陸域新能源基巖淺鉆取樣技術(shù)應(yīng)用研究

摘 要：傳統(tǒng)燃油動(dòng)力淺鉆取樣技術(shù)存在不符合防火要求、散裝汽油管理嚴(yán)格以及噪聲污染、廢氣污染等問題。利用蓄電池作為能源的便攜式陸域基巖取樣鉆機(jī)，解決了超低鉆壓條件下針對(duì)不同類型基巖的鉆進(jìn)取樣難題，適用于城市地質(zhì)調(diào)查，相關(guān)技術(shù)可移植于月球、火星等巖石質(zhì)行星和其他小行星鉆探取樣探測(cè)。將鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于便攜式鉆機(jī)，解決了山區(qū)、林草區(qū)等特殊地貌區(qū)防火問題，避免了汽油采購(gòu)與運(yùn)輸難題，減少了噪聲及廢氣污染，實(shí)現(xiàn)淺鉆調(diào)查零碳排，助力綠色勘查發(fā)展。TGQ-DD10便攜式電動(dòng)鉆機(jī)輕便耐用，在“京西南生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)深部構(gòu)造探測(cè)與地質(zhì)安全保障”項(xiàng)目中完成了1 500組（累計(jì)進(jìn)尺1 350 m）巖石樣品采集，鉆進(jìn)效率較高，樣品質(zhì)量好。

關(guān)鍵詞：新能源；淺鉆取樣；新技術(shù)；基巖

Application of new technology for shallow drilling and sampling of bedrock in the land area

PENG Xinming1，3， LU Meng2，3， QU Hongjie2，3， TAN Chunliang2，3， HE Yi1， LU Qin2，3， GUO Yongyan1

（1.Beijing Institute of Ecological Geology， Beijing 100120， China;

2.Beijing Institute of Prospecting Engineering， Beijing 100083， China;

3.Technology Innovation Center of Green Drilling，China Geological Survey， Beijing 100083， China）

Abstract： Traditional fuel-powered shallow drilling sampling technology faces issues such as non-compliance with fire prevention requirements， inconvenience to obtain bulk gasoline， and creation of noise and exhaust pollution. A portable land-based rock core drilling rig powered by a battery has resolved the challenges of drilling and sampling under ultra-low drilling pressures for different types of bedrock， making it suitable for urban geological surveys. The associated technology can be adapted for drilling and sampling exploration on rocky planets such as the Moon and Mars， as well as other asteroids. The application of lithium-ion battery energy storage technology in portable drills addresses fire prevention issues in special terrain areas such as mountains and grasslands， eliminates the need for gasoline procurement and transportation， and avoids noise and exhaust pollution， achieving zero carbon emissions for shallow drilling surveys and contributing to the development of green exploration. The TGQ-DD10 portable electric drill is lightweight and durable， and has collected 1，500 sets of rock samples in the \"Deep Structural Exploration and Geological Safety Assurance in the Southwest Ecological Conservation Area of Beijing\" project， with high drilling efficiency and good sample quality.

Keywords： new energy; shallow drilling and sampling; new technology; bedrock

為了解決傳統(tǒng)燃油動(dòng)力鉆機(jī)無法進(jìn)入山區(qū)、林草區(qū)作業(yè)的難題，研發(fā)了陸域新能源基巖淺鉆技術(shù)，包括新能源鉆機(jī)和超低鉆壓鉆頭，針對(duì)不同類型的基巖進(jìn)行鉆取測(cè)試和作業(yè)，累計(jì)鉆取基巖樣品1 500組（北京市生態(tài)地質(zhì)研究所，2023），得到適用于不同巖性的超低鉆壓鉆進(jìn)取樣規(guī)程參數(shù)。本文成果對(duì)于陸域新能源基巖淺鉆取樣技術(shù)的迭代升級(jí)有參考和借鑒意義。

1 "技術(shù)背景及研究意義

1.1 "基巖淺鉆取樣技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

基巖是地學(xué)研究、礦產(chǎn)勘查、地球物理、地球化學(xué)、工程勘查以及行星科學(xué)無可替代的研究對(duì)象，采取基巖樣品是上述工作的重要任務(wù)。通常采用淺鉆取樣的方式采取地表出露的巖石樣品。人員可到達(dá)的區(qū)域，一般采用便攜式鉆機(jī)采取基巖樣品；人員無法到達(dá)的區(qū)域則使用遙控設(shè)備或鉆探機(jī)器人完成取樣。

常規(guī)基巖淺鉆取樣技術(shù)方面，北京探礦工程研究所研發(fā)了以汽、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源的系列淺層取樣鉆探設(shè)備和工藝（盧猛，2017；盧猛等，2015；趙洪波等，2014），2021年全國(guó)自然資源與國(guó)土空間規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC 93）發(fā)布了DZ/T 0362—2021《淺層取樣鉆探技術(shù)規(guī)程》，2022年發(fā)布了DZ/T 0406—2022《地球化學(xué)淺鉆測(cè)量技術(shù)規(guī)程》，規(guī)范了陸域淺鉆取樣技術(shù)方法，促進(jìn)了該技術(shù)的發(fā)展（蘇興濤等，2023）。

極地基巖淺鉆取樣技術(shù)方面，中國(guó)以及美國(guó)、英國(guó)均已鉆獲南極冰層下的基巖樣品（李冰等，2021；Anker et al.，2021；范曉鵬等，2021；呂欣雨，2023）。海域淺鉆取樣技術(shù)方面，美國(guó)、日本、俄羅斯、法國(guó)及英國(guó)的深海運(yùn)載器實(shí)現(xiàn)了海洋鈷結(jié)殼的取心，國(guó)內(nèi)“海馬”號(hào)ROV以及“蛟龍”號(hào)載人潛水器均實(shí)現(xiàn)了對(duì)海洋富鈷結(jié)殼的鉆?。╓hite et al.，1996；魯?shù)氯龋?019）。深空探測(cè)方面，美國(guó)阿波羅任務(wù)實(shí)現(xiàn)了宇航員手持鉆機(jī)鉆取月壤樣品，俄羅斯及中國(guó)實(shí)現(xiàn)了無人探測(cè)器鉆取月壤樣品并返回地球，美國(guó)“好奇”號(hào)及“毅力”號(hào)火星車已實(shí)現(xiàn)了火星基巖淺鉆取樣（趙斌魁等，2018；孫平賀，2018；蔣國(guó)盛等，2008；Witze，2022）。

1.2 "陸域淺鉆取樣技術(shù)的背景與挑戰(zhàn)

陸域淺鉆技術(shù)在我國(guó)具有悠久的歷史，廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)勘查、地質(zhì)調(diào)查、工程勘察、工程建設(shè)等領(lǐng)域。美國(guó)、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家自20世紀(jì)60年代以來就開展淺鉆方法工藝研究。近年來，淺鉆技術(shù)得到了不斷地應(yīng)用發(fā)展，形成了以鉆代槽、淺鉆化探、淺鉆地質(zhì)填圖、“淺鉆—測(cè)試”快速勘查等技術(shù)。但在城市地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域，淺鉆取樣技術(shù)存在以下問題：一是不符合防火要求。傳統(tǒng)背包鉆機(jī)采用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力來源，使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生廢油 廢氣排放，污染環(huán)境，且存在火災(zāi)隱患，不能進(jìn)入林區(qū)，例如，澳大利亞科力SD-1背包鉆機(jī)采用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)（圖1）。二是散裝汽油管理嚴(yán)格。汽油屬于危險(xiǎn)品，北京地區(qū)的加油站不允許售賣散裝汽油，而且攜帶汽油屬于違規(guī)運(yùn)輸危險(xiǎn)品，會(huì)受到嚴(yán)厲處罰。因此，城市地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域亟需安全環(huán)保的便攜式鉆機(jī)用于基巖取樣工作（李方震等，2021；張建杰等，2023；劉興龍，2023）。

1.3 "新能源基巖淺鉆技術(shù)應(yīng)用研究的目的與意義

新能源基巖淺鉆采用鋰電池提供能源，解決了傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)淺鉆存在的大氣污染、噪聲污染以及汽油發(fā)動(dòng)機(jī)不符合防火規(guī)定的問題，可以在城市和野外使用，防火期也可以在林區(qū)使用，拓展了基巖淺鉆的使用場(chǎng)景。

新能源基巖淺鉆采用電驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)技術(shù)、控制技術(shù)可移植于鉆探采樣機(jī)器人，用于人類無法到達(dá)的區(qū)域鉆探采樣以及月球、火星等巖石質(zhì)行星和小行星鉆探取樣，本研究可促進(jìn)電動(dòng)化智能化鉆探采樣技術(shù)的發(fā)展。

2 "新能源基巖淺鉆取樣鉆進(jìn)技術(shù)

TGQ-DD10便攜式新能源鉆機(jī)系統(tǒng)主要由電源及控制器、電機(jī)及減速箱、支架及手柄、鉆頭及取心管和供水系統(tǒng)等5個(gè)子系統(tǒng)組成（圖2）。

關(guān)鍵技術(shù)包括：1）高效的電池管理系統(tǒng)（BMS），監(jiān)控電池的充放電狀態(tài)、溫度、電壓等，并確保電池在安全的操作范圍內(nèi)工作。2）選用具有高能量密度和高功率密度的電池，以減小電池體積和重量，同時(shí)提供足夠的能量和功率輸出，以適應(yīng)巖心鉆機(jī)的需求。3）抗振動(dòng)和抗沖擊設(shè)計(jì)。鉆機(jī)在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)和沖擊力，設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)使電池能夠承受這些力量，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和電池的長(zhǎng)期可靠性。4）安全防護(hù)技術(shù)。鋰電池的內(nèi)部短路、過充、過放等都可能導(dǎo)致安全問題，因此必須具備有效的安全保護(hù)技術(shù)。5）環(huán)境適應(yīng)性和可靠性。電池及其輔助系統(tǒng)的材料和設(shè)計(jì)需要適應(yīng)惡劣環(huán)境，包括抗腐蝕、防水、防塵等。6）適合人員操作的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)。鉆進(jìn)時(shí)需要依靠人體提供鉆壓和反扭矩，鉆機(jī)關(guān)鍵參數(shù)必須考慮操作員的體力和耐力，鉆機(jī)手柄必須適合人員操作。7）多樣化的鉆頭和取心器具。操作員提供的鉆壓和反扭矩極為有限，限制了鉆機(jī)對(duì)不同巖石的鉆進(jìn)能力，必須通過提高鉆頭的效率來彌補(bǔ)鉆壓和扭矩的不足，需要針對(duì)不同基巖設(shè)計(jì)多樣化鉆頭。8）節(jié)水工藝設(shè)計(jì)。水是鉆取工作中用量最大的消耗品，取水、運(yùn)水都會(huì)嚴(yán)重降低鉆取工作小組的工作效率，須通過工藝設(shè)計(jì)減少水的消耗量。鉆機(jī)參數(shù)及配套器具見表1、表2。

3 "新能源淺鉆技術(shù)應(yīng)用與分析

3.1 "現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件與流程

為了保證巖石樣品磁性特征不受鉆進(jìn)過程的破壞，要求采用無磁鉆桿及鉆頭，孔底溫度不超過280℃，巖心直徑不小于30 mm，巖心平直，表面無直徑大于5 mm的缺陷，巖心長(zhǎng)度不小于20 cm。為了達(dá)到上述要求，根據(jù)不同地區(qū)不同巖性以及不同風(fēng)化程度，制定了具有針對(duì)性的鉆取方案。

巖石物性標(biāo)本采集點(diǎn)平均分布于北京約10 000 km2的山區(qū)內(nèi)，取樣地點(diǎn)通常位于路邊或靠近道路的基巖露頭處，部分采樣點(diǎn)距道路較遠(yuǎn)，需要攜帶鉆機(jī)、鉆具及鉆探用水爬上山坡。巖石種類包括花崗巖、灰?guī)r、砂巖、玄武巖、片麻巖、泥巖等。

采樣小組通常為2人一組，駕駛一輛越野車，鉆機(jī)系統(tǒng)、取心管、鉆頭及供水系統(tǒng)放置于后備箱中，另帶一桶25 L的鉆探用水，通常25 L水可以完成1個(gè)采樣點(diǎn)的采樣任務(wù)。在地質(zhì)圖上確定采樣位置和基巖巖性，依據(jù)基巖巖性配置鉆頭和鉆進(jìn)參數(shù)，然后可以開始取樣工作。

每次采取長(zhǎng)度不小于20 cm的完整基巖巖心，每個(gè)取樣點(diǎn)需要鉆探作業(yè)0.5～1 h，完成一個(gè)點(diǎn)的采樣工作后，采樣小組開車去往下一個(gè)采樣點(diǎn)，中途完成取水工作。一般每個(gè)小組每天可以完成4～6個(gè)采樣點(diǎn)的采樣任務(wù)。

在不同地區(qū)進(jìn)行巖心取樣鉆機(jī)施工時(shí)，施工環(huán)境對(duì)鉆進(jìn)技術(shù)的要求有顯著的差異。如：懷柔山區(qū)多巖漿巖分布，花崗巖硬度高，需要選擇孕鑲金剛石鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過程中保持方向穩(wěn)定，盡可能一個(gè)回次完成鉆取工作，確保鉆孔的順暢。鉆進(jìn)過程中溫度較高，需要采用較大的泵量為孔底降溫，防止孔底溫度過高。在房山區(qū)多灰?guī)r、白云巖分布，巖石較脆，鉆進(jìn)時(shí)巖粉易包裹鉆頭，使之不能切削，從而極大降低鉆進(jìn)效率。此時(shí)選擇水口較多、較大的鉆頭，利于孔底巖粉排出，鉆進(jìn)速度適中，避免過快導(dǎo)致巖粉糊鉆、卡鉆。在門頭溝區(qū)多中生界砂巖分布，砂巖組分的硬度和顆粒大小會(huì)影響鉆進(jìn)效率，需要根據(jù)砂巖的特性選擇耐研磨的鉆頭。

野外現(xiàn)場(chǎng)采集得到直徑為38 mm，高度不小于100 mm的圓柱體或半圓柱體標(biāo)本后，經(jīng)巖石切割機(jī)加工成高度為80 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體樣品（圖3），以供后期物性參數(shù)測(cè)定使用。標(biāo)本采集過程中，應(yīng)盡可能避免劇烈敲擊、與磁性材料摩擦、置于強(qiáng)磁場(chǎng)中，以免樣品受到磁污染。

3.2 "典型案例的選取與分析

針對(duì)不同基巖類型，研制3種類型的金剛石取心鉆頭，分別用于鉆進(jìn)花崗巖、變質(zhì)巖等硬巖，灰?guī)r、白云巖等碳酸鹽巖以及砂巖、泥巖等中硬—中軟巖。大水口的金剛石鉆頭用于鉆進(jìn)巖粉量較大的碳酸鹽巖，采用自銳胎體配方的金剛石鉆頭用于鉆進(jìn)花崗巖、變質(zhì)巖等硬巖（圖4 a）。依據(jù)不同基巖特性，選擇鉆機(jī)轉(zhuǎn)速400～800 r·min-1，泵量0.2～0.45 L·min-1。

3.2.1 "鉆取工藝流程

1）根據(jù)地質(zhì)圖及現(xiàn)場(chǎng)踏勘確定基巖巖性。

2）根據(jù)基巖巖性選擇對(duì)應(yīng)的鉆頭。

3）開鉆前，及時(shí)清理取心巖體表面。

4）鉆機(jī)就位后，頂部應(yīng)位于操作員胸部位置以下。

5）開孔工藝。傾斜鉆機(jī)，在巖石表面鉆出凹槽，使鉆頭徑向穩(wěn)定，避免跳動(dòng)，當(dāng)鉆頭可以穩(wěn)定鉆進(jìn)時(shí)，即開孔成功（圖4 b）。

6）鉆進(jìn)工藝。調(diào)整鉆進(jìn)角度，逐漸加壓，同時(shí)用水泵泵入清水冷卻鉆頭和排出巖屑，鉆進(jìn)過程中須保持方向穩(wěn)定，尤其在軟巖地層，須防止因鉆桿晃動(dòng)造成的巖心斷裂。

7）取心工藝。待鉆至設(shè)計(jì)深度后，停止鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)，沿鉆孔方向?qū)@桿拔出，若巖心未被拔斷，則須使用取心器卡取巖心。

8）樣品封裝。取得巖心后，嚴(yán)格填寫巖心牌，并用自封袋封裝（圖4 c）。

3.2.2 "鉆進(jìn)效率分析

完成基巖淺鉆取樣工作后，對(duì)北京地區(qū)的花崗巖、片麻巖、灰?guī)r、白云巖、砂巖、泥巖等6種代表性基巖的平均鉆進(jìn)效率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析， 并推薦鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)。

由表3可知，自銳金剛石鉆頭鉆進(jìn)硬度相近的花崗巖和片麻巖時(shí)鉆進(jìn)效率相差較大，這是因?yàn)榛◢弾r質(zhì)地均勻，各向力學(xué)性能相近，在極小鉆壓的條件下，鉆進(jìn)效率較低，而片麻巖礦物呈條帶狀，不同礦物的力學(xué)性能差異較大，其中較軟的礦物首先破碎，進(jìn)而為破碎較硬的礦物提供了有利條件，因此鉆進(jìn)效率較高。為了提高花崗巖的鉆進(jìn)效率，后續(xù)可采取改進(jìn)鉆頭配方、減薄鉆頭唇部、增大水口等減小切削面積的措施。

鉆進(jìn)炭質(zhì)泥巖和白云巖均采用大水口孕鑲金剛石鉆頭。炭質(zhì)泥巖易吸水，吸水后易于破碎，因此鉆進(jìn)效率非常高，鉆進(jìn)效率高則需要較大的水口，利于排屑。白云巖的彈性模量較高，達(dá)到2.1～16.5 GPa，最高值約為灰?guī)r（1.3～8.5 GPa）的2倍，需要通過減少鉆頭與巖石的接觸面積的辦法增大壓強(qiáng)才能有效鉆進(jìn)，因此選用大水口孕鑲金剛石。

砂巖與灰?guī)r可鉆性好，綜合考慮鉆進(jìn)效率和鉆頭成本，選用低溫胎體孕鑲金剛石鉆頭。

自銳金剛石鉆頭的胎體中加入了自銳材料，使得磨鈍的金剛石顆粒快速脫落，從而保持鉆頭鋒利，在超低鉆壓條件下可實(shí)現(xiàn)對(duì)花崗巖、片麻巖等硬巖的有效鉆進(jìn)。大水口孕鑲金剛石鉆頭增大了水口，減小了鉆頭唇部與巖石的接觸面積，低鉆壓條件下可實(shí)現(xiàn)對(duì)高彈性模量的白云巖的有效鉆進(jìn)；對(duì)于極易鉆進(jìn)的炭質(zhì)泥巖，大水口設(shè)計(jì)提高了破碎效率和排屑效率，最高鉆進(jìn)效率可達(dá)20 cm·min-1。綜合性能較好的低溫胎體孕鑲金剛石鉆頭則被用于鉆進(jìn)砂巖和灰?guī)r等中等可鉆性基巖。

自銳金剛石鉆頭磨損快，使用成本較高。大水口孕鑲金剛石鉆頭遇到硬巖以及砂礫巖等質(zhì)地不均勻的巖石容易發(fā)生崩齒現(xiàn)象，造成鉆頭報(bào)廢。低溫胎體孕鑲金剛石鉆頭綜合性能較好，適用于中等可鉆性巖石。

綜上，通過工程實(shí)踐篩選出自銳金剛石鉆頭、大水口孕鑲金剛石鉆頭以及低溫胎體孕鑲金剛石鉆頭等3類鉆頭，解決了超低鉆壓條件下不同類型巖石的有效鉆進(jìn)問題，并兼顧了效率和綜合成本。推薦的鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)見表4。

4 "結(jié)論與建議

4.1 "結(jié)論

1）新能源基巖淺鉆取樣技術(shù)安全環(huán)保。新能源鉆機(jī)解決了汽油動(dòng)力山區(qū)、林草區(qū)等特殊景觀區(qū)的防火問題，增加了有效野外工作時(shí)間。同時(shí)無噪聲污染、廢氣排放問題，對(duì)操作人員友好，是綠色鉆探技術(shù)。

2）新能源基巖淺鉆取樣效率較高，樣品質(zhì)量好。新能源基巖淺鉆無傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)淺鉆造成的振動(dòng)和沖擊問題，鉆進(jìn)平穩(wěn)，巖心質(zhì)量好。

3）需要進(jìn)一步優(yōu)化。下一階段優(yōu)化內(nèi)容包括：進(jìn)一步從細(xì)節(jié)上優(yōu)化TGQ-DD10便攜式電動(dòng)鉆機(jī)，在電機(jī)之上增加散熱效果較好頂板；手持耳把應(yīng)增加防滑、易握套件；設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易支架，鉆取巖心時(shí)轉(zhuǎn)速較高，鉆進(jìn)時(shí)穩(wěn)定性略差；快接鉆桿接口處增加防止反轉(zhuǎn)時(shí)脫開結(jié)構(gòu)；研發(fā)在人工加壓條件下高效金剛石取心鉆頭；可優(yōu)選微小流量泵代替人工洗車器；設(shè)計(jì)背包，以實(shí)現(xiàn)2個(gè)人能背運(yùn)整套設(shè)備；鋰電池小型化，進(jìn)一步減小重量。

4.2 "建議

1）加強(qiáng)新能源基巖淺鉆取樣技術(shù)的推廣應(yīng)用。超輕便的新能源基巖取樣裝備在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、極地科學(xué)考察、深海、深空探測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，應(yīng)加強(qiáng)在相關(guān)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

2）加強(qiáng)新能源基巖淺鉆取樣技術(shù)的研發(fā)以及新應(yīng)用場(chǎng)景的拓展。依據(jù)陸域、海域、深空探測(cè)等不同應(yīng)用場(chǎng)景須加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究：探索為鉆機(jī)提供反扭矩的新結(jié)構(gòu)；探索無水鉆進(jìn)取樣工藝，提高效率；集成回轉(zhuǎn)、沖擊、振動(dòng)等多種鉆進(jìn)模式；進(jìn)一步降低設(shè)備功耗至500 W以內(nèi)；進(jìn)一步豐富針對(duì)不同地層的鉆頭和鉆進(jìn)工藝；提升鉆機(jī)智能化水平；拓展海洋、極地、地外行星等應(yīng)用場(chǎng)景。

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收稿日期：2024-02-23；修回日期：2024-05-31

基金項(xiàng)目：京西南生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)深部構(gòu)造探測(cè)與地質(zhì)安全保障項(xiàng)目（11000022T000000439580）資助

第一作者簡(jiǎn)介：彭新明（1970- ）男 ，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事鉆探工程工作。E-mail：913668576@qq.com

引用格式：彭新明，盧猛，渠洪杰，譚春亮，何祎，盧倩，郭永巖，2024.陸域新能源基巖淺鉆取樣技術(shù)應(yīng)用研究［J］.城市地質(zhì)，19（4）：529-535