我們正在為永久凍土擴(kuò)展項(xiàng)目鉆探鉆孔包括北極環(huán)極地區(qū)的學(xué)校。項(xiàng)目的目的是在學(xué)校建立永久凍土監(jiān)測(cè)站，并有學(xué)生教師參與收集數(shù)據(jù)。我們鉆了一個(gè)6米深的鉆孔以供監(jiān)測(cè)臺(tái)測(cè)量地面溫度。有超過(guò)建立了50個(gè)網(wǎng)站，許多學(xué)校位于偏遠(yuǎn)地區(qū)村莊。這為開(kāi)發(fā)便攜式設(shè)備創(chuàng)造了巨大的機(jī)會(huì)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(jī)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(jì)細(xì)粒凍土的碎片（機(jī)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(shí)是極其困難的較重的軌道安裝液壓鉆機(jī)系統(tǒng)。在我們的外展項(xiàng)目中，我們試著開(kāi)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(gè)研究展示了我們的實(shí)驗(yàn)和介紹便攜式鉆機(jī)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(kāi)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(jī)系統(tǒng)比傳統(tǒng)的沖擊式鉆機(jī)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(jī)系統(tǒng)的分類。

我們這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(jī)、直升機(jī)、雪上移動(dòng)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(xiàng)行動(dòng)只需要一或兩個(gè)人開(kāi)始和完成建立監(jiān)測(cè)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(chǎng)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(gè)學(xué)校成功地進(jìn)行訓(xùn)練，必須能夠適應(yīng)各種地面條件。

特別是由美國(guó)陸軍工兵部隊(duì)冷區(qū)研究和工程實(shí)驗(yàn)室(CRREL)(例如Mellor, 1976)對(duì)凍土、砂等細(xì)粒土的鉆探技術(shù)進(jìn)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(jì)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(zhǎng)時(shí)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(jì)速率穿透。間隙角不足是一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)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(dòng)式鉆井系統(tǒng)的方法，因?yàn)檫@種材料是最難鉆取的材料之一，在研究現(xiàn)場(chǎng)也很常見(jiàn)。我們需要能夠在許多偏遠(yuǎn)的村莊鉆鉆孔，即使是通過(guò)這些材料。

方法

鉆機(jī)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(duì)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(cè)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(jī)，采用空氣旋轉(zhuǎn)(右)。

手提鉆

手提鉆是一種強(qiáng)有力的工具，可以打破堅(jiān)硬的固體材料，如巖石和/或冰。鉆具深度的能力將是這個(gè)工具的弱點(diǎn)。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(gè)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(dòng))作用對(duì)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(gè)動(dòng)作應(yīng)用到我們的便攜式鉆機(jī)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(dòng)作才能鉆進(jìn)。我們使用了三種不同的源來(lái)旋轉(zhuǎn)鉆頭:1)最容易使用，但弱的方法是電動(dòng)的。電鉆很容易，在較冷的溫度下也很好用。2)機(jī)械鉆(圖1)可能是便攜式鉆最常用的方法。因?yàn)樗亓枯p，強(qiáng)度高，雖然在較冷的溫度下很難啟動(dòng)。3)水壓是深鉆孔的最佳方法，易處理，更強(qiáng)等。這就是為什么大多數(shù)的商用鉆機(jī)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(wú)法轉(zhuǎn)化為便攜式鉆機(jī)(見(jiàn)圖3)，而且在運(yùn)行過(guò)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(dòng)式液壓主軸(旋轉(zhuǎn)式)鉆孔機(jī)。與履帶式鉆機(jī)相比，這是一種重量較輕的設(shè)備。然而，它仍然重(超過(guò)100公斤)攜帶。

沖擊鉆

電動(dòng)沖擊/旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)是便攜式鉆機(jī)的理想系統(tǒng)之一。我們嘗試了重型電動(dòng)沖擊鉆機(jī)，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(dòng)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(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(guò)20個(gè)不同的螺旋鉆/核心比特被測(cè)試為這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

圖6。帶有熱敏電阻和電阻率接觸點(diǎn)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?cè)诒鶅龅膸r石海灘和泛濫的平原材料上測(cè)試了旋轉(zhuǎn)手提鉆。手錘可以產(chǎn)生兩個(gè)動(dòng)作，旋轉(zhuǎn)和打擊。然而，旋轉(zhuǎn)并不是設(shè)計(jì)上的主要?jiǎng)幼?，而只是作為次要?jiǎng)幼鬟M(jìn)行旋轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)孛娌牧蠌你@孔中熔化時(shí)，鉆孔會(huì)被融化的淤泥材料弄濕，轉(zhuǎn)動(dòng)的傳動(dòng)軸會(huì)粘在泥漿上，停止轉(zhuǎn)動(dòng)。動(dòng)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(duì)冰凍的粉質(zhì)礫石卻不行。

一般來(lái)說(shuō)，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(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

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

圖10。采用/不采用沖擊動(dòng)作(在線)對(duì)凍結(jié)的淤泥和礫石進(jìn)行鉆速。

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

一般來(lái)說(shuō)，物理理論的鉆探依賴于三個(gè)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(gè)方面不能正常工作時(shí)，鉆速會(huì)顯著降低，甚至停止鉆速。在碎石區(qū)使用便攜式鉆機(jī)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(gè)方面并不令人滿意。也需要水，空氣，或螺旋飛艇來(lái)建立一個(gè)足夠大的流動(dòng)通道。流動(dòng)路徑的速度與細(xì)粒粒徑有關(guān)。最大晶粒尺寸(G:mm)的計(jì)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(gè)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(jī)系統(tǒng)。粗粒物料的鉆削明顯超過(guò)了物理理論的極限。因此，對(duì)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(rùn)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(zhǎng)時(shí)間。

表2顯示了我們實(shí)驗(yàn)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(dòng)。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(jī)系統(tǒng)，具有理想的主鉆機(jī)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(duì)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(jī)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(gè)有效的作用(圖11)。在驅(qū)動(dòng)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(shí)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(dòng)作和鉆頭旋轉(zhuǎn)相結(jié)合的方式，改進(jìn)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(jì)和建造一個(gè)內(nèi)置打擊系統(tǒng)，用于重型使用和更強(qiáng)的沖擊能在未來(lái)。

圖12。人力傳統(tǒng)沖擊系統(tǒng)采用鋼條。

確認(rèn)

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

引用

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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