适应恶劣工况施工，既可进行岩石取样，也可钻取土壤样。

图3 TQC-15钻机运输、搬迁、安装

3.2 钻探取样与传统取样方法对比

3.2.1 传统取样

传统的取样方法如洛阳铲、槽(井)探等工程手段，不仅取样效率低、对样品扰动大，随着取样深度加大，取样受到局限，而且对生态环境有一定的影响。

3.2.2 浅层钻探取样

目前浅层钻探取样可分为贯入(静压或锤击)取样和回转取样两类。贯入取样不仅取样地层和深度都有较大的局限性，而且效率较低、操作不便，不利于大规模野外施工。回转取样对地层适应范围较广，取样深度不受限制，效率高、取心质量较好，搬迁(运输)方便，适合大规模野外作业。

本次施工由于取样工作量大(两项目共设计钻探取样工作量1110 m)，取样深度深(0～10 m)，地层以黏土、亚黏土、亚砂土、砂砾石为主。因此，选择TGQ-15型取样钻机。

3.3 TQC-15钻机取样应用及创新

3.3.1 应用效果

TGQ-15型轻便取样钻机在《北京市矿山地质环境监测系统(一期)建设》和《潮白河流域矿产资源开发水土环境影响调查评价项目》项目施工中发挥了较大的作用。不仅保证了取样工作任务的完成，钻机故障率低，取样效率高，样品采取质量好，便于在平原和山区施工，且在取样中不会对环境造成污染和破坏。

技术指标：①取心率高，取样(心)率在95%以上；②取样深度较深，最大孔深(取心)达7 m；③效率高，时效可达到15 m/h，台班进尺可达40 m(包括定点、取样、记录、样品整理等工作)；④适应范围广，本次浅层取样钻探既包括平原区又覆盖了山区及河谷等特殊浅覆盖地区；⑤对环境影响小。具体技术指标见表1。

与传统的取样方法不同，样品取出后及时进行了封存，从而避免了土样倒到取样袋里时大面积接触空气，影响样品湿度、化学性质等，保证了化验数据的准确性，也便于样品保存。同时，取样管以30 cm为一个固定单位，更有利于现场编录时土壤分层，见图4。

表1 完成项目主要技术指标统计表

图4 内置有机管样品取出、封存

3.3.2 技术创新

内置有机玻璃取样管，通过在钻具内置取样管使取样钻具就变成一个类似双管的取样器。将有机玻璃管在水溶液和酸性溶液两种不同溶液浸泡超过48 h，以分析测试有机玻璃管在不同溶液环境中释放重金属的含量。通过分析测试结果显示，所有样品中的重金属元素含量均在一级水质临界值以下，有机玻璃管可以用来安全的储存样品，且其样品中的重金属含量不会受到影响。同时，有效预防了钻具与样(心)接触，产生重金属污染。

将30 cm长刻度薄膜条粘贴到取样管上，既便于在取样的时候直观地看出每一管样品的取样长度，通过对比钻杆长度和管内样品长度，提高了孔深校正的效率和精度，又可以在填写样品采集记录表时直接读出样品长度，提高了工作效率。避免了未贴刻度条时每回次样品长度用钢卷尺一一量取，繁琐、低效和样品长度不准确的缺点，见图5。

图5 贴好刻度条的取样管

3.3.3 小级差钻具组合

本次取样(心)钻具采用：∅43 mm铝合金钻杆+∅60 mm/52 mm钻具(内置∅50 mm/46 mm有机玻璃管)+∅62 mm/46 mm普通合金钻钻头的钻具组合。钻具级差小，刚性、稳定性较好。

3.4 问题及建议

取样工作中还有松散土壤不容易取样、孔隙比和含水量的变化、土的组成成分的混杂、结构扰动等问题，需要我们在取样实践中逐渐去解决。

3.4.1 松散层取心较困难、样(心)易扰动

未设置专门的卡心装置，主要靠岩样(心)与内置管、钻头内壁的摩阻力卡取。由于地层本身内阻力小，极易漏失，应针对松散地层设置卡取装置。内置未实现单动，对黏土扰动较小，对内阻力小的松散砂层等扰动大，影响岩样(心)孔隙度、含水量等。应设计专业的薄壁单动钻具，减小扰动。

3.4.2 回转阻力较大

未使用冲洗介质，孔壁与钻具摩擦力增大，深孔段易发生憋车、塌孔现象，限制了取样(心)深度。宜采用空气等冲洗介质，既及时排粉、冷却钻具，又不污染样(心)。

4 结语

随着我国生态文明建设的全面加强和城市环境地质调查的进一步开展，浅层取样(心)钻探越来越重要。与同类进口钻机相比，TQC-15钻机安装、拆卸、搬迁方便，适用范围广，性能稳定、可靠，价格低廉，在城市环境地质中应用前景广阔。应用TQC-15钻机在北京有关城市环境地质调查中取得了一定的效果。浅层钻探取样(心)有了创新，既便于施工中有效区分不同类型的松散层，又保护了生态环境；同时，带刻度条的取样管方便取样，避免了土壤的人为污染，提高了土壤样品质量，而且提高了效率。

浅层取样钻探工作还是有许多难题需要解决，例如松散层样(心)的卡取、抗扰动等问题，需要我们在取样实践中逐渐去解决。今后不仅要加强浅层取样(心)钻探设备的研究，同时还要加强工艺技术和配套机具的研究，使钻探技术不断满足城市环境地质工作的需求，实现地质工作“高、保、真”的目标。

[1] 徐克里,王生.钻探工程[M].北京:地质出版社,2009.

[2] 徐永镭, 汪晓东, 冯本强,等. 轻便取样钻机在乌代肯尼多金属矿区的应用[J]. 地质装备, 2014, 15(1):36-38.[3] 谭春亮, 宋殿兰, 卢猛,等. TGQ-30型轻便取样钻机及其在低山丘陵地区的应用[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 2012, 39(5):42-44.

[4] 杨孝球. 轻便取样钻机应用与效果[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 1985(5):12.

[5] 宁国军, 王书辰, 申大元. 便携式浅层取样钻在矿产勘查中的应用[J]. 采矿技术, 2015(4):106-108.

[6] 赵洪波, 宋殿兰, 卢猛,等. 浅层钻探技术在海南某矿区化探取样中的应用研究[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 2014(2):18-21.

2017-01-10

秦沛(1963-)，男，甘肃镇原人，探矿工程高级工程师，从事工程施工技术工作，北京市密云区滨河路46号，Tel：13911665798，E-mail：101qinpei@163.com。

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