摘要:工程地质钻探中的钻孔技术目的是获取地质资料和岩土层的各项物理、力学、化学参数。文章对工程地质钻探中的钻孔技术及其应用进行了阐述分析,钻探方法有多种,根据破碎岩土的方法可分为:冲击钻探、回转钻探、冲击回转钻探、振动钻探等。文章旨在为施工企业提供设计和施工的依据。
关键词:工程地质;钻孔技术;振动钻探;回转钻探;冲击回转钻探
中图分类号:U445文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)24-0019-02
为进行工程地质勘察所进行的钻探工程。其目的是通过钻探取样、样品分析、现场工程地质测试,以获取建筑基础的地质资料和岩土层的各项物理、力学、化学参数,为选择修建地点,基础处理方式、建筑物类型、结构制订合理的施工方法,以及为防止滑坡、泥石流等地质灾害提供设计和施工的依据。
工程地质钻探设备主要包括动力机、钻机、泥浆泵、钻杆、钻头等。钻探方法有多种,根据破碎岩土的方法可分为:冲击钻探、回转钻探、冲击回转钻探、振动钻探等。
工程地质钻孔的直径,一般根据工程要求、地质条件和钻探方法予以综合确定。为划分地层,终孔直径不宜小于33毫米;为采取原状土样,孔径不宜小于108毫米;为采取岩心试样,软质岩石不宜小于108毫米,硬质岩石不宜小于89毫米。
一、地质钻探技术
向地下钻孔破碎孔底岩石的方法及钻进工艺的总称。为了满足不同的钻探目的,要求采用不同的技术装备和工艺,从而形成各种不同的钻探方法。在钻探工程中,主要应用机械方法破碎岩石,根据外力作用的性质和方式,可分为冲击钻探、回转钻探、冲击回转钻探、振动钻探和喷钻探等。若按钻探时所用切削工具不同可分为硬质合金钻探、金刚石钻探和钢粒钻探;按钻探时所用冲洗液和循环方式可分为清水钻探、泥浆钻探、空气钻探、正循环钻探、反循环钻探等;按钻探区域不同可分为陆地钻探、水域钻探、极地钻探、月面钻探等;按钻探目的和作用不同可分为固体矿产钻探、水文地质钻探、工程地质钻探、砂矿床钻探、地热钻探、石油天然气钻探、科学(超深孔)钻探和地表取样钻探等。见表1。此外,一些效率高的钻探方法如热力法(如火焰喷射钻、高频电流钻、微波钻)、熔融法(如电热钻、等离子钻、激光钻等)、化学方法(利用化学反应破碎岩石)等,由于技术难度大、成本高还未推广应用。
(一)冲击钻探
用一字型或十字型钻头,与钢丝绳或钻杆相连上下运动冲击岩石,捞出岩屑、岩粉,造成钻孔。这是创始于中国的一种古老的钻井方法,于11世纪传入西方。目前在中国和国外都还在应用。
(二)回转钻探
用转盘、回转器或动力头驱动钻杆带动钻头回转的钻进方法,钻头分全面和环状取心两种,在轴向钻头压力作用下,回转克取岩石,取出岩心或排出岩粉,造成钻孔。这是当前最普遍用的钻探方法。回转速度视钻机而异,如石油钻机一般情况下最高160转/分,金刚石钻机最高达2400转/分。
(三)冲击回转钻探
以钻杆带动钻头缓慢(50转/分左右)回转,在轴向钻头压力作用下,再利用通过钻杆中心的液体或气体产生的冲击力,以冲击和回转两种方式破碎岩石,充分发挥冲击和回转切削两种作用造成钻孔。
(四)振动钻探
对松散、非胶结岩层,在管柱(下部为钻头)上施加振动力和压力(或自重),提上管柱,取出岩心,造成钻孔。振动力由两个偏心相反方向旋转产生。近年加拿大研制了一种共振钻探法,钻速很高。
二、钻孔技术及其应用
(一)钻孔技术分类
为了揭露矿体,必须采用一些勘探,以便对矿床进行全而的调查研究工作。钻探是快速勘探深部矿体非常有效的方法之一。如何合理地使用勘探工程,已成为勘探工作中较为重要的问题之一。勘探工程总的来说是坑探和钻探两大类。常用的钻探主要是浅钻、岩心钻和坑内钻(或称地下钻)等。
1.浅钻。浅钻的用途与浅并相似,主要用在涌水量大时用来代替浅井。浅钻:用来勘探埋藏不深的矿床近地表部分之矿体,可代替浇井。浅钻的种类很多,多半是自行的安装在汽车上。浅钻的特点是经济,便利,孔浅,易搬。但钻进岩石的硬度不宜太大。
2.岩心钻。在对矿床进行勘探的过程中,岩心钻是用来了解矿体深部地质情况的五要工程手段。无论在山区或平地,也无矿种或矿床的复杂程度怎样,只要了解矿床规模或矿体向地下深部的延伸情况以及寻找并勘探盲矿体时,一般多用岩心钻。通过钻机在钻进的过程中所采取的岩(矿)心及岩扮,可详细地研究被钻孔所穿过的岩石和矿床的地质构造和矿石的质量。共岩心采取率一般应大于60%～70%。当矿体倾角较平缓时,一般采用垂直钻孔;矿体倾角较大时,则多采用倾斜钻孔;有时在施工所允许的弯曲范围内,也常打一些随钻进逐渐加深而使钻孔倾角有规律地变化,以设计的角度穿过矿体的定向钻。
3.地下钻。在水平坑道中钻进的岩心钻称地下钻(或称坑内钻)。在对许多矿体产状复杂的矿床进行详细勘探或生产勘探时,使用这种钻探的工程手段是非常有效的。
(二)钻孔技术应用
在地质勘查工作中,利用钻探设备向地下钻成的直径较小深度较大的柱状圆孔,又称钻井。钻探石油和天然气以及地下水的钻孔直径较大些。钻孔直径和深度大小,取决于地质矿产埋藏深度和钻孔的用途。
钻孔各部位的名称如图1所示。钻孔起始部位称孔口,侧部称孔壁,底部称孔底。钻孔的直径D简称孔径,孔口直径称开孔口径,孔底直径称终孔直径。从孔口至孔底的距离H称钻孔深度,简称孔深。钻孔的某一段称孔段。
钻孔的功用:(1)获取第一手地下地质实物资料,即从钻孔取出岩心、矿心、岩屑或液、气态样品,必要时从孔壁补取侧壁岩样矿样;(2)作为地球物理测井的通道,获取岩矿层各种地球物理信息;(3)作为人工通道观测地下水层水文地质动态;(4)有的钻孔可探采结合,开采地下水、地热、油气等。
钻探工程已广泛用于国民经济许多部门,按用途,钻孔可分为如下几类:(1)地质普查或勘探钻孔,用于了解地质构造、找矿或探明矿产储量;(2)水文地质钻孔,勘察地下水文地质情况;(3)水井,为工业、农业、国防及生活而开发利用或补给地下水资源并有充实水文地质资料作用;(4)工程地质钻孔,勘察或为建筑厂基、坝址、水库、桥梁及道路等探明工程基础状况;(5)石油钻井,勘查和开发石油、天然气;(6)地热钻孔,勘探和开发地下热水与蒸气资源;(7)工程基础施工钻孔,为加固处理建筑工程基础而应用的基础桩或管桩所施工的钻孔;(8)开发钻孔,开采地下卤水、溶解岩盐、硫磺、燃烧气化地下煤炭等;(9)采矿或隧道等工程的辅助钻孔,采矿或隧道施工时为通风、排水、探水、探气、冻结、运输以及建筑和通讯安装管线、爆破、取样、灌浆等所施工的钻孔。
三、结语
钻探工程随着科学技术与国民经济的发展,在探查、开采、施工三方面的应用领域日益扩大,并与许多尖端科学密切联系,如深海洋地底钻探、南极极地钻探、地壳科学深钻、月球表层钻探等,将钻探工程学科推向一个新高峰,将有可能对整个地学基础理论提出挑战性的认识,从而促使矿产、新能源、新材料以及地震、地质灾害防治等领域有重大突破。
参考文献
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