HF-200型便携式钻机在绿色勘查中的应用分析

2021-12-02蒋清燕何坤鹏

西部探矿工程 2021年11期

蒋清燕,何坤鹏

（1.四川华锋钻探工程有限责任公司，四川成都610000；2.成都宏佳高新技术有限公司，四川成都610100）

在绿色勘查活动中，使用灵活、快捷、高效的便携式钻机已经成为地质勘探行业的风向标，它作为一种先进的理念、文化和发展方式，在国内外得到广泛传播和实践，备受行业和市场的青睐。便携式钻机又称模块化钻机，其质量轻便、易于搬迁的特点，逐渐替代了传统的槽探、井探等取样工程，在区域地质填图、物化探取样、地磁异常带取样、地质灾害预防、工程线路、工程勘查工作中被广泛采用，它所具备的优势基本解决了传统钻机对自然生态环境的影响，少修路、甚至不修路也成为活跃在勘探领域的最大亮点[1]。为更进一步改进传统便携式钻机自身的缺陷和不足，凸显钻机在绿色勘查中的应用能力，华锋钻探公司研发制造了HF-200型便携式钻机，并在工程应用中取得显著成效。

1 HF-200型便携式钻机的优点

与国内常见便携式相比较，HF-200型钻机在快速高效性、灵活轻便性、安全环保性、低耗节能性方面优势更加突出。该钻机总质量650kg，最重模块150kg，给进行程1.82m，给进力32kN，钻进角度0°~180°，最大扭矩380N·m，钻进深度HQ（96/65.3mm）40~65m，NTW（75.7/56mm）140~220m，BTW（60/42mm）260~350m。

1.1 快速高效性

HF-200型钻机充分利用薄壁钻杆、钻具载荷的物理特性，在高速旋转设计上更利于快速、稳定地切削岩石，进尺速度快，采芯率高；优化改进钻机钻进行程设计，改进后的5.6m桅杆配置和推进式滑道，不仅能确保钻机安装更平稳，还能实现3m内管总成无障碍提升，作业辅助时间降低20%以上，间接提高钻进时间和效率。HF-200型钻机平面图见图1。

图1 HF-200型便携式钻机平面图

1.2 灵活轻便性

HF-200型钻机与常规便携式钻机在灵活性上的主要区别在于可以施工角度在0°~180°之间的任意斜钻。优化模块化配置，更加突出钻机轻便性和野外环境作业的适用性，其单个模块最高重量低到150kg，钻机转场更加快捷，人工劳动强度需求更低，在露天复杂地表环境下，可以安装在4m×4m平台上作业。配合使用升降式钻机支架（见图2）可在河道边缘、临边靠崖等大切角、陡坡的山区实现钻机平稳安装，充分利用地形节约占地空间。

图2 大切角山区升降平台现场安装图

1.3 低耗节能性

HF-200型钻机可以根据钻孔设计深度或动力供给需要，适时调整发动机数量；钻机自身配置的直动式负载反馈微调变量液压系统[2]，使发动机功率随负载变化而变化，在保证足够动力需求的同时，能最大程度地实现节能降耗，钻进时的平均燃油消耗低达1.2L/h。

1.4 安全环保性

HF-200型钻机保留了桅杆设计，消除了高空作业、高处坠落安全风险，钻机运行平稳且振动小；内置电源改进，使作业场所照明布设更规范，触电安全风险更小；增设高速旋转防护装置、防爆装置提高了钻机的本质安全性。钻机自身采用航空铝合金作为基本材料，模块质量轻便，与无公害泥浆冲洗液配合使用，基本实现了无痕勘查的目的和效果。

2 HF-200型钻机安装技术

2.1 钻机转场运输

钻机按照模块化设计拆卸成机架、发动机、操控台、燃油箱、液压油箱、泥浆泵、储浆罐等八个模块[3]，钻具分解成若干小件，大件模块采用人力抬运，小件可以使用畜力的方式驮运，道路条件允许的情况下，也可以使用小型履带式搬运机进行运输。

2.2 钻孔平台建设

钻探孔位确定后，根据钻孔方位、角度结合地形条件修建面积为4m×4m的机台，大切角坡面地形需搭建升降式支撑架，机台搭建应平整稳固，不产生滑移、塌陷，机台上方无落石、滑坡、洪涝等隐患，现场设置排水沟渠，场地内无低洼积水，设备下方、冲洗液循环槽、池内铺设防渗漏环保布，防止有害液体或施工油料渗漏造成水源和土壤的污染。

2.3 钻机安装与固定

HF-200型钻机安装应顺着钻孔孔位方向挖两条0.2m×0.2m×4m长的平行沟槽，将两根0.15m×0.15m×4m的枕木放于沟槽内，调整枕木水平，保持枕木与孔位的方向平行，再将四根枕木横向安装在已调整好的两根枕木上，前端两根枕木尽量靠近钻机夹持器，另外两根分别位于钻机机架中部及后端两个木螺丝孔下方。为防止枕木滑移，用土或碎石将枕木进行填埋和夯实，回填厚度不得超过枕木高度（200mm），在机架固定后，纵向铺设木板，并将钻机操控模块、发动机、储浆罐、水泵等模块整齐有序布置在木板上。由于便携式钻机自身重量轻，钻进时加压容易将钻机顶起，甚至造成钻机移位，因此在安装调试钻机时，设置地锚固定[4]的措施非常必要。地锚固定常用方法分为两种。

2.3.1 钻杆地锚

用废弃的NTW钻杆向下钻进至基岩，提钻卸下钻头，再下入钻杆，加压无水钻进0.2~0.5m，把孔内钻杆烧结在岩体中，使烧结在岩体中的钻杆形成牢固的地锚装置，校正钻机方位、角度和水平度后，再使用葫芦式链条将钻机底座、枕木固定在地锚上。

2.3.2 水泥地锚

在钻机四角开挖0.3m×0.3m，深度0.5~0.8m深坑，使用NTW钻杆焊接金属底座，放入坑内，使用32.5R水泥灌注，形成地锚，再使用葫芦式链条将钻机底座、枕木进行固定。

3 HF-200型钻机施工技术

3.1 钻进工艺

钻孔在开孔前应检查确认设备安装的稳固性以及钻机水平度、方位角、倾角是否与设计参数一致。钻孔一开宜采用Ø96mm金刚石绳索取芯钻进，钻至完整岩石后，下入Ø95.6mm技术套管护壁，使用Ø75.7mm绳索取芯钻具钻至终孔孔深（达到设计目的）。局部孔段地层裂隙发育，冲洗液漏失量大，为提高钻进效率，可采用随钻堵漏，或在适当位置进行二开，下入Ø60mm钻进[5]。

3.2 钻进参数

钻孔的钻进效率主要取决于在钻遇不同深度、不同地层对钻进参数的合理选择，即钻压、转速和泵量。在确定钻进参数时，除了考虑机械转速外，还需要充分考虑钻头的类型、级别和使用寿命。因此判别钻进参数是否合理，主要看机械转速和金刚石钻头胎体的出刃程度与消耗程度[6]。HF-200型钻机在实际施工中采用的钻进参数参考值见表1。

表1 HF-200型便携式钻机典型岩层钻进参数参考值

3.3 冲洗液选择

钻孔冲洗液性能是钻孔成功与否的关键因素，不但要起到清洗钻孔、冷却钻头、悬浮携带孔内岩粉的作用，还需要达到润滑钻具、减振降阻、保护孔壁的目的[7]。在绿色勘查中，钻孔冲洗液还应当要以无害添加剂代替有害添加剂进行配制，确保地下水资源不受污染。不同地层建议的冲洗液配方：

配方一（高固相冲洗液配方）:1m3清水+0.45%CMC（羧甲基纤维素）+2.5%植物胶+5.5%钠质膨润土。适用于第四系类覆盖层开孔钻进护壁。

配方二（低固相冲洗液配方）：1m3清水+0.25%CMC（羧甲基纤维素）+1.5%植物胶+0.5%钠质膨润土+100~150gPPM+0.02%（约60~90g）EZ MAD。适用于Ø96mm口径钻遇砂质、致密性粘土层地层护壁。

配方三（无固相冲洗液配方）：1m3清水+0.15%CMC（羧甲基纤维素）+0.65%植物胶+80~120gPPM+0.03%（约70~100g）EZ MAD+0.35%高效润滑剂。适用于Ø75.7mm以下口径钻遇较坚固类地层护壁。

4 HF-200型钻机在绿色勘查中的应用实例

4.1 项目介绍

北川车盘沟绿色勘查钻探工程项目位于四川盆地西北部的羌族自治县，海拔高度1200~1650m，气候潮湿，施工区内植被茂密、沟壑纵横，勘探线最近的钻孔距离村庄便道约11km，属于典型的大切割山区施工范畴，区域主要地层为第四系、震旦系长安组、富禄组以及丹州群白竹组、合桐组为主，区域构造线总体呈北东向，褶皱及断裂构造发育，钻遇地层的岩性主要为砂砾岩、千枚岩、板岩等。

4.2 工作效率

我公司于2020年3月11日组织HF-200型便携式钻机、Atlas P6型全液压动力头式钻机两台不同类型的设备同时入场施工，截止2020年5月23日结束，施工钻孔13个，完成累计钻探总进尺3458.41m。钻探进尺情况见表2。

表2 钻探总进尺完成情况一览表

为保护区域的生态自然环境，我公司没有投入大型工程机械修建道路和钻孔平台，充分利用区域内现有的简易便道，完全依靠人工抬运的方式完成钻机搬迁工作，在72d施工期内，Atlas P6型全液压动力头钻机完成5个钻孔施工，有效累计总进尺1526.30m，HF-200型便携式钻机完成8个钻孔施工，有效累计总进尺1932.11m。从实际数据上看，HF-200型便携式钻机与Atlas P6型钻机相比较，HF-200型钻机钻探进尺台月效率提高6.8%；同运距情况下累计搬迁时间缩短56.8%；钻机安装校正时间降低64.2%。HF-200型与Atlas P6型钻机辅助作业时间见表3。