我們正在為永久凍土擴展項目鉆探鉆孔包括北極環(huán)極地區(qū)的學(xué)校。項目的目的是在學(xué)校建立永久凍土監(jiān)測站，并有學(xué)生教師參與收集數(shù)據(jù)。我們鉆了一個6米深的鉆孔以供監(jiān)測臺測量地面溫度。有超過建立了50個網(wǎng)站，許多學(xué)校位于偏遠(yuǎn)地區(qū)村莊。這為開發(fā)便攜式設(shè)備創(chuàng)造了巨大的機會和必要性，輕型小直徑鉆頭。然而，永久凍土條件和當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)變化很大。這種便攜式鉆機系統(tǒng)受到了嚴(yán)重的影響被冷凍材料的顆粒大小所影響。螺旋鉆和取心的設(shè)計細(xì)粒凍土的碎片（機械性能）已經(jīng)很好了。發(fā)展。然而,凍結(jié)礫石,博爾德，冰川沉積物在使用時是極其困難的較重的軌道安裝液壓鉆機系統(tǒng)。在我們的外展項目中，我們試著開發(fā)一種用便攜式的方法在冰凍的礫石上鉆孔的方法。鉆系統(tǒng)。這個研究展示了我們的實驗和介紹便攜式鉆機系統(tǒng)的不同技術(shù)。

介紹

便攜式鉆井系統(tǒng)可能是為了尋找淺層地下水而開發(fā)的一種沖擊系統(tǒng)。樣本敲擊系統(tǒng)在18世紀(jì)早期在日本被廣泛應(yīng)用為“Kazusa-hori”。

工業(yè)革命后，回轉(zhuǎn)式鉆機系統(tǒng)比傳統(tǒng)的沖擊式鉆機系統(tǒng)更受歡迎。今天，有更多不同類型的鉆井系統(tǒng)被廣泛用于鉆井。表1顯示了鉆機系統(tǒng)的分類。

我們這個實驗的目標(biāo)應(yīng)該滿足以下條件:1).重量輕;所有的系統(tǒng)都應(yīng)該足夠緊湊和輕，能夠攜帶小型飛機、直升機、雪上移動設(shè)備以及小船到達(dá)偏遠(yuǎn)的村莊。2)。便攜式系統(tǒng);這項行動只需要一或兩個人開始和完成建立監(jiān)測站的所有工作。3)。小直徑孔;該鉆孔只需足夠大，以安裝1英寸(25mm)的PVC套管?？讘?yīng)盡可能小，以減少現(xiàn)場干擾。4)能適應(yīng)不同類型的凍土(材料)。大多數(shù)遺址都包含各種不同類型的祭祀地質(zhì)。要想在每個學(xué)校成功地進行訓(xùn)練，必須能夠適應(yīng)各種地面條件。

特別是由美國陸軍工兵部隊冷區(qū)研究和工程實驗室(CRREL)(例如Mellor, 1976)對凍土、砂等細(xì)粒土的鉆探技術(shù)進行了深入的研究和發(fā)展;羅森和Brockett,1980;Sellmann Brockett,1986;1988)。Sellmann和Mellor(1986)總結(jié)了凍土細(xì)砂鉆頭設(shè)計的非凡成果。他們得出的結(jié)論是，鉆頭的最佳性能應(yīng)該是:1)盡可能長時間保持鋒利，2)抵抗任何粗粒度材料的撞擊造成的損傷，3)足夠大，以允許以最大的可行設(shè)計速率穿透。間隙角不足是一個常見的問題。

本研究主要集中討論凍結(jié)粗粒物料(如冰凍砂礫)的移動式鉆井系統(tǒng)的方法，因為這種材料是最難鉆取的材料之一，在研究現(xiàn)場也很常見。我們需要能夠在許多偏遠(yuǎn)的村莊鉆鉆孔，即使是通過這些材料。

方法

鉆機系統(tǒng)

水射流鉆頭

水射流(熱水射流)系統(tǒng)(圖1)廣泛應(yīng)用于冰川學(xué)研究。這種方法對于冰川上的鉆孔、海冰、冰以及富含冰的永久凍土都是有效的。我們使用了本田5HP壓力噴射泵和定制的噴嘴，也測試了Kovacs企業(yè)有限公司的熱水噴射裝置。

圖1。熱水射流系統(tǒng)，用于舊鉆孔(左)和原型輕型緊湊拆卸旋轉(zhuǎn)鉆機，采用空氣旋轉(zhuǎn)(右)。

手提鉆

手提鉆是一種強有力的工具，可以打破堅硬的固體材料，如巖石和/或冰。鉆具深度的能力將是這個工具的弱點。通常，手提鉆只能挖1-3米或更少。然而，我們用的是瑞典式旋轉(zhuǎn)手搖手錘(Pionjar 120)。它可以鉆一個6米深的洞，甚至可以鉆穿花崗巖。

下孔鉆(內(nèi)嵌沖擊鉆)

眾所周知，沖擊(振動)作用對于碎石或基巖鉆孔分離每一粒顆粒是非常有效的。我們嘗試將這個動作應(yīng)用到我們的便攜式鉆機系統(tǒng)中。我們修改了使用空氣錘工具(airld air hammer:鏜孔直徑19.05mm，每分鐘4500次，平均每分鐘空氣消耗量143立方米)(圖2)。

旋轉(zhuǎn)鉆和土鉆

旋轉(zhuǎn)鉆和土鉆都需要旋轉(zhuǎn)動作才能鉆進。我們使用了三種不同的源來旋轉(zhuǎn)鉆頭:1)最容易使用，但弱的方法是電動的。電鉆很容易，在較冷的溫度下也很好用。2)機械鉆(圖1)可能是便攜式鉆最常用的方法。因為它重量輕，強度高，雖然在較冷的溫度下很難啟動。3)水壓是深鉆孔的最佳方法，易處理，更強等。這就是為什么大多數(shù)的商用鉆機都采用這種方法。但是由于系統(tǒng)需要很多不同的重型部件(圖3)，所以無法轉(zhuǎn)化為便攜式鉆機(見圖3)，而且在運行過程中液壓液需要保溫。

圖2。頭類型下孔鉆單元(內(nèi)聯(lián)沖擊鉆)。

圖3。移動式液壓主軸(旋轉(zhuǎn)式)鉆孔機。與履帶式鉆機相比，這是一種重量較輕的設(shè)備。然而，它仍然重(超過100公斤)攜帶。

沖擊鉆

電動沖擊/旋轉(zhuǎn)鉆機是便攜式鉆機的理想系統(tǒng)之一。我們嘗試了重型電動沖擊鉆機，看看能否將其應(yīng)用到永凍層的鉆孔中(圖4)。

圖4。帶水龍頭的電動沖擊鉆。該錘鉆具有14A/120V功率，120-250 RPM轉(zhuǎn)速，具有沖擊(能量:13.3英尺/磅)。

鉆頭

鉆頭是鉆井最重要的組成部分之一。我們?yōu)檫@個實驗測試了許多不同的比特。帶有旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的螺旋鉆頭更快更容易鉆。然而，這在礫石層中是很困難的。巖心鉆頭一般用于巖心取樣，也可用于砂礫層的鉆孔。我們使用了幾種不同形狀的硬質(zhì)合金或金剛石芯片的芯塊(圖5)。

圖5。超過20個不同的螺旋鉆/核心比特被測試為這個實驗。

圖6。帶有熱敏電阻和電阻率接觸點的原型沖擊鉆頭(溫納結(jié)構(gòu))。

圖7。商用巖石錘鉆頭(右4位)和干孔金剛石鉆頭(左)連接到我們的鉆井系統(tǒng)。

圖8。礫石(負(fù)傾角)和淤泥(正傾角)的取心鉆頭直徑為30mm(右)。

結(jié)論：

我們在冰凍的巖石海灘和泛濫的平原材料上測試了旋轉(zhuǎn)手提鉆。手錘可以產(chǎn)生兩個動作，旋轉(zhuǎn)和打擊。然而，旋轉(zhuǎn)并不是設(shè)計上的主要動作，而只是作為次要動作進行旋轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)孛娌牧蠌你@孔中熔化時，鉆孔會被融化的淤泥材料弄濕，轉(zhuǎn)動的傳動軸會粘在泥漿上，停止轉(zhuǎn)動。動作產(chǎn)生的濕粉質(zhì)材料和融水也吸收了手提鉆的沖擊力。因此，杰克漢默斯在干燥的基巖中工作得很好，但對冰凍的粉質(zhì)礫石卻不行。

一般來說，潛孔鉆頭直線式打擊方法比使用旋轉(zhuǎn)鉆更有效。圖10顯示了在細(xì)粒和粗粒材料中，使用直線敲擊和不使用直線敲擊進行旋轉(zhuǎn)鉆的實驗結(jié)果。

這個表格顯示了內(nèi)聯(lián)系統(tǒng)對(細(xì)粒度和粗粒度)材料都很有效。然而，在粗碎石中，打擊樂的效果更明顯。與只使用旋轉(zhuǎn)鉆機相比，內(nèi)聯(lián)沖擊鉆機系統(tǒng)的效率要高出2.2倍(圖10:開放點)。

圖10。采用/不采用沖擊動作(在線)對凍結(jié)的淤泥和礫石進行鉆速。

使用水/空氣是一種很好的方法來從鉆孔中去除材料(細(xì))，同時保持鉆頭尖端的清潔。當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時，水/空氣旋轉(zhuǎn)可以將壓力水/空氣連接到鉆桿，并通過鉆頭的尖端。礦泥被吹出鉆孔。該系統(tǒng)需要一臺大型空壓機(>100 CFM)或高壓水泵(2GPM)，并且與我們的便攜式鉆機系統(tǒng)配合良好。當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時，可將受壓水或空氣連接到鉆桿上。該鉆井系統(tǒng)包括三個主要組成部分:挖地時，1)旋轉(zhuǎn)作用，2)高壓強迫水/空氣推動作用，去屑作用，3)沖擊作用。旋轉(zhuǎn)接頭能夠承受高壓強迫水/空氣的推動作用，并能從鉆孔中吹出泥漿。然而，在使用永凍層時，我們希望在鉆孔時使研究現(xiàn)場保持冰凍。因此，在通過轉(zhuǎn)軸輸送水/空氣之前需要一個冷凍(冷卻)系統(tǒng)。如果使用過冷水或冷空氣，系統(tǒng)會引起最小的干擾。

一般來說，物理理論的鉆探依賴于三個主要方面，即鉆頭的旋轉(zhuǎn)，向下的加載和去除。當(dāng)其中一個方面不能正常工作時，鉆速會顯著降低，甚至停止鉆速。在碎石區(qū)使用便攜式鉆機系統(tǒng)，切割刀片的深度明顯小于砂礫的晶粒尺寸。在這種情況下，鉆井理論的第一個方面并不令人滿意。也需要水，空氣，或螺旋飛艇來建立一個足夠大的流動通道。流動路徑的速度與細(xì)粒粒徑有關(guān)。最大晶粒尺寸(G:mm)的計算公式如下(Mori, 1981)。

G = 0.0055v2 Gw/(Gs- Gw)

式中v:速度(cm/sec)， Gs:晶粒密度，Gw:水密度。用這個方程，6-10毫米直徑的晶粒需要40-60厘米/秒的速度使用水。雖然這并不是不可能產(chǎn)生的壓力，但它不太可能輕易地轉(zhuǎn)化為便攜式鉆機系統(tǒng)。粗粒物料的鉆削明顯超過了物理理論的極限。因此，對于粗料鉆削，我們得出了以下結(jié)論:

(1).旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)不能正常工作。

(2)沖擊系統(tǒng)有助于去除顆粒。

(3)金字塔形(零表觀前角)鉆頭(圖9)用于去除卵石，尤其是在基體中存在高細(xì)粒物質(zhì)含量的情況下。

(4).膨潤土具有良好的墻體穩(wěn)定性。

金剛石金屬芯鉆頭適用于鉆取任何類型的礫石、巖石和卵石。然而，這需要很長時間。

表2顯示了我們實驗的總結(jié)。沖擊作用有助于分離每一粒顆粒，并將礫石從凍結(jié)的基體中移走，使礫石自由移動。然而，由于晶粒尺寸的原因，不能從鉆孔中取出細(xì)粒(谷物)。小直徑鉆桿是成功鉆透顆粒材料的重要參數(shù)。

圖11。適用于不同凍料的便攜式鉆機系統(tǒng)，具有理想的主鉆機系統(tǒng)和鉆頭性能。冰和細(xì)粒土的耙和浮力角在Sellmann和Mellor(1986)之后。

表2。細(xì)粒和粗粒冷凍材料的便攜式鉆井操作總結(jié)

結(jié)論

對于細(xì)粒物料，甚至是粗粒物料，如果孔隙空間充滿淤泥或粘土材料，旋轉(zhuǎn)鉆機是非常有效的。沖擊系統(tǒng)為粗粒物料層的鉆孔創(chuàng)造了一個有效的作用(圖11)。在驅(qū)動桿上加重重量可以產(chǎn)生更好的沖擊能量。然而，在偏遠(yuǎn)村莊鉆井的現(xiàn)實限制了人力沖擊系統(tǒng)的大小約為30公斤(圖12)。用較小直徑的鉆桿(12mm)以兩種方式用撞擊法輔助鉆孔，而不是用重錘打孔。由于管徑較小，鉆孔速度加快，鉆孔小到可以將顆粒狀物質(zhì)推入孔內(nèi)壁。

采用沖擊動作和鉆頭旋轉(zhuǎn)相結(jié)合的方式，改進了鉆削性能。復(fù)合作用是粗粒多年凍土鉆孔的重要系統(tǒng)。我們還需要設(shè)計和建造一個內(nèi)置打擊系統(tǒng)，用于重型使用和更強的沖擊能在未來。

圖12。人力傳統(tǒng)沖擊系統(tǒng)采用鋼條。

確認(rèn)

這個項目由國家科學(xué)基金會EPSCoR, IPY項目和美國國家航空航天局IPY項目資助。我們要感謝UAF機械工程機械車間(Ned Manning and Eric Johansen)建造了proto式在線打擊機系統(tǒng)，喬恩·霍爾姆格倫(Jon Holmgren)和薩姆·斯基德莫爾(Sam Skidmore)開發(fā)了許多proto類型的比特，VECO極地資源用于后勤支持。

引用

勞森,D。和B. Brockett, 1980。阿拉斯加北部凍土的鉆探和取心。美國陸軍冷硬研究與工程實驗室，CRREL特別報告80- 12,14p。

梅勒米。,1976年。切削和鉆孔的力學(xué)。第二部分:軸向旋轉(zhuǎn)機械的運動學(xué)。美國陸軍冷凝器研究與工程實驗室，CRREL報告77- 7,85p。

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Sellmann,p V。B. Brockett, 1986年。用于凍結(jié)細(xì)粒土的鉆頭。美國陸軍冷門研究與工程實驗室，CRREL特別報告86-36。

Sellmann,p V。和B. Brockett, 1988年。凍土、瀝青和混凝土中幾種鉆屑的評價。美國陸軍冷硬研究與工程實驗室，CRREL特別報告88- 8,10p。

Sellmann,p V。和M. Mellor, 1986年。為冰凍的細(xì)粒土鉆孔。美國陸軍冷硬研究與工程實驗室，CRREL特別報告86-27。

文章翻譯自：

Portable Drilling for Frozen Coarse-Grained Material

Tohru Saito

International Arctic Research Center, University of Alaska Fairbanks

Kenji Yoshikawa

Water and Environmental Research Center, University of Alaska Fairbanks