便携式冲击取样钻机具的研制与试验

卢倩，卢猛，王福海，祝强，苏兴涛

(北京探矿工程研究所，北京 100083)

1 前言

便携式冲击取样钻机的重量轻，携带非常方便，可单人背负，可以适用于山岭、交通和能源不便地区的取样工作，与传统的人工挖掘、槽探和井探等取样相比，能加快取样工作速度，而且还能大量减少植被的破坏，保护环境，满足调查、化探、物探、基础工程勘察等领域有大量的浅层钻探取样的需求。为了解决山区供水困难，我所人员探索了无水钻进法[1]，用空气循环替代水循环钻进和无循环钻进技术[2]，采用轻便可靠的钻进设备是降低钻进费用的有效途径[3]，但轻便的钻进取样技术仍是空白和难点。

2 钻机主要技术特点

2.1 钻机整体特点

(1)便携式冲击取样钻机包括主机、钻具和钻杆，主机通过钻杆短接与钻杆的上端相连，主机用于驱动钻杆转动，钻杆的下端与所述钻具相连。

(2)便携式冲击取样钻机具有转换开关，转换开关与主机相连，可实现纯冲击和冲击回转两种功能的转换。

(3)该钻机采用空气循环，钻杆、钻杆短接、钻具短接和取心管均为内部中空结构，钻杆、钻杆短接或取心管中的至少一个上设有通气孔，其上的通气孔与其内部中空结构构成的空腔连通。整机能量损耗较小。

2.2 钻杆设计

钻杆要求耐磨性好，承受传递能量所需的高强度等。为减小冲击能的损失，采用与原钻杆相同规格的螺纹钻杆连接。钻杆螺纹采用国标波形螺纹。根据人体特点，每根钻杆的有效长度为850 mm，便于携带，钻杆中心为通气孔。并设计了钻杆短接，将钻杆或钻具与主机相连。

2.3 钻具设计

按照先成孔，后取心的设计方案，钻头主要有锥形冲击钻头和合金取心钻头两种。取心钻头安装在单管取心钻具上。单管取心钻具设计了普通单管和槽型单管两种形式。

最初设计的内径26 mm，外径28 mm的钻头，计算面积A=84.8 mm2，不能有效的破碎岩石，亦不能取样。后来改为内径26 mm，外径40 mm的尖齿合金钻头，因合金出刃，减小了与岩石的接触面积，在保证不崩齿的情况下，其与岩石的接触面积均远小于上面的计算值。所以此款钻头可以有效的破碎岩石。钻头内部设计了5°的锥面，放入卡簧，利于取样[4]。

3 功率校核

该钻机属于气动冲击回转钻进设备，工作原理是由往复运动的冲击体撞击钻杆，钻杆将能量传递到钻具，钻具传递到钻头破碎岩石。将冲击体-钻杆-钻具-钻头-岩石这一体系称为冲击凿入系统。冲击凿入过程的物理实质是将一长时间作用的力转化为一脉冲力。这一脉冲力可在瞬时提供足够高的应力幅值，用来破碎岩石。在这里冲击机械相当于一个能量转换器。[5]

能量利用率是冲击锤的一个性能指标，但不是唯一和必须首选的。从轻便性考虑，在小型冲击工具中，其能量利用率不是主要的，故气动冲击仍旧得到广泛的使用。 我国的气动冲击设备能量利用率仅为3%，国外设备则到达10%以上。本钻机的功率为2 kW，输出能量200 W。

4 现场试验与改进

4.1 野外试验

2015年9月12日至9月14日，在黑龙江省大兴安岭地区，加格达奇区呼中镇碧水铅锌矿的槽探剖面进行了钻探试验。试验结果表明钻机轻便，可实现单人背负(图1)，动力也可以满足现场的需求。

图1 野外试验

4.2 钻头、钻具的改进

针对野外试验中遇到的问题，进行了进一步的改进：①研制了内锥钻头、外锥钻头以及内锥镶合金钻头、外锥镶合金钻头等5种钻头，锥形钻头做成纺锤形，减小提钻时遇到的阻力，设计了最大直径与钻具外径相同的冲击钻头，并将钻头前部改为四棱锥的形状，便于钻进；②钻具与钻杆连接的部位增加了小铁环，消除了钻杆与钻具之间的台阶；③单管钻具的岩心管上开了一条细缝，便于观察取心情况；④配备了0.5 m的护壁套管，防止上部的碎石掉入孔中；⑤厚壁取心钻头上增加了卡取岩心的弹簧片。

因在实验中发现钻杆和钻具冲入地层后，靠人力很难将其取出，研究人员继续研发了便携式起拔器，用于拔起冲击入地下的钻杆。起拔器高度不到2 m，质量10 kg左右，但起拔力可达到30 kN，有效的解决了起拔问题。

研究人员研发了两种结构形式的取心管：半合管式和整体式。针对不同的地层，选择不同的结构形式。一般较软的松散地层用半合管式，坚硬致密完整地层用整体式，半合管式的取心管易于将样品取出(图2)。

图2 半合管钻具

5 总结

本文对便携式冲击钻机具的总体设计进行了分析，有关计算和分析结果对冲击钻机具的设计和选用具有参考价值。一个合理和优良冲击器的构成涉及到结构、材料、工艺诸多方面，应综合考虑。从实际问题出发，经过不断试验和改进，便携式冲击取样钻机具的装备和钻进取样工艺，实现了浅部无水钻进和取样。全套装备需要2人背负，其中一人背钻机，另一人背钻杆、钻具和工具。钻进取样时需要2人配合完成，1～3 m深的钻孔约需40～60 min。该设备及工艺可部分替代探槽采样。

[1] 曹克信, 张芳英. 无水钻进打井技术在山西省的应用[J]. 水利水电技术, 1981(12):22-27.

[2] 刘家荣. 无循环钻进工艺在易坍塌、缩孔和卵砾石地层的应用[J]. 地质与勘探, 2010, 46(5):960-966.

[3] 王峪. 轻便钻机在地质勘察工程中的应用[J]. 西部探矿工程, 2013, 25(5):80-82.

[4] 卢倩, 唐守宝, 卢猛,等. 轻便无水取样钻机研制与试验[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 2017, 44(7):62-66.

[5] 甘海仁, 赵统武. 冲击锤的工作应力和能量传递分析[J]. 凿岩机械气动工具, 2007(1):18-23.