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環境取樣鑽機的關鍵技術及發展趨勢研究

2020-07-15 15:26來源:未知瀏覽:
摘要:環境質量同生活品質密切相關,環境鑽機在環境質量檢測中扮演著不可或缺的角色。本文綜述了直推式、聲頻振動式和回轉式環境取樣鑽機的工作原理及發展曆程,總結了國內外鑽機在智能化、結構緊湊程度和外觀造型上的差距,提出了環境取樣鑽機的關鍵能力,包括移動能力、鑽進能力和樣品保真能力,指出了環境取樣鑽機將朝著動力采用清潔能源、自動分析樣品和適應多種場合的方向發展。
關鍵詞:環境檢測;取樣鑽機;關鍵技術;發展趨勢
 
0  引言
 
自工業革命以來,人類社會文明的發展進程急速變化,人們在享受工業革命帶來的豐碩果實的同時,生態環境卻遭受到了破壞,而隨著社會的發展,人們不僅對物質文化生活提出了更高的要求,對環境等方麵的要求也越來越高[1],因此,通過進行環境取樣來測定環境中物理化學和生態係統各指標,以確定環境汙染狀況或環境質量的高低顯得尤為重要[2]。
 
 
 
環境取樣通常包括水體取樣[3-5]、氣體取樣[6-8]和土壤或地質取樣[9-11],在環境地質取樣中,主要有直推式取樣、聲頻振動取樣和回轉取樣,環境取樣鑽機通常具有鑽探成本低、取心率高、鑽進速度快、對樣品無擾動及對土壤無汙染的特點[12-15]。本文綜述了環境取樣鑽機的發展曆程,通過對國內外鑽機的比較得出,國外鑽機通常具有模塊化和智能化程度高、結構緊湊、造型美觀的特點,但同時價格昂貴,國內鑽機也正朝著這幾個方向發展,提出環境取樣鑽機的關鍵技術包括移動能力、鑽進能力和樣品保真能力3個方麵,認為環境取樣鑽機將朝著采用清潔能源動力、自動分析樣品和適應多種場合的方向發展。
 
 
 
1  直推式取樣鑽機
 
1.1直推式取樣鑽機的工作原理
 
直推式取樣鑽機通常由導軌、給進油缸、振動衝擊器、馬達和變速箱等組成,其鑽進方法包括推鑽、錘擊或振動推進鑽頭3種,工作原理是在鑽進過程中,遇阻力較小的時候給進油缸產生靜壓力推動變速箱沿導軌向下運動,帶動取樣裝置無回轉地進入地層中,阻力較大或者無法靜壓進尺的時候,振動衝擊器產生衝擊力,配合靜壓入土的方式快速鑽進成孔並取樣,直推鑽機在取樣過程中不需要衝洗液,確保所得到的樣品不被交叉汙染,能最大程度保證土樣的原狀特性[16-17]。
 
 
 
1.2直推式靜壓取樣鑽機的發展
 
直推技術起源於20世紀20年代的荷蘭,當時荷蘭人在進行收集岩土和水文地質數據及土壤和地下水樣品的時候,直接將錐形取樣或測量裝置推入地下;到20世紀90年代,隨著國外的環境鑽探項目日益增多,為快速高效地獲得高質量原狀土樣品,美國Geoprobe公司率先在鑽機中應用了直推技術,在首次應用中鑽進速度明顯超過普通回轉鑽機,目前該公司生產的Model7800型直推式靜壓取樣鑽機(見圖1),具有直推和聲頻振動鑽進功能且車載方式使其具有在野外能快速往返於不同取樣地點的特點[18-19]。
 
 
 
圖1 Model7800型鑽機
 
Fig.1 Model7800 drill rig
 
 
 
除了Geoprobe公司之外,美國的PowerProbe公司研發了VTR係列直推式靜壓鑽機,其9520VTR型鑽機具有動力強、燃油效率高、環保且能自動調整支架的特點;西班牙TEOP.S.A公司研製的TEC12型鑽機模塊化程度高,同時擁有旋轉頭和錘擊頭的設計使其既能進行勘探取樣又能進行標準貫入實驗,三類靜壓鑽機的技術參數見表1。
 
表1 國外直推式鑽機技術參數
 
Table 1 Technical parameters of foreign direct push drill
 
 
 
 
 
我國在進入21世紀之後,原建設在城市內部的工業園區外遷趨勢加快,原有場地轉變為商業或居民用地,對這些場地的汙染狀況調查引發了國產環境鑽機研製熱潮,此時,國外的直接推進鑽探技術進入中國,經過十幾年發展,國內某直推式鑽機專業生產廠家自主研製並量產了智能化土壤地下水環境取樣修複一體機,自主研發的自適應負載匹配液壓係統,能夠根據負載反饋提供所需的液壓壓力和流量,使得直推式鑽機(見圖2)同時具備動力足、能耗小、效率高、壽命長的特點。一款設計合理,性能穩定的直推式鑽機應滿足國內土壤環境調查日益嚴格的技術要求以及業務增長需求;適應國內各地區多樣且複雜地質條件;保證在複雜汙染物場地調查中土壤地下水樣品的原狀性;確保在惡劣現場調查環境下鑽機的可靠性和安全性;同時具備強大的功能擴展性,包括地下水監測井建設、高分辨率原位檢測調查、原位直推注射修複等。具體來說應包括以下方麵:
 
 
 
 
 
 
 
圖2 國內某直推式鑽機專業生產廠家自主研發的量產直推式鑽機
 
Fig.2 homemade direct push drill by inland professional factory
 
 
 
 
 
(1)整機結構設計應合理緊湊,發動機、液壓泵、液壓馬達、動力頭等關鍵元件除性能可靠、質量過硬外,更需有匹配的液壓調節及油路係統,保證鑽機整體各元件協調工作。鑽機應具備自適應負載匹配液壓係統,根據負載反饋提供所需的液壓壓力和流量,在車輛輕載或無操作條件下,係統壓力自動降低,大大減少液壓油發熱量及發動機負載;在較高的環境溫度下運行並執行高占空比操作(例如取土,建井等單一動作)時,調節係統的壓力、流量與負載一致,這將會大量節約燃料,同時減少液壓係統元件磨損,延長使用壽命。
 
 
 
(2)應能適應惡劣的場地工作條件,鑽機應前後重量分布、重心位置應合理,配以定製工程機械底盤及液壓係統提供的動力,爬坡角度應至少達到30°,應具備良好的通過性以適應部分斜坡、軟土、建築垃圾等複雜場地作業的需要。同時鑽機工作裝置應可進行前後、左右、仰俯、鍾擺等動作調節,提高作業點位的可達性,同時可根據作業點實際情況進行微調保證垂向取樣作業。
 
 
 
(3)應具有較強地層的適應性,能在沉積層、砂層、卵石層及堅硬地層鑽探采樣。這要求直推式鑽機除具備強大動力外,需要配套多樣的鑽探動力頭及相應的鑽具和鑽探工藝,在不同地層中達到合格的岩心采取率。鑽探動力頭應配備衝擊動力頭和回轉動力頭。鑽探工具應配備2.25in單套管、3.25in雙套管土壤取樣鑽具用於常規沉積性地層土壤取樣(通常取樣深度最大應達到30m),配備4.25in螺旋鑽用於地下水監測井建設,配備3.25inch雙套管活塞式取樣鑽具用於砂層(細砂、中砂)取樣,配備4.25in螺旋驅動直推取樣工具用於卵石層取樣,配備金剛石鑽頭及鑽具用於鑽探堅硬岩層及取樣,配備高強度合金鑽頭用於混凝土的破碎。同時還應需注意鑽機配套鑽具的質量和重量,鑽杆應采用粗螺牙,每個連接頭約7-8牙左右,在保證緊固的同時,也方便快速輕巧的拆裝,鑽頭應采用高強度合金切削鑽頭。鑽具通常長度為1.5m,質量應不超過10kg以方便現場操作。
 
 
 
(4)應采用智能自動化設計和物聯網技術,包括:
 
①GPS定位導航係統、現場實施監控係統、物聯網遠程管理及控製係統,準確記錄鑽機每日工作路線、工作量和工作現場情況,並可遠程實時查看現場工作情況並指導作業,具有遠程布置工作任務和控製鑽機的功能;
 
②智能化儀表現場及遠程實時查詢監控發動機轉速、油溫、水溫,工作時長數等關鍵參數,並具有關鍵參數故智能診斷與報警功能,保證施工安全和設備的正常工作;
 
③采用自動化負載敏感係統,液壓泵可滿足多個回路的壓力-流量需求,不存在溢流、節流、減壓的損失,真正達到“按需供給”。整個係統功率損失小,效率及燃油經濟性高,係統發熱量低,。
 
 
 
(5)應具有強大的拓展性,應能實施傳統場地調查采樣、高分辨率場地原位檢測調查、直推式原位注射功能,應是集土壤、地下水土壤氣調查與修複的一體化智能裝備,如圖3。因此合適的直推式鑽機應匹配以下功能:
 
①針對場地調查施工實操流程,鑽機配備的後置工具托架、側向工作平台、側向鑽具托架以及隨機清洗裝置等輔助功能,為現場鑽探工作提供移動式平台;
 
②基於汙染場地直推式注射修複功能,鑽機在設備後端預留有液壓快插備用借口,並通過對原位直推注射係統中注射泵和注射鑽頭鑽具的配套研發,實現以直推鑽機-注射設備-注射鑽具對應相匹配的全套原位直推注射係統,提供最高20Mpa的注射壓力,同時可進行自上而下和自下而上的注射工藝;
 
③合適的直推式鑽機應匹配原位高分辨率檢測調查(MIP、LIF、OIP、HPT等)的需求,包括提供穩定的鑽探速度、配套的鑽杆保持架、配套的鑽杆及配件等。
 
④合適的直推式鑽機應能進行土壤氣檢測井建設、預裝井建設及地下水快速取水工作。
 
國內某直推式鑽機專業生產廠家量產的履帶式直推式鑽機(見圖3)參數如表2:
 
表2 國內某直推式鑽機專業生產廠家量產的鑽機參數
 
Table 2 Technical parameters of homemade direct push drill
 
 
 
 
 
 
 
圖3 汙染場地精準調查與決策處置工作站
 
Fig.3 Accurate survey and decision disposal workstation of contaminated site
 
 
 
2  聲頻振動取樣鑽機
 
2.1聲頻振動取樣鑽機的工作原理
 
聲頻振動鑽機主要包括振動頭、液壓係統、動力係統、行走底盤和桅杆五大部分,它的工作原理是通過聲頻振動頭上兩個對稱分布的偏心軸或偏心塊相向轉動使軸向力疊加,水平力抵消,疊加的軸向力能通過鑽杆傳遞給周圍土體,通過調節偏心軸或偏心塊的轉動頻率能使其同鑽杆產生共振,產生駐波,駐波的巨大能量也傳遞給周圍土體,從而擠開或液化周圍土體實現高速鑽進[21-23](參見圖4)。
 
 
 
圖4 聲頻振動鑽機原理圖
 
Fig.4  Working diagram of audio vibration drill rig
 
 
 
2.2聲頻振動取樣鑽機的發展
 
聲頻振動鑽機又稱聲波鑽機,因其振動頻率在50~200Hz的人耳能感受到的頻率區間而得名。聲頻鑽進理論最早是由羅馬尼亞工程師George Constantinesco提出,1930年,另一位羅馬尼亞工程師Ion Basgan介紹了將高頻振動應用在傳統鑽進技術的理論,加快了聲頻鑽進技術的發展;20世紀60年代,美蘇兩國相繼研發了適用於孔底或隻依靠振動不具備回轉功能的振動器,雖然鑽進速度快,但巨大的振動能量總能造成結構損壞,因此,實驗以失敗告終; 70年代之後,美國的 Ray Roussy和他的助手設計了一種低頻振動鑽機並在油田、砂土地層和冰凍層實驗成功,後來陸續有其他國家和公司對聲頻鑽機進行研究,使得聲頻鑽機迅速發展;90年代之後,聲頻振動鑽機已經得到了充分的發展。由於聲頻振動鑽機在鑽探過程中不需要水或其他鑽井液,對周圍環境不會產生汙染,各個國家相繼將聲頻振動鑽機應用在環境鑽探中,目前英國Ecoprobe、荷蘭Eijkelkamp、美國BoartLongyear、加拿大Sonic Drill和日本ToneBoring等公司都有自己的聲頻振動鑽機[24-27],技術參數見表3。
 
表3國外聲頻振動鑽機參數
 
Table 3 Technical parameters of foreign audio vibration drill rig
 
 
 
 
 
中國在21世紀初引入聲頻振動鑽機之後在吸收國外先進經驗的同時,對鑽進機理等進行深入研究,采用虛擬樣機技術設計並模擬鑽進過程,現在中國地質大學(北京)、中國煤炭地質總局第二勘探局、北京探礦工程研究所及無錫金帆鑽鑿設備股份有限公司相繼研發出自己的聲頻振動鑽機[28-31],技術參數見表4。
 
表4國內聲頻振動鑽機參數
 
Table 4 Technical parameters of domestic audio vibration drill rig
 
 
 
 
 
聲頻振動鑽機進入我國較晚,雖然國內研製該類型鑽機的廠家已經較多,但是產品性能以及減振措施等關鍵技術同國外鑽機差距較大,在加大研發力度的同時同國外企業開展技術交流顯得很有必要。
 
 
 
3  回轉取樣鑽機
 
3.1回轉取樣鑽機的工作原理
 
環境取樣過程中所用到的回轉鑽機具有輕便、易操作型的特點,通常有兩種類型(見圖5):(1)自行走鑽機,即可通過控製鑽機自身安裝的係統使鑽機移動,該類鑽機通常由柴油機/汽油機、桅杆、卷揚機和動力頭組成;(2)背包鑽機,主要由主機、鑽具和鑽杆組成。兩種回轉鑽機的工作原理是鑽杆和動力頭或主機相連,動力頭或主機帶動鑽杆回轉並加壓,衝洗液通過鑽杆內部流入孔底,冷卻鑽頭,並攜帶岩屑從鑽杆外壁和鑽孔間隙之間返回到地麵[32-34]。
 
 
 
圖5 回轉鑽機
 
Fig.5 Rotary drill rig
 
 
 
3.2回轉取樣鑽機的發展
 
(1)自行走式鑽機,西方國家在20世紀70年代為方便在偏遠地區鑽探施工,開始研製輕便化的鑽探設備,到90年代,美國mobiles drilling公司研製的Minuteman鑽機、Acker Drill公司研製的KODIAK及加拿大EGR公司的EP600型鑽機均具有整體結構簡單緊湊,能夠在空間狹小的地方進行取心作業並快速移動的特點,且機械化接卸鑽杆的方式,大大縮短了鑽進過程的輔助時間[35-37],三類鑽機的技術參數見表5。
 
表5 國外自行走式鑽機技術參數
 
Table 5 Technical parameters of foreign automatic walking drill rig
 
 
 
 
 
中國在20世紀70年代生產的“爭光”係列鑽機開創了我國輕便鑽機的先河,80年代無錫探礦機械總廠研製的G係列輕型鑽機在當時廣受歡迎,隨後在90年代進行的國土資源大調查中多家企業和科研院所自主研製了多種輕便鑽機,這些鑽機技術參數上雖有差異(見表6),但結構上相似度卻很高。
 
表6 國內自行走式鑽機技術參數
 
Table 6 Technical parameters of domestic automatic walking drill rig
 
 
 
 
 
(2)背包鑽機,背包鑽機最早是由美國紹爾公司為進行礦物考察、油田勘測等地質研究者打造的一種輕型鑽機,包括動力機、回轉器和手持壓力桶等部件,現也經常用於環境取樣鑽進中。由於背包鑽機具有重量輕、可由單人攜帶和使用方便等特點,深受鑽探工作者的喜愛,因此自問世以來迅速發展,目前,國外常見的背包鑽機為澳大利亞科力公司研發的SD-1型單人手持式土壤取樣鑽機和德國高茲研製的WD-H型手持岩心取樣鑽機[38-40],技術參數見表7。
 
 
 
表7 國外背包鑽機技術參數
 
Table 7 Technical parameters of foreign knapsack type drill rig
 
 
 
 
 
鑒於進口的背包鑽機價格昂貴,且不能滿足我國複雜地層的取樣需求,因此,研製適合我國地質工作者們使用的背包鑽機顯得十分必要。經過近幾年的發展,北京探礦工程研究所、濟寧恒旺集團、山東巨匠機械集團有限公司、唐山凱地勘探設備製造有限公司和新泰宏豐地質鑽探工程有限公司相繼研發了自己的背包鑽機[41-43],技術參數見表8。
 
表8 國內背包鑽機技術參數
 
Table 8 Technical parameters of domestic knapsack type drill rig
 
 
 
 
 
通過對環境取樣過程中常用鑽機的綜述,可以得出,國外鑽機無論是在智能化、模塊化還是結構及外觀方麵都擁有成熟的技術,但是,國外鑽機價格昂貴,國內鑽機需在技術上趕超國外鑽機的同時,可充分發揮價格和售後服務的優勢來開辟市場。
 
 
 
4  關鍵技術和發展趨勢
 
4.1環境取樣鑽機的關鍵技術
 
環境取樣主要是通過對原狀樣品進行分析測試得出該地區的環境汙染狀況,通常施工環境複雜多樣,且采樣點數目繁多,環境取樣鑽機是集智能化、模塊化、輕便化於一體的技術集成,其關鍵技術主要包括以下幾個方麵:
 
(1)移動能力:由於取樣環境或取樣數目的不確定性,對環境取樣鑽機的移動能力有較高的要求,在野外地形複雜或取樣數目較多的時候,為節省時間提高效率,要求鑽機能快速移動到不同取樣點,這種情況下就需要具有較大結構和質量的直推式取樣鑽機同時具有穩定性較好的履帶和能快速移動的輪式移動機構,或者易於輪式越野車輛搬運。
 
 
 
(2)鑽進能力:鑽機的最終用途是用來鑽取樣品,複雜的野外環境使便於攜帶的輕便鑽機廣受歡迎,但輕便性造成動力裝置小型化,隨著鑽進深度的增加或遇到堅硬地層的時候,阻力越來越大,沒有充足的動力將會出現鑽進乏力、效率低下等問題,在保證二者兼備的情況下,提高鑽進能力將具有重要意義。
 
 
 
(3)樣品保真能力:樣品的保真主要指對樣品的結構和成分的保真,由於樣品本身包含較多的夾雜物,為了解樣品中所包含的內容,在鑽進過程中,需要避免樣品受到衝洗液的二次汙染,或者鑽具對樣品產生擾動,因此,結合化學、材料和力學等學科對所研究樣品不會產生汙染的衝洗液和鑽具需要被研發。
 
 
 
4.2環境取樣鑽機的發展趨勢
 
綜述國內外的環境鑽機可以得出,環境鑽機通常具有小型輕便、無泥漿、多功能的特點,但也有需要進一步完善的地方,例如大部分鑽機還是采用內燃機驅動,而在采樣分析過程中還需要花費大量時間在實驗室進行分析,另外,雖然多功能環境鑽機具有能夠進行淺層地表取樣以用於分析汙染情況、地質勘察、淺層礦產資源勘探及淺井槽探工程等能力,但是適用場地還是比較單一,因此,隨著社會的進一步發展,環境鑽機將有以下幾個方麵的發展趨勢:
 
 
 
(1)動力等采用清潔能源:目前,風能、太陽能等清潔能源技術已經非常成熟,鑽探工作在野外作業時采用內燃機驅動鑽機時,需要另外攜帶燃油增加了工作負擔,而自帶太陽能芯片或扇葉的鑽機能在一定程度上緩解或滿足自身的需求,並減少對環境的汙染。
 
 
 
(2)自動分析樣品:微型計算機技術在現在社會中已經得到了普遍應用,結合材料工程和編程技術,通過研發新型感應鑽杆鑽具,在鑽進過程中將地層或其他信息實時顯示在鑽機上的微型計算機上麵,能迅速了解地層土壤的汙染情況。
 
 
 
(3)適應多種場合:由於現在的鑽機適用場合很單一,而環境鑽探的場合包括陸地、水麵等,因此結合造船、兩棲技術在現在鑽機的基礎上增加漂浮裝置等,研製用於水體或淤泥取樣的鑽具,使原來的陸用鑽機能在湖泊沼澤灘塗等地使用,拓展鑽機的應用範圍,從而節省成本。

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