TGQ-15型轻便取样钻机钻具改进实验及其应用

邢宇鑫，唐 磊,2，肖 爽，冯金国，李 喆，韩娟娟

（1.北京市地质工程设计研究院，北京 100500; 2.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083）

TGQ-15型轻便取样钻机钻具改进实验及其应用

邢宇鑫1，唐 磊1,2，肖 爽1，冯金国1，李 喆1，韩娟娟1

（1.北京市地质工程设计研究院，北京 100500; 2.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083）

结合北京市土壤地质环境情况，改进以钻代槽（浅层钻探技术）。选取TGQ-15型轻便取样钻机，在北京市平原区、山区共开展两种类型改进应用实验，即取样管改进应用实验和取样管外部刻度尺改进应用实验。在河床沉积区、河床一级阶地和山前坡积区，3种不同的区域选择不同的方法采集样品分析测试。结果表明：经过不同材质对比以及样式设计的有机玻璃管用来取样及存储土壤样品是安全的，并且土壤中的重金属含量不会受到影响；通过对3个不同地貌单元的分析评价后得出结论，钻机采取垂直样品过程中，Cu（铜）、Zn（锌）、Pb（铅）、Cr（铬）、Ni、Cd（镉）、AS（砷）和Hg的含量未受影响，其分析评价结果可以反应取样区域的污染状况；经过改进设计的刻度尺，提高了孔深校正的效率和精度，同时便于地质地层的编录。总之，钻机的改进避免了土壤的人为污染，提高了土壤样品质量，同时提高了取样效率。

土壤；取样管；刻度尺；分析测试

0 前言

国务院在2016年5月28日印发 《土壤污染防治行动计划》，对今后一个时期我国土壤污染防治工作做出了全面战略部署，开展土壤污染调查，掌握土壤环境质量状况工作迫在眉睫，而化探取样技术作为土壤调查的基础，对于以钻代槽（浅层钻探技术）的探索尤为重要（温克强，1981；马连成等，2003）。

传统的化探取样停留在人工取样（如洛阳铲）、槽（井）探等工程方法。但随着矿产勘查向找寻深部矿、隐伏矿的转向，加上槽（井）探不可能开挖很深、很大的范围等本身的局限性，使槽（井）探的应用范围日趋狭小，在这种情况下，浅层钻探技术的研究得到了长足的发展（田树伟等，2008）。同时，浅层取样钻探技术的发展基本解决了难进入地区、特殊浅覆盖地层取样的难题，改变了井探、槽探和人工挖掘等破坏生态的传统地质取样方法，可以达到保护环境、降低成本、有的放矢的经济型勘探，以钻代槽勘查技术方法与应用研究正成为国内外较为流行的趋势（王建华等，2011；谭春亮等，2012；宁国军等，2015）。

1 问题与创新

1.1 存在问题

专用于取样的技术在国外很早就开始研究了，特别是欧美等地质、环境研究比较发达的国家。小型、轻便型的浅层取样钻机具的技术水平较国内发展早、技术水平高、种类多。这些设备的研发工作主要应用于平原地区，使用高效的大型空气反循环钻探设备完成。针对农业、环境、地下水、土壤的地质调查取样等工作研制的轻便钻探设备，并不能完全适应国内的地质调查工作。如美国绍尔背包式钻机，该钻机输出转速高，取心直径仅为20.5mm，在地质调查工作中使用局限性较大；加拿大4M便携式岩心钻机，该钻机输出转速过高，没有稳固的钻架，提升力不足，应用效果不好；加拿大维克振动钻机，该钻机采用高频振动钻进方式，主要用于软土层及沉积物钻进取样，用于环境钻探；美国维基winkie钻机，该钻机输出转速为2800 r/min和1200 r/min，输出转速高，扭矩小，钻架不稳固，提升力较小，在复杂地层钻进时处理孔内事故的能力较差等（赵洪波等，2016）。

国内根据不同的地质景观开展了大量的浅层钻探设备及其配套钻具的研究，形成了轻便浅层取样钻机系列和机动浅层取样钻机系列（赵洪波等，2014；朱文鉴等，2004）（表1）。

表1 浅层钻探设备分类及应用Tab.1 Classif i cation and application of shallow drilling equipment

1.2 钻机改进创新需求

（1）取样器创新应用

传统的取样方法是通过取样器取出土样后，然后将土样倒到取样袋里面，这个过程中不仅钻具的内壁对土壤样品造成了污染，而且在倒样时样品大面积接触空气，对样品的湿度、化学性质等产生了影响，最终影响化验数据的准确性（赵洪波等，2011）。针对这种问题，本次实验设计有机玻璃取样管保证数据的有效性。

（2）刻度尺创新应用

钻探取样每个回次的样品长度必须用钢卷尺一一量取，不仅使得取样工作变得繁琐，效率低下，而且量取的样品长度的准确性也得不到保证。本次实验对设计使用便携且不易损坏的刻度尺配件。

2 钻机取样改进实验

2.1 样品存储器设计实验

（1）实验设计

改进钻具的目的在于克服之前钻具的不足，最终提供一种通用性好、操作简便的取样管。采用两种管体不同材质的取样管进行试验，管体分别由透明PVC和聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）制作。管壁标注毫米精度的刻度，管壁外径50mm，内径46mm，长度303mm。对两端切口进行切割处理，保证管口无污染、平整；管盖采用抗老化PVC，设计logo及项目专有标识。取样管的通用性能好，操作也简便，能有效提高效率，节省时间。

（2）测试分析

通过实验形式分析测试透明PVC和有机玻璃管在不同溶液环境中释放重金属的含量，本次实验选择的环境为一般水溶液和酸性溶液，将透明PVC和有机玻璃管在两种不同溶液浸泡，时间超过48小时，分析溶液中的重金属含量见表2、表3。

通过分析测试结果表2显示，PVC材质取样管所有样品中的个别重金属元素Cr（铬）、SO42-超出背景值；有机玻璃管所有样品中的重金属元素含量均在一级水质临界值以下，但是从表3中可以看出，个别重金属元素在酸性溶液中析出的重金属要略高于一般水溶液。其中，析出的元素有Cr（铬）和Zn（锌）两种。而其他元素在两种溶液环境中析出量较少或基本无析出。经过对比分析，两种材质取样管均存在个别重金属在酸性溶液中少量析出，但是有机玻璃管总体析出值明显低于透明PVC。结果表明有机玻璃管材质取样管能够满足项目应用的需求。

（3）应用效果

通过这项技术改进，主要取得以下成效：①在钻进过程中直接将土壤样品装进了取样管，样品与取样管接触，避免了钻具对样品的污染，钻具提出后，将装有样品的取样管取出，然后用密封盖将两头密封，杜绝了样品与空气接触，保证了土壤样品的质量，也便于样品保存。②取样管以30cm为一个固定单位，更有利于现场编录时土壤分层。

表2 PVC取样管在不同环境中的重金属元素值Tab.2 Heavy metal values of PVC sampling tubes in different environments

表3 有机玻璃取样管在不同环境中的重金属元素值Tab.3 The value of heavy metals in organic glass sampling tubes in different environments

2.2 不同地貌单元对比实验

针对垂直样品的采取，本次实验选择的手段是小口径钻机回次取样。通过以往对垂直样品的分析结果可知，污染重金属元素的富集深度一般在2m以上，所以本次对比实验的垂直样品最深样品为180cm，分别选取的3个地貌单元为：河床沉积区、河床一级阶地和山前坡积区。每个地貌单元选取一个20m2的区域，平行挖掘两个探槽、平行布设两个钻孔，以30cm为一深度，分别取样6件，一个地貌单元共取样24件。

对测试结果针对每个地貌单元采取同一层位进行分析比较可知，以0～60cm地层为例：

河床一级阶地现为农田种植区，主要分布着粉土、粘质粉土、粉砂以及砂砾石。通过本次对比实验的分析结果，各个重金属元素的标准偏差都很小，而且实测值均小于国标一级背景值，即钻机取芯与实际取芯在表层几乎无差异，详见表4。

山前坡积区主要为坡积层，实验区原为农田，主要的土壤性质为粉土、粘质粉土和粘土。通过对比实验测试结果可知，各个重金属元素的标准偏差都很小，而且实测值均小于国标一级背景值，即钻机取芯与实际取芯在表层几乎无差异，详见表5。

河漫滩主要为粉土、粘质粉土和砂砾石。通过实验测试结果可知，重金属元素整体来看差异不是很明显，只有元素Cu（铜）和Zn（锌）的个别钻孔样超过国标一级背景1.5倍左右，其他重金属元素的标准偏差在每一层位值波动很小，详见表6。

表4 一级阶地槽位、孔位0～60cm结果对比Tab.4 Level terrace slot and hole 0 to 60 cm result contrast

表5 山前坡积槽位、孔位0～60cm结果对比Tab.5 Piedmont diluvial slot hole, 0 to 60 cm result contrast

表6 河漫滩槽位、孔位0～60cm结果对比Tab.6 The number of the fl ood land slot, 0 to 60 cm result contrast

3 结论

（1）通过浸泡实验和分析测试结果可以得出结论：透明PVC材质取样管析出重金属元素高于有机玻璃，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；软塑料材质在两种溶液中浸泡结果略好于硬塑料材质；所以采用有机玻璃管和软塑料盖用来采取、运输和储存样品。

（2）通过上述对3个不同地貌单元的分析评价后得出结论：钻机采取垂直样品过程中，Cu（铜）、Zn（锌）、Pb（铅）、Cr（铬）、Ni、Cd（镉）、AS（砷）和Hg的含量未受影响，其分析评价结果可以反应取样区域的污染状况。

（3）经过改进设计的刻度尺，提高了孔深校正的效率和精度，同时便于地质地层的编录。

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田树伟，卢猛，2008. TGQ-10A型浅层取样钻机的研制[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程)，35(4)：13-14+19.

谭春亮，宋殿兰，卢猛，等，2012. 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 )，39(5)：42-44+48.

王建华，张阳明，孙建华，2011. 轻型地质取样钻机车载化技术方案研究[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程)，38(9)：65-71+89.

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Improvement Experiment of the TGQ-15 Portable Sampling Drill Rig and Its Application

XING Yuxin1, TANG Lei1,2, XIAO Shuang1, FENG Jinguo1, LI Zhe1, HAN Juanjuan1

(1.Beijing Geological Engineering Design and Research Institute, Beijing 100500; 2.School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083)

Based on the geological soil environmental conditions in Beijing, improvement is made with the drill in place of the groove (shallow drilling technology). In this paper, TGQ-15 portable sample drilling rig was selected to carry out two kinds of improved application experiments in plain area and mountainous area of Beijing, which is the application experiment of improving the sampling tube and the scale outside the sampling tube. In the riverbed sedimentation area, the river bed first terrace and piedmont slope area, three different areas were selected for different methods of sample collection analysis. The results show that: through the contrast of different materials and style design of the plexiglass tube, the samples were safe to be sampled and stored, and the heavy metal content in the soil will not be affected; through the analysis and evaluation of three different geomorphic units, it is concluded that the vertical sampling process of Cu, Cu, Zn, Pb, Cr, Ni, Cd, As and Hg were not affected, and the analysis and evaluation results can ref l ect the pollution situation in the sampling area; after improving design of the scale, the eff i ciency and accuracy of hole depth correction are improved, while facilitating the geological stratigraphic cataloging. In short, the improvement of the drilling machine can avoid the man-made pollution factor of the soil, improve the quality of soil samples, while improving the sampling eff i ciency.

Soil; Sampling pipe; Scale; Analysis and test

A

1007-1903（2017）03-0095-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.03.019

北京市矿山地质环境监测系统建设（一期）年度监测运行（永定河流域示范区）（编号：PXM2017_158303_000002）

邢宇鑫（1991- ），男，从事矿山环境监测修复工作，E-mail：1083073843@qq.com。