汪發(fā)文，鄔學農(nóng)，徐 俊，方 波，葉 慧

(1．湖北省城市地質(zhì)工程院，湖北 武漢430072;2．湖北省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊，湖北襄陽441002)

1 問題的提出

目前國內(nèi)地質(zhì)找礦和工程勘察的技術發(fā)展現(xiàn)狀表明，最終確定地下礦產(chǎn)資源的埋藏深度、儲量、品位及巖土物理力學性質(zhì)都必須依賴地質(zhì)鉆探原狀取樣加以驗證。隨著地質(zhì)找礦向更深部及更復雜地層方向轉(zhuǎn)變，工程地質(zhì)原狀樣特種取心要求向更精細化方向發(fā)展，對地質(zhì)鉆探取樣技術提出了更高的要求［1］。

目前鉆探取心方法通常有單管、雙管、三重管等剛性取心管，是小口徑鉆探施工的成熟技術。但是剛性取心管存在一個最大的缺點，即地下取出的心樣從剛性管倒出后一般再進行包裝試驗，試驗前無一例外地受到擾動和水分揮發(fā)，不同程度地影響物理化學指標化驗的準確度及完整度。譬如觸變性淤泥、凍土及天然氣水合物(又稱可燃冰)等特殊心樣，鉆取這些樣品受到的影響更大。剛性取心管擾動度為30% ～50%，水分保真度為70% ～90%，取心率一般為70% ～90%，有時甚至更低。其物理、化學、力學指標的準確度無法滿足業(yè)主及設計部門的要求，這也是鉆探工程界的一大難題［2］。為此，我們進行了柔性三重管的研制。

2 常用三重管取心鉆具

三重管取心鉆探是保障心樣完整度與準確度的重要手段［3］。常用的取心鉆具有如下幾種。

2．1 剛性與半剛性半合管內(nèi)管［4］

主要有PVC半合管、剛性半合管等。基本結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 三套管取心鉆具結(jié)構(gòu)示意圖

2．2 亞麻質(zhì)紡織布內(nèi)襯管

結(jié)構(gòu)同圖1，內(nèi)襯管材質(zhì)為亞麻質(zhì)紡織布，主要用于特殊巖(土)層，例如粉礦、應力構(gòu)造帶(斷層泥)等。

2．3 超長段取心內(nèi)襯管［5］

人為地加長取心內(nèi)管，提高單次提鉆取心長度，減少提鉆取心的時間間隔。

這3種鉆具的共同工藝缺陷是:低取心率、高擾動度，難以保證室內(nèi)原狀樣試驗的要求。

3 伸縮疊合型柔性(袋)管取心內(nèi)管的設計

3．1 技術方案

設計加工一種三重管的柔性內(nèi)管取心鉆具，有效解決上述常用鉆具存在的問題。再配套使用相應的取心鉆頭［6］及取心單向性罩爪簧鉆進，使鉆探取心樣品擾動度＜5%，水分保真度＞90%，取心率達到80% ～95%。

3．2 研究的重點及難點

(1)腸衣的材質(zhì):初步確定材質(zhì)為復合塑料，以滿足剛?cè)嵯酀?，硬而可疊、軟而不破的原則，同時又具有優(yōu)越的抗拉性、抗刺穿性、抗撕裂性，抗緩沖強度也很高。

(2)鉆具的設計與加工，配套的鉆頭及爪簧系統(tǒng)。

3．3 基本結(jié)構(gòu)及工作原理［7］

3．3．1 取心內(nèi)管結(jié)構(gòu)

袋管軸向折疊法如圖2所示，袋管徑向折疊法如圖3所示。

圖2 軸向折疊柔性袋管結(jié)構(gòu)圖

圖3 徑向折疊柔性袋管結(jié)構(gòu)圖

3．3．2 工作原理

如圖2所示，本體管與卡簧座絲扣連接后，將柔性(袋)管疊合套入本體管另一端。頭部用堵頭作雙層封閉，再將屏蔽管插入本體管，管內(nèi)組成安裝完畢。

最后將內(nèi)管總成植入外管中。當巖心(樣)經(jīng)卡簧進入取粉管中頂升堵頭，柔性袋管同步逐次向前伸出直至回次結(jié)束。

卸出外管后，心樣靠自重脫出，分段截取原狀樣保存。

3．4 具體實施方案(以徑向折疊法為例)

取心管由4部分組成:工具式本體筒、塑料質(zhì)袋管、導向堵頭、屏蔽式保護管。工具式本體筒與卡簧座絲扣連接，塑料質(zhì)袋管疊合套入本體筒，上部用堵頭封住，堵頭同時起導向、防沖和減壓作用。屏蔽保護筒設有對稱的2個排氣孔。

如圖4所示，該裝置設在鉆桿中。具體結(jié)構(gòu)為:取樣鉆桿端部連接鉆頭，鉆頭上端連接卡簧座，卡簧座內(nèi)壁設有卡簧。

圖4 取心管實施方案圖

本裝置中的取心本體筒分為3段:第一段連接底座段;連接底座段與卡簧座連接，即連接底座段的端面設有錐臺槽與卡簧座上的錐臺配合連接;第二段為保護套管連接段，保護套管連接段上套設連接有保護套管，連接底座段與保護套管連接之間設保護套管連接段限位端面;第三段為柔性袋管支撐段，保護套管連接和柔性袋管支撐段之間設有柔性袋管限位斷面。柔性袋管支撐段與保護套管之間有間隙，折疊的柔性袋管設在間隙中，即套在柔性袋管支撐段上，本實施例中折疊的柔性袋管軸向折疊套在柔性袋管支撐段上。保護套管上開設有排氣孔。

柔性袋管的端部連接取心蓋，取心蓋包括柔性袋管端部固定環(huán)，與柔性袋管端部固定環(huán)連接的心樣端部限位蓋，柔性袋管端部夾持在柔性袋管端部固定環(huán)和心樣端部限位蓋之間。本實施例中柔性袋管端部從內(nèi)向外穿過固定環(huán)，翻遍后通過柔性袋管端部固定環(huán)和心樣端部限位蓋之間的螺紋被夾持。

圖3是表示為柔性袋管徑向折疊套在柔性袋管支撐段上的示意。圖5為實物照片。

圖5 取心管核心元件組裝圖

3．5 其它配套工具和材料

3．5．1 腸衣材料

經(jīng)過反復試驗，柔性管腸衣材料主要成分為聚乙烯(主材)+玻璃纖維絲(添加劑)+其他。成品如圖6所示。

圖6 腸衣成品

3．5．2 鉆頭

加工制造的高胎體底噴鉆頭如圖7所示。

圖7 高胎體底噴鉆頭

3．5．3 單向性罩爪簧

卡簧為單向性罩爪簧，巖心進去后不能后退(參見圖8)。

圖8 單向性罩爪簧

4 生產(chǎn)應用及效果

4．1 鄂州汀祖文斌礦業(yè)有限公司三礦區(qū)漏采區(qū)靶向補充探查

4．1．1 工程概況

鄂州汀祖文斌礦業(yè)有限公司三礦區(qū)由4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)民營企業(yè)小礦整合而成，湖北省城市地質(zhì)工程院共承接了8個鉆孔，計2700多米。重點是探查漏采區(qū)及礦區(qū)接壤(或毗鄰)空白地段矽卡巖型磁鐵礦。礦區(qū)采空區(qū)較多，且經(jīng)多年開采，局部塌陷變形不止，山體(或土體)局部存在深層滑移及蠕動、索動。

3年來，先后有3支個體巖心鉆探隊伍進場施工，因為二層粉礦取心率＜30%無法滿足業(yè)主要求，一個鉆孔都沒有打成功而不得不中途黯然退場。

4．1．2 對策及措施

通過反復調(diào)研及現(xiàn)場踏勘，我們認為施工失敗的主要原因是工藝方法選擇不當。鑒于此，決定采用普通回轉(zhuǎn)鉆進，試用新的取心工藝，即三重管之伸縮疊合型柔性袋管取心鉆進。

設備選用XY－44型鉆機，BW－250型泥漿泵，繩索取心CNH型鉆具，63 mm鉆桿，以應對復雜地層及提高處理孔內(nèi)事故的能力。

4．1．3 地層情況

地層巖性詳見表1。

表1 礦區(qū)地層巖性

4．1．4 試驗效果

圖9、圖10為取出的巖心，覆蓋層、人工堆積層松散物取心率達到了98%以上，粉礦取心率 ＞95%，完全滿足設計及業(yè)主的要求。

4．2 黃岡食品工業(yè)園G塊供水井工程勘察流砂層取樣試驗

圖9 覆蓋層取心效果

圖10 粉礦取心效果

4．2．1 工程概況

黃岡食品工業(yè)園G塊擬設計備用供水井7口，集中修建供水管網(wǎng)，分散到每個小園區(qū)獨立供水。我們應邀對流砂層——主要取水層段作詳細的勘察取樣及群井抽水試驗咨詢。

4．2．2 地層情況

地層巖性詳見表2。

表2 礦區(qū)地層情況

4．2．3 配套設備

長沙探礦廠生產(chǎn)的百米鉆機，BW－150型泥漿泵，三重管(柔性內(nèi)襯管)取心鉆進，高胎體底噴金剛石鉆頭。

4．2．4 試驗效果

南川河位于西寧市南側(cè)，由南向北流，是湟水河的主要支流，對西寧地下水的補給和流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的調(diào)整起著至關重要的作用。南川河主要有兩級河谷階地，其中二級階地廣布于河流兩側(cè)，多為鑲嵌式。一級階地分布于二級階地內(nèi)側(cè)。流經(jīng)市區(qū)的南川河段、五四橋到勝利公園已整修成階梯狀蓄水池和水泥排洪河道。勝利公園以南的天然河床，是深切于漫灘堆積層之下的紅色巖層之中的溝槽(切溝)，最深可達 2.5～3 m，河流向源侵蝕向上游延伸。

圖11、圖12分別為取心過程和取出的流砂層心樣。流砂層原狀樣取心率100%。

圖11 取心過程

圖12 流砂層心樣

4．3 地鐵施工淺層有害氣體勘察鉆探密閉取樣技術的應用

4．3．1 項目背景簡介［8］

武漢地鐵二號線漢口火車站—青年路站盾構(gòu)施工時，洞口發(fā)生不明氣體燃燒、施工人員輕度中毒的現(xiàn)象，嚴重影響了工程進度。

據(jù)區(qū)域地球化探資料反映:該區(qū)域在全新世江漢湖群由興盛到衰退演變的環(huán)境條件下，經(jīng)歷了初、早、中期古河谷充填，晚期階地形成、萎縮和湖沼發(fā)育等過程。在這一過程中，大多的生物、有機質(zhì)源自近萬年的地質(zhì)歷史過程沉淀、堆積，隨后被水和泥沙覆蓋起來并與空氣隔絕，在厭氧菌的作用下脫水發(fā)酵，伴隨一定的溫度與壓力，使這些生物的殘骸變成泥炭，同時產(chǎn)生氣態(tài)產(chǎn)物，逐漸形成有害氣體。其形成過程可用下式表示:

而原巖土工程地質(zhì)勘察工作沒有對有害氣體進行專門的勘探工作。為了有效地掌控有害氣體對地鐵盾構(gòu)施工的危害，必須進行淺層有害氣體的專門勘探?？碧焦ぷ鞯囊豁椫匾獌?nèi)容是采用鉆探密閉取樣技術取出原狀樣淤泥質(zhì)粘土。

通過對密閉原狀樣的室內(nèi)反演測試、理論換算，再結(jié)合現(xiàn)場插管排放監(jiān)測對比分析，從而全面了解有害氣體的成分、含量、儲藏特征、空間分布規(guī)律特征等，最終制定相應的控制措施。

4．3．2 伸縮疊合型取樣技術的應用及效果

伸縮疊合型取樣技術用于含有氣體的淤泥質(zhì)粘土中取樣，配套使用超前底噴鉆頭，沒有使用單向性罩爪簧。取心率100%，樣品保真度98%以上，應用效果良好。

4．4 農(nóng)業(yè)地質(zhì)湖積淤泥質(zhì)富硒土(泥)原狀樣取心技術的應用

4．4．1 項目背景

湖北省地礦局10余年間的農(nóng)業(yè)地層調(diào)查結(jié)果顯示，湖北省富硒土壤資源十分豐富，江漢平原漢江流域經(jīng)濟區(qū)富硒土壤面積達10086 km2，可作為農(nóng)產(chǎn)品開發(fā)基地的面積達7000 km2，總量大、分布廣，品質(zhì)優(yōu)。

硒被認定為人體微量元素中的抗癌之王。在含有富硒元素土壤中生長出來的蔬菜糧食等營養(yǎng)價值極高，經(jīng)濟效益非?？捎^。如今市場上1 kg富硒大米售價上百元。在湖泥含有富硒元素的一小型湖泊中人工繁養(yǎng)的水產(chǎn)品，如富硒螃蟹，更是身價倍增。這些含硒豐富的地區(qū)已經(jīng)前所未有地被農(nóng)業(yè)部門的專家、領導及有識之士所重視。2013年，湖北省政府全面啟動了“金土地工程”即1∶5萬比例尺的農(nóng)業(yè)地質(zhì)地球化學調(diào)查工作，為大規(guī)模富硒農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園開發(fā)建設作好充分的準備［9］。

漢江流域天門市遍布30幾個中小湖泊，有的湖泊一直人工繁養(yǎng)螃蟹、蝦和黑魚等水產(chǎn)品。據(jù)調(diào)查，在富硒地帶的××養(yǎng)殖塘內(nèi)進行富硒產(chǎn)品的養(yǎng)殖試驗，將實驗區(qū)內(nèi)的鏈魚和生態(tài)鱉送到省漁業(yè)環(huán)境與產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心檢測，鏈魚的硒含量達到29 μg/100 g，生態(tài)鱉硒含量25 μg/100 g，明顯高于非富硒地帶養(yǎng)殖的鏈魚與和鱉［9］，被譽為水中“黃金”。為了大規(guī)模開發(fā)富硒螃蟹、富硒蓮子等高端水產(chǎn)品，擬挑選有代表性的湖泊進行化探普查，以摸清富硒湖泊、湖泥及水資源環(huán)境家底。

鑒于上述原因，在一些湖泊湖泥中，我們應用了伸縮疊合型柔性化學密閉取樣技術，提取了一批大直徑的淤泥質(zhì)原狀樣。

4．4．2 伸縮疊合型柔性化學密閉取樣技術的應用及效果

三重管的最大外徑130 mm，塑料袋管直徑100 mm，共取樣50多組。

一般單次超長段提取原狀樣的長度3～5 m，配套使用超前底噴鉆頭(沒有使用單向性罩爪簧)，鉆至硬塑狀粘性土層再提鉆，力求一氣呵成。

原狀樣取心率100%，樣品保真度98%以上，完全滿足農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查化探的規(guī)范及業(yè)主要求。

5 三重管(伸縮疊合型柔性袋管取心內(nèi)襯管)綜合使用效果分析

(1)柔性袋管內(nèi)襯管取心樣品擾動度小，保真度高。在覆蓋層(土層、人工堆積層)及粉砂層應用效果良好。

(2)柔性內(nèi)襯管與剛性管相比較，成本相應地降低。

(3)柔性內(nèi)襯管的三重管取心適合于單次提鉆超長段取心施工，能夠進一步提高鉆進效率。

(4)不僅可用于小口徑巖(礦)心鉆探及土層鉆進取心，也可以推廣應用到其他工程地質(zhì)勘查。例如地鐵施工深厚流砂層、含硫化氫等有害氣體的腐殖質(zhì)淤泥工程勘察、湖積淤泥層富硒土等特殊地層的勘查，還可以推廣應用到煤礦、凍土及海泥、斷層泥、可燃冰等稀有礦的鉆探施工中。

6 結(jié)語

三重管之剛性取心管內(nèi)層內(nèi)襯柔性塑料袋管，再通過配套使用相應的取心鉆頭及取心單向性罩爪簧，鉆探取心鉆進可以保證達到:取心樣品擾動度＜5%，水分保真度＞95%，取心率達80% ～95%。值得工程鉆探界同行推廣應用。

［1］ 張金昌．地質(zhì)巖心鉆探技術及其在資源勘探中的應用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(11):1 －6．

［2］ 張偉．取心鉆進工藝方法的技術經(jīng)濟學分析——施工時間分析［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2007，34(8):1 －3．

［3］ 胥虹．套管跟進與繩索取心組合鉆探技術的應用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(4):22 －24．

［4］ 石立明．復雜地層巖心鉆探綜合治理技術［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(2):12 －14．

［5］ 張金昌．深部找礦和深部探測中鉆探技術的挑戰(zhàn)與對策［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(2):1 －10．

［6］ 趙爾信，卓國基，張傳林，等．金剛石制品制造工藝及其發(fā)展趨勢［J］．探礦工程，1999，(S1):187 －192．

［7］ 汪發(fā)文，程立文，吳禮生，等．伸縮疊合型柔性袋管取芯內(nèi)管:中國，ZL201020658026．2［P］．2011 －08 －31．

［8］ 徐貴來，樊永生，劉紅衛(wèi)，等．武漢地鐵2號線漢口火車站一范湖站區(qū)間地下有害氣體特征分析［J］．資源環(huán)境與工程，2012，(6):612－616．

［9］ 彭祚全，黃開勛，樸建華，等．富有機硒食品硒含量要求［S］．湖北武漢:湖北省衛(wèi)生和計劃生育委員會，2014．