工程地质勘察中钻探技术的应用分析

丁名卿

福建岩土工程勘察研究院有限公司 福建 福州 350100

1 前言

随着我国建筑行业的不断发展，推动了地质勘查事业的快速发展。钻探技术以其自身独特的优势已被广泛应用在工程地质勘查工作中，能够有效提升工程建设效率，确保工程的整体质量，为此文章对其在工程地质勘查中的应用展开了研究和探讨。

2 工程地质勘察概述

工程地质调查主要包括地质调查，采样试验，调查和测绘等。通过地质调查，我们可以更好地理解和掌握土壤的分布和机械参数。通过对这些数据的详细探索，可以详细分析和评估建筑物的适应性，并提出进一步详细的施工程序和建议。钻井技术是最直接可靠的地质调查方法。对于具有复杂地质条件的层，钻井可以获得更准确的地质数据，这也是岩土样品收集和现场测试的关键技术。在钻井技术在工程地质调查中的应用中，不仅可以在对天然地质条件调查的调查中做得很好，而且还必须与项目本身的特征相结合。例如，在贵州省工程地质调查中，民用建筑和工业建筑的钻孔布局完全不同。一般来说，在钻井工程中，除了大规模的水利、隧道等项目之外，钻探深度不需要太深。在工程地质调查中，通常使用钻机和简单的钻孔方法。在工程地质调查中，钻探可以用于水文，地质结构，岩性调查，长期观察，采样等方面，钻孔技术的应用方法和结构有着较为特殊的要求。

3 技术发展特点

工程地质钻探技术已广泛应用于工程地质调查。钻孔深度应根据所提出的建筑物（结构）和岩土机械性能的目的全面地确定，钻井技术和钻孔应该适合设备，钻井通常具有全面的功能。除了直接调查水文地质条件，地层岩性和地质结构的施工现场之外，还可以用于波速试验，根据钻井结构的采样和测井的特殊性进行钻井结构[1]。

(1) 国产立轴式岩心钻机在我国仍占据主导地位

目前，我国地质钻探装备的设计和制造已具备一定的实力，立轴式岩心钻机在基本性能、技术水平上与国外基本接近。立轴式岩心钻机历史悠久，性能已被我国一线钻探工作人员掌握，具有野外检修维护简单、钻探施工功耗低、较强的超载能力、有利于处理事故等优点，但存在给进行程短、频繁倒杆、启动不平稳，由此导致岩心机械破碎或岩心卡堵、降低钻头寿命和存在其他孔内事故隐患，同时搬迁过程费事等缺点。

(2) 国产全液压动力头岩心钻机已形成系列并批量进入市场

“十一五”期间，我国地质岩心钻探装备得到了前所未有的快速发展。全国有十几个生产厂家开展了全液压动力头岩心钻机的新一轮研发和传统立轴钻机的系列化生产工作，推进了地质岩心钻机、配套设备和钻杆钻具的现代化、系列化、专业化。国内相继研制成功的全液压动力头岩心钻机有：中国地质科学院勘探技术研究所研制的YDX-4、YDX-5型；北京天和众邦勘探技术股份有限公司研制的CSD500、CSD1300、CSD1800、CSD3000型；山东省地质探矿机械厂研制的XD-5、XD-6型；连云港黄海机械股份有限公司研制的HYDX系列；中国地质装备总公司研制的 HCDU-5、HCDU-6、HCDF-6型。另外，连云港黄海机械股份有限公司、张家口中地装备探矿工程机械有限公司、江苏天明机械集团、山东省探矿机械厂、北京探矿机械厂、湖北黑旋风工程机械开发有限公司等企业相继开发出了自己的系列全液压岩心钻机。

(3) 智能钻探参数监测及远程无线传输系统

智能钻探参数监测及远程无线传输系统主要包括钻进参数数据采集系统、孔内工况识别、数据处理软件、钻探现场数据库管理、现场局域网数据共享、远程数据传输等技术。该系统在国家“863 计划”重点项目“2000m深孔地质岩心钻探关键技术与装备”中得以应用并取得良好的效果。

4 在地质资源勘查的作用

4.1 资源勘探

我国土地资源和矿产资源丰富，但发展和利用率不高，浪费严重。随着经济的发展，勘探技术的发展，中国的陆地面积非常大，有许多地质和矿产资源。中国与西方其他发达国家仍有很大差距。特别是在中国，很难准确掌握和识别矿产资源的位置。然而，岩土工程的基本知识和技术可以有效地解决当今存在的许多问题。利用先进的岩土工程技术，极大地促进了开挖业务的发展，并能有效地处理许多问题[2]。

4.2 钻探取样

钻井技术是最关键的测量技术，不仅有助于协调地球物理和勘探工程之间的关系，而且有助于为勘探工程提供资源开发的最终检验技术支持。使用钻井施工技术，我们可以从地下采取物体并将其转换为样品。此外，钻井技术与海洋研究，地下调查，地质勘探和其他航空研究密切相关。在现代科学技术的发展中，地质资源的探索正在深化，频率正在增加。因此，我们不仅应该了解地球空间的外部资源，还要注意其内部资源的探索。

5 钻孔技术的应用

随着科学技术的进步和经济的快速发展，挖掘技术在国民经济中的应用越来越广泛。

5.1 地质上的应用

(1) 寻找矿床的地质勘察：根据物化探地质异常,利用钻探方法调查矿产的分布、区域地质概况。

(2) 矿床勘探钻探:对经普查已确定具有工业价值的矿床,应用钻探手段查明矿床埋藏深度、厚度、品位、储量、产状、形态、构造等。

(3) 矿区水文地质钻探:查明矿区含水层的岩性、层次、构造、厚度、埋深分布及水量、水质、水温等水文地质条件、特征和参数。

(4) 工程地质钻探:在施工地质勘察的基础上，采用保龄球法对地层进行揭露和划分，测量边界。描述了岩体的岩石学、成分和产状。我们提供必要的地质数据和材料，以了解基岩的物理和力学性质，并评估、规划和实施各类建设项目[2]。

5.2 地下流溶体的应用

(1) 水资源钻探:对地下水资源进行评价、开发利用。

(2) 石油(天然气)钻探:利用钻探技术钻穿油气层,以检验物探资料、 了解井下油气地质勘查资料,求算油气储量,提供开发远景。

(3) 可溶性矿产钻探:对岩盐、石膏、芒硝等矿产资源进行勘探和开采。

5.3 矿山井下工程的应用

(1) 钻矿山瓦斯抽排孔:在煤矿建井前、后按一定网度设计在地面施工的钻孔,将煤层中的瓦斯抽排出地表以确保井下开采安全。

(2) 钻矿山地下通道孔:用地表钻探技术方法向矿山井下钻不同用途的钻孔,如矿山地下水排放孔、矿山通风孔、救援孔等。

(3) 钻矿山尾矿砂充填孔:在矿山采空区地表施工若干组高精度垂直钻孔,将尾矿砂通过钻孔灌入采空区,以减少地面尾矿砂污染,控制采空区地面沉降。

(4) 钻井筒冻结孔:矿山井筒开凿前,在井筒四周施工若干个与其平行的钻孔,借助制冷技术暂时冻结加固周围不稳定地层并隔绝地下水后再凿井。

5.4 施工地质调查上的应用

通过开挖取样、现场试验和类岩石试验，明确影响施工建筑物的地质条件，准确区分地质结构，准确识别土层的自然结构、密度和湿度，并给出了该建筑施工的基础设计依据。开挖揭示了大型工程的基本地质构造、岩体、物理力学性质和稳定性。

5.5 地基上的应用

建筑物地基加固。如各类基桩孔、防渗孔、灌注孔、深井锚孔等。

5.6 减灾项目上的应用

我们使用钻孔技术来预防山体滑坡、泥石流、地面凹陷和地面沉降等地质灾害。如山锚碇锚固孔、排水孔、矿山尾沙坝基、大坝排水孔、地面沉降监测及地下水灌溉孔、大坝安全监测孔等[3]。

5.7 地下管线施工上的应用

它利用方向性深入研究了这项技术，以进行非开挖地下管道的施工，该管道穿过建筑物、道路和湖泊等障碍物。

5.8 国防工程上的应用

挖掘导弹发射井和地下核试验取样孔。

5.9 地球科学研究项目上的应用

(1) 大陆和海洋科学钻探：挖掘地球深部、海底、冰川冻结带固体、流体样本（岩芯、碎片、冰心等），获取第一批为地球科学研究服务的材料。研究了地球的结构和组成，以及深部结构、深部流体和作用。盆地发育研究、成矿理论研究、石油天然气水合物成因研究、深部热能勘探开发研究。研究地震发生的原因，研究火山喷发的机理，完善地震预报和地质灾害预警。探索地球气候的演变，探索生命的进化史。

(2) 环境科学钻探:钻取地下不扰动原状岩心样,研究大陆古气候及古环境、沉积物时代、沉积环境的变化规律及环境污染程度,为国家经济区划提供决策依据。

(3) 考古科学钻探:利用钻探取样技术了解地下遗址堆积分布范围、厚度、大型建筑基址、大型墓葬和古城的形状和布局[4]。

6 钻探施工的未来发展趋势

在地质勘探中，我们应该加强传统技术和现代技术的结合，重视数字信息的使用，促进钻井技术的发展[5]。它可以构建数字应用系统，实时监控资源开发，信息资源集成，定位和测量轨道等，结合数字化，构建现代科学管理模式，连续优化现有的施工效率，完成计算，实现通过数字系统建设钻井技术要求的检测和施工控制，为钻井技术提供到了一定的便利性，主要部门煤炭勘探地质深度在300-500m之间，具有较大的发展空间。受技术制约和经济因素影响，难以继续开发研究，深度拓展受到阻碍。在这个过程中，我们可以有针对性地研究钻井技术，结合施工的实际要求，对施工深度进行开发和探索，并注重技术改造、钻井设备、事故预防、深钻等相关技术的研发。随着油田、矿山、建筑等建设项目的深入发展，基坑开挖所面临的地质条件越来越复杂。目前钻探技术的应用中经常出现钻探、填埋钻探等问题。因此，有必要研究适合复杂硬土条件的开挖技术措施，提高钻孔效率，提高开挖作业的安全性。此外，还可以采用一些新技术，及时对多个岩石的破坏带、裂缝带和断裂带区域进行地质勘探[5]。

7 工程地质钻探常用的钻探方法

用硬纸板在地上开个洞做岩石或地质测试。建筑地质钻探的深度通常为几十到几百米。开孔大，一般为36-25mm，大直径钻孔直径可达1m。地质勘探中的开挖方法分为三种类型。

7.1 采用钻孔方法

此外，据说钻机是在竖井压力的作用下旋转的，它会在竖井压力的作用下破坏岩石的潜水。这是在岩石中潜水的主要方式，清洗液通常采用水来维持岩石心脏的自然状态。旋转俯冲允许选择不同的材料钻头。常用合金钻、钢粒钻、金刚石钻。前钻适用于潜入中等硬度的岩石中。后面的两个钻孔适合潜水到坚硬的岩石中。它还使用两层岩石管或三层岩石管来减少进入内部的岩石磨损，通常是两层岩石、泥浆，并移除岩石或断层岩石。钻孔通常不能随清洗液的旋转而下沉，但可以采用钻孔。

7.2 冲击潜水方法

它是一种利用钻机自重反复破坏土壤，破坏土层的潜水方法。冲击分为人为冲击和机械冲击。机械冲击适用于淹没各种土层。当它进入河流中的砾石层时，通过平板阀的钻孔冲击将其渗透到管道中，以获取砾石样品。

地面约0.4m后，移除套管，移除砾石，并按压护墙板顺序取样，取样直到孔结束。

7.3 撞击旋转俯冲方法

采用浸没放炮和旋转的方法，即钻机旋转地面并旋转碎石。

8 技术问题分析

8.1 钻孔结构

通过深孔，选择金刚石绳取芯工艺，分三种方式挖孔，ф91冲入ф89孔后ф76s工程钻头再次通过破碎台和断层土落下。ф73更换后管路。ф59S穿过最后一个孔。

8.2 金刚石钻头和扩张器

在通过一个平面深孔的过程中，地层破裂和坍塌，形成断层的泥浆收缩路径。环形空间小，流量大，泵压损失大，液体流动不畅，由于形成异常泵而导致泵压高或高，无法正常进入，进入超深管道时易出现下开度差，拔管时断开等问题。

8.3 钻石压力机

影响钻头压力（F4）的因素很多，最重要的是钻头的液压系统压力（f）、钻头的自重（F1）、冲洗液对钻头的浮力（F2）和冲洗液对钻头的浮力（F3）。它们之间的关系是f=F2+F3+F4-F1（f加增压，负减压）① F1=Ml，式中： ② F2=F1/7.85③ 强压力现象对孔中管道的约定力起着重要作用。位于上连接管和小于钻头内径的水接头处，其作用面积为钻头内径。PN泵压力，MPa；S——钻头内径面积，泵额定力：ф76为1886N。ф59为1018N。

④F4=PMA，式中：PM-推荐单位压力，MPa；钻进至中硬岩层PM值7；硬质岩石气味：获得固体岩石层10；

A——钻头工作唇面和岩石接触面积（钻头面积的3/4），当使用xy-44钻头ф76口径钻孔；

P钻头压力表压力，MPa；

PN——清洗液对钻头的差动力，MPa；

PM——地层硬度系数；

L——射孔深度m；

通过公式计算进入整个地层时使用，ф76s直径减压孔的临界深度在310～340m之间ф59S在290-320m之间。

8.4 深孔插入参数

钻井泵的数量必须保证地质岩粉的排出和钻机的充分冷却。根据经验，排出地质岩粉所需的泵量需满足冷却钻机的要求。我们可以通过排出石粉来确定泵的数量。返回清洗液的流速必须大于重粉清洗液中的沉降速度。根据理论值，可以克服金刚石渗透造成的碎屑沉积，并将清洗液的上下流速提高到0.8 m/s以上。射孔越深，下潜速度越快，必须增加上部和下部流量。

当粗糙层显示为小直径时，流速降低，使粉尘颗粒悬浮在一个很小的直径内，泵停止运行，泵停止运行后，很容易造成堵塞的问题，因此请增加泵的数量，并确保岩石粉尘的排放。考虑到泵冲头对孔壁的影响以及对钻头胎座侵蚀的影响，选择不应太大。

9 结语

由上可知，钻探技术的应用能够有效提升我国地质探查质量和效率，且可以提供到最有价值的信息，有效提升资源的利用率。