岩土钻掘工程学 第章

第七章土样与岩矿心的采取1、土样的采取2、岩矿心采取3、常用取心工具及方法4、绳索取心工具5、反循环钻进取心6、采集岩粉和补取岩样国家精品课程1/27/2023第一节土样的采取（另一门课程将展开，自习）第二节岩矿心采取钻探工程是获得实物地质资料的唯一手段，直接影响着判断地质构造、岩层性质、矿产资源及水文地质与工程地质的准确性与可靠性。对提交地质调查及矿产储量有重要意义；工程地质勘察中取岩土样，了解地层的物理力学性质；抽心验桩时，取心样以检查桩基的质量；硬岩层中钻大直径钻孔时，为提高钻速也可采取取心钻进以获取比全面钻进更高的钻进效率。因此，如何从钻孔中取出、取全、取准可靠的实物地质样品是钻探工作的关键技术之一。第七章土样及岩矿心的采取1/27/2023一、岩矿心采取的基本要求1、岩(矿)心的采取率岩(矿)心的采取率是指在回次钻进过程中，实际取出的岩(矿)心长度与实际钻进进尺的比值。对岩矿心采取率要求也不同，一般：岩心不低于65％，矿心不低于75％，如果不足应进行补取。2、完整性

取出的岩心、矿心要保持其天然的结构和构造。以便划分矿石类型，观察其原生结构和共生关系。在钻进取岩矿心尽量避免人为的破碎、颠倒和扰动。第七章土样及岩矿心的采取1/27/20233、纯洁性取上的岩矿心不受外污的浸蚀，以免影响矿石的品位、物理性能等。4、避免选择性磨损选择性磨损会使其内在物质成分发生变化，造成矿物人为的贫化和富集。歪曲原来的品位和品级，丧失其代表性。5.取心部位准确要求取上岩矿心的位置准确，为了得到岩矿层准确的埋藏深度、厚度和产状、以准确地计算

矿产储量和确定其地质构造。第七章土样及岩矿心的采取1/27/2023二、影响岩矿心采取率与品质的因素1.自然因素

地质因素主要有岩石的强度、硬度、完整度、胶结性、研磨性和易溶度等。钻进坚硬、致密、完整的岩矿时，岩矿心不怕冲刷、振动，取出的岩矿心完整，采心率高，能保持其原生结构。钻进松散、破碎、节理发育的岩矿时，取出的岩矿心多呈粒状、块状和粉状，不仅原生结构遭到破坏，而且岩矿心的采取率也低，甚至取不上岩矿心；钻进强研磨性地层，切削具易磨钝，钻进效率低，回次时间长，岩矿心受外力作用时间也长，影响岩矿心采取的品级和采取率。第七章土样及岩矿心的采取1/27/20232.人为因素

2.1钻进方法选择不合理钢粒钻进→岩矿心细→对岩矿心的磨损作用；硬合金钻进→磨损轻微；金刚石钻进→磨损最小。2.2钻具结构选用不合理不合理的具组合→离心力和水平振动，使岩心受损破坏。2.3钻进规程不当压力↑→钻具弯曲振动→破坏岩心；压力↓······。转速↑→钻具振动↑→岩心破坏加剧；转速↓······泵量↑冲刷力↑冲毁和磨耗岩心。循环方式不当······。第七章土样及岩矿心的采取1/27/20232.4操作方法不正确盲目追求进尺提钻不及时，增加岩矿心在孔底被破坏的可能性

；提动钻具过猛或采心方法不当，则易造成岩矿心脱落；退心时过分敲打易造成岩矿心的人为破碎和上下顺序颠倒，影响岩矿心的完整性，歪曲岩矿心的层次。三、岩矿心取心难度分类根据我国目前钻探工作所遇到的岩矿层，可大致分为五类。是研究选用取心方法和工具的依据（表7-2）。第七章土样及岩矿心的采取1/27/2023

第七章土样及岩矿心的采取第三节常用取心工具及方法一、卡取岩心的方法1.卡料卡取法回次终了时从地面投入卡料(小碎石、铁丝、钢粒)，卡紧扭断岩矿心。适于硬、中硬、完整岩矿层硬合金和钢粒钻进。2.卡簧卡取法

卡簧（也称提断器）卡取法在回次终了稍上提钻具，把岩心卡住并拉断。适于硬和中硬、岩心完整、直径均匀岩矿层的金刚石钻进，取心方便可靠，但对岩心直径与卡簧的配合精度要求较高。1/27/2023第二节单层岩心管取心工具1/27/2023图1常用卡芯工具的结构简图图2.俄罗斯专用卡心工具-11/27/2023图3俄罗斯专用卡心工具-2图4专用卡心工具-31/7/2023对卡簧及卡卡心操作的的要求卡簧应有足足够强度和和弹性。用用弹簧钢65锰及调调质钢40铬加工，，硬度HRC45——50。卡簧自由内内径＜钻头头内径0.3mm±±，自由内内径过大卡卡不牢岩心心→中途脱脱落。自由由内径过小小→岩心堵堵塞。检查卡簧自自由内径合合适否的方方法，将卡卡簧套在岩岩心上既有有一定抱紧紧力，又能能在岩心上上被轻轻推推动。为减少残留留岩心，卡卡簧安放位位置应尽量量靠近钻头头底部。正常钻进时时不能提动动钻具，否否则会过早早提断岩心心，造成岩岩心堵塞。。第七章土土样及岩矿矿心的采取取1/7/20233.干钻卡卡取法回次终了停停水干钻一一段，让岩岩粉聚集孔孔底塞住岩岩心即可提提钻。但有有埋、烧钻钻的危险，，适用于硬硬合金钻软软或粘性岩岩层。4.沉淀卡卡取法回次终了停停止循环让让管内岩屑屑碎渣沉淀淀挤塞卡牢牢岩心。适适用软、脆脆、碎的岩岩层反循环环钻进。常常与干钻法法结合使用用。5.楔断器卡取取法回次终了将将钻具提出出孔外，下下入楔断器器，利用吊吊锤冲击楔楔子将岩心心楔断，再再下入夹具具将岩心提提出。该法法适用于大大直径和岩岩石比较坚坚硬、完整整的岩矿层层钻进。第七章土土样及岩矿矿心的采取取1/7/2023二、单层岩岩心管钻具具——最简单的取取心钻具为↑采取率率在单管钻钻具中增加加分水投球球接头和分分水帽。钻钻进时冲洗洗液通过分分水接头中中心孔直接接进入岩心心管内，活活动分水帽帽呈伞形保保护岩心不不受冲洗液液直接冲刷刷，且随岩岩心一起上上移。提钻前投入入球阀封闭闭中心水道道，在水压压作用下球球阀下移超超过小卡时时通水孔被被打开，使使孔底形成成干钻条件件。第七章土土样及岩矿矿心的采取取1/7/2023三、、双双管管钻钻具具为克克服服单单管管钻钻进进时时冲冲洗洗液液对对岩岩矿矿心心的的冲冲蚀蚀。。在在岩岩心心管管内内设设置置内内管管容容纳纳岩岩心心，，冲冲洗洗液液从从二二管管之之间间流流动动，，避避免免对对岩岩心心的的直直接接冲冲刷刷，，保保护护岩岩矿矿心心。。钻进进时时双双管管若若同同步步转转动动，，内内管管仍仍可可能能与与岩岩心心相相对对转转动动，，对对岩岩心心造造成成的的损损害害。。内管管在在钻钻进进时时不不随随外外管管转转动动，，既既避避免免了了冲冲洗洗液液对对岩岩心心的的冲冲刷刷，，又又避避免免了了钻钻具具转转动动对对岩岩心心造造成成的的不不良良影影响响。。在在难难取取心心地地层层或或高高速速回回转转的的金金刚刚石石钻钻进进中中，，往往往往能能取取得得较较高高的的取取心心质质量量。。第七七章章土土样样及及岩岩矿矿心心的的采采取取1/7/2023双管钻钻具结结构特特点为减弱弱机械械力对对岩心心破坏坏，钻钻具中中设置置避振振缓冲冲装置置.为减轻轻对岩岩心冲冲刷作作用，，钻具具中设设置隔隔水和和分流流装置置.为防止止或缓缓解岩岩矿心心互磨磨，双双管钻钻具中中增加加减磨磨防磨磨装置置.为防止止岩矿矿心污污染，，设置置隔浆浆活塞塞、压压入式式内管管钻头头、密密封装装置等等.为防止止岩矿矿心脱脱落，，设置置爪簧簧、压压卡装装置、、隔水水球阀阀等.1/7/20231、双双动双双管由双管管接头头，内内、外外岩心心管、、钻头头和止止逆阀阀组成成。一一般用于钻钻进I一ⅦⅦ级的的松散散、易易坍塌塌和怕怕冲刷刷的岩岩矿层层。为保护护岩矿矿心根根部不不被冲冲刷，，钻具具的内内钻头头大都都超前前于外钻头头，一一般为为20~50mm，岩层层越松松散，，胶结结性越越差，，超前前距离就就越大大。第七章章土土样及及岩矿矿心的的采取取1/7/20232、单单动双双管钻钻具由异径径接头头、外外管、、内管管、单单动装装置和和卡心心装置置等组组成。。单动轴轴承套套与内内管连连接，，内管管下端端与短短节和和卡簧簧座采采用插插接方方式连连接。。利用用心轴轴上端端的螺螺纹调调节卡卡簧座座与钻钻头内内台阶阶的间间隙。。卡心装装置包包括卡卡簧和和卡簧簧座。。第七章章土土样及及岩矿矿心的的采取取1/7/2023冲洗液液由内内外管管间隙隙到达达卡簧簧座与与钻头头内台台阶部部分分分流。。岩心心进入入内管管后，，内管管中的的液体体经单单向阀阀排到到内、、外管管之间间。回次结结束稍稍上提提钻具具，卡卡簧相相对下下移卡卡紧岩岩心，，卡簧簧座下下移并并抵在在钻头头内台台阶上上。此此时外外管承承受拉拉力，，并提提断岩岩心适用于于为7～12级级的完完整、、微裂裂隙或或不均均质、、中等等裂隙隙的岩岩矿层层。第七章章土土样及及岩矿矿心的的采取取1/7/20233.活活塞塞单单动动双双管管钻钻具具由分分水水接接头头、、单单动动装装置置、、半半合合管管、、活活塞塞和和阶阶梯梯钻钻头头等等组组成成。。严严密密防防止止冲冲洗洗液液接接触触、、污污染染和和冲冲刷刷岩岩矿矿心心。。半合合管管保保持持岩岩矿矿心心的的原原生生结结构构；；活活塞塞使使岩岩矿矿心心与与泥泥浆浆隔隔绝绝。。钻钻进进中中岩岩矿矿心心顶顶着着活活塞塞进进入入半半合合管管，，起起刮刮浆浆和和减减振振作作用用，，提提高高了了岩岩矿矿心心的的纯纯洁洁度度和和取取心心的的可可靠靠性性。。阶梯梯钻钻头头体体开开有有斜斜水水口口，，冲冲洗洗液液不不冲冲刷刷孔孔底底。。在钻钻头头水水口口下下部部与与半半合合管管间间设设有有密密封封圈圈，，防防止止岩岩矿矿心心受受到到污污染染。。第七七章章土土样样及及岩岩矿矿心心的的采采取取1/7/2023下钻钻先先送送水水将将活活塞塞推推到到底底部部再再开开车车扫扫孔孔。。扫孔孔完完毕毕后后投投入入钢钢球球。。钻进进中中水水压压推推动动球球阀阀向向下下打打开开通通水水孔孔，，改改变变液液流流方方向向，，使使活活塞塞上上部部免免受受动动水水压压力力，，防防止止孔孔底底缺缺水水烧烧钻钻。。严禁提动钻具具，以免污染染矿心。适于可钻性为为4～6级的的松散、粉状状、节理发育育、怕污染的的岩矿层。在在滑石、石墨墨矿中取心效效果尤其显著著。第七章土样样及岩矿心的的采取1/7/2023第四节绳绳索取心工具具绳索取心：钻钻进中岩心充充满岩心管后后不需提钻，，借助绳索和和专用打捞工工具从钻杆中中把内管及岩岩心提至地表表的取心方法法。极大地减少了了起下钻具时时间，机械化化程度高，增增加纯钻进时时间，虽然绳绳索取心钻头头壁更厚，机机械钻速略低低于普通钻头头。总的钻效效提高了，且且这种趋势随随孔深的增大大而增大。岩心堵塞后能能即时报警，，岩心采取率率高，地质效效果好。减少了提钻次次数，钻杆与与孔壁间隙小小，钻头回转转平稳，钻头头寿命比普通通钻头寿命高高一倍左右。。降低钻探成本本。第七章土样样及岩矿心的的采取1/7/2023缺点：钻杆杆的内径大大而管壁薄薄，钻头壁壁较厚，钻钻进时碎岩岩功率消耗耗较大。绳索取心钻钻具配套设设备较多，，一次性投投资较大。。地质条件：：适于各种种地层，在在6~9级级中硬岩层层中效果最最好。一般般不宜钻10~12级岩石。。这时钻效效极低，钻钻头极易磨磨损，不能能充分发挥挥绳索取心心钻进的优优越性。绳索取心与与液动冲击击器相配合合，钻进硬硬地层有良良好的前景景。绳索取心一一般在深孔孔中采用。。通常钻孔孔越深其经经济技术效效果越好,但最大深深度受钻杆杆强度制约约。若绳索取心心钻头寿命命短，便失失去了绳索索取心的意意义。第七章土土样及岩矿矿心的采取取1/7/2023绳索取心钻钻具的规格格和型号第七章土土样及岩矿矿心的采取取1/7/2023一、绳索取取心单动双层岩岩心管——由外管总成成和内管总总成组成外管总成：：弹卡挡头头1、弹卡室7、稳定接头头23（上扩孔器器）、外管管46和钻头52。内管总成：：捞矛、弹弹卡定位、、悬挂、到位报讯讯、岩心堵堵塞报警、、单动、内内管保护和和调节机构构。第七章土土样及岩矿矿心的采取取1/7/2023(1)捞矛机构由由捞矛头2和回收管4等组成。取取心时打捞捞器在钻杆杆内下放到到内管总成成上端，打捞钩抓抓住捞矛，，向上提升升打捞器使使回收管上上移，并向向内压缩弹弹卡6使其收拢，，于是内管管总成和外管管总成脱离离，从而把把内管总成成提升上来来。第七章土土样及岩矿矿心的采取取1/7/2023(2)弹卡定位机机构：弹卡卡6、张簧5和弹卡座10。内管总成成在钻杆内内下放时弹卡外张，，一旦到达达外管的弹弹卡室7，弹卡两翼翼贴附在弹弹卡室内壁壁。弹卡室室挡头即可可防止内管管向上串动动，又可带带动内管总总成轴承上上部与外管管一起旋转转，以免因因相对运动动造成弹卡卡磨损。第七章土土样及岩矿矿心的采取取1/7/2023(3)悬挂机构：：内管悬挂挂环21与外管座环环22的直径相差差0.5~1.0mm。内管总成成下降到外外管弹卡室室时，悬挂挂环座在座座环上，使使内管总成成下端卡簧簧座51与钻头52内台阶2~4mm的间隙，保保证内管单单动。第七章土土样及岩矿矿心的采取取1/7/2023(4)到位报信机机构：冲洗洗液下送内内管总成时时，冲洗液液由内管外外环间隙通通过；内管管坐在悬挂挂机构上时时，冲洗液液通道被堵堵泵压明显显升高(0.5~1MPa)，表明内内管已到位位。此时阀阀堵39打打开，泵压压恢复正常常，可以正正常钻进。。第七章土土样及岩矿矿心的采取取1/7/2023(5)岩心堵塞报报警机构：：钻进中发发生岩心堵堵塞或装满满内管时，，岩心对内内管产生的的顶推力压压缩碟簧，，使滑套24上移堵堵塞接头38的通水孔，，造成泵压压升高，告告诫操作者者应停止钻钻进，捞取取岩心。第七章土土样及岩矿矿心的采取取1/7/2023(6)单动动机机构构：：两两副副推推力力轴轴承承29、31使内内管管不不随随外外管管转转动动。。(7)内管管保保护护（（缓缓冲冲机机构构））：：拉拉断断岩岩心心时时内内管管及及卡卡簧簧座座下下移移至至钻钻头头内内台台阶阶上上，，拉拉力力由由钻钻头头传传至至外外管管，，内内管管不不受受损损坏坏。。(8)调节节机机构构：：内内外外管管组组装装时时，，调调节节卡卡簧簧座座与与钻钻头头内内台台阶阶之之间间隙隙（（0~30mm）。。第七七章章土土样样及及岩岩矿矿心心的的采采取取1/7/2023二、、打打捞捞器器———由由打打捞捞和和安安全全脱脱卡卡机机构构组组成成打捞捞机机构构：：打打捞捞钩钩1、打打捞捞钩钩架架3、重重锤锤7和钢钢丝丝绳绳接接头头。。取取心心时时，，用用钢钢丝丝绳绳把把打打捞捞器器放放入入钻钻杆杆内内靠靠重重锤锤以以1.5~2.0m/s的速速度度下下降降，，当当它它到到达达内内管管总总成成上上端端时时，，能能准准确确钩钩住住捞捞矛矛头头，，把把内内管管总总成成提提升升上上来来。。(2)安全全脱脱卡卡机机构构：：需需脱脱卡卡时时将将内内径径比比重重锤锤稍稍大大的的1m长套套管管(壁壁上上开开有有斜斜口口)套套入入钢钢丝丝绳绳,靠靠自自重重下下降降，，撞撞击击并并罩罩住住打打捞捞钩钩尾尾部部，，迫迫使使其其向向内内收收缩缩，，端端部部张张开开，，从从而而使使打打捞捞器与与内内管管总总成成脱脱离离。。第七七章章土土样样及及岩岩矿矿心心的的采采取取1/7/2023三、、绳绳索索取取心心附附属属工工具具1、、钻杆杆————内内外外平平（（包包括括接接头头））、、强强度度、、同同心心、、垂垂直直。。2、绳绳索取取心绞绞车：：专用用于下下放打打捞器器和打打捞岩岩心管管。3、钻杆夹夹持器：用用于夹持外外平的绳索索取心钻杆杆的夹持器有有脚踏夹持持器(木马马夹持器)和球卡夹持器两种种型式。第七章土土样及岩矿矿心的采取取1/7/2023四、工艺过程注注意事项打捞器到底底可缓慢提提动钢丝绳绳。若有冲冲洗液由钻钻杆中溢出出说明打捞捞可能成功功，否则需需再次下打打捞器。当判明外管管和钻杆内内无岩心时时，将备用用内管从孔孔口下入钻钻杆内。此此时可开机机缓慢转动动并开泵冲冲送，加快快内管下降降速度。若打捞不成成功，则应应提钻处理理。干孔中不能能直接投内内管，在钻钻杆柱内注注入冲洗液液，然后迅迅速投入内内管。确认内管已已经到位才才开始扫孔孔钻进。第七章土土样及岩矿矿心的采取取1/7/2023第五节反反循环钻进进取心一、孔底局局部反循环环取心1.无泵泵反循环钻钻具在钻进中关关水泵利用用孔内的静静水柱压力力和上下提提动钻具在在孔底形成成局部反循循环冲洗孔孔底钻进。。2.喷射射式孔底反反循环钻具具喷射式孔底底反循环钻钻具（喷反反钻具）不不必频繁提提动钻具，，而是利用用射流泵工工作原理形形成孔底反反循环。喷反钻具是是在一般钻钻具上增设设喷反元件件，喷反元元件由喷嘴嘴、混合室室、喉管、、扩散管、、分水接头头等组成。。第七章土土样及岩矿矿心的采取取1/7/2023工作原理：：高压冲洗洗液沿钻杆杆进入喷嘴嘴4，高速3~15m/s射入扩散管管5。喷嘴与扩扩散管周围围的液体被被射流带走走一部分而而形成负压压区。在压差作用用下，下部部岩心管8中液体被抽抽吸到喷射射器里，高高速液流和和吸入的液液体在混合合室12内混合，进进行能量传传递和交换换后流入喉喉管13；再经扩散散管和出水水孔11或弯管排出出。排出的冲洗洗液一部分分沿钻杆外外环返回地地面；一部部分在负压压下流向孔孔底，冲洗洗孔底。改变冲洗液液量或调节节喷射器元元件参数，，就能控制制孔底反循循环冲洗的的强弱。第七章土土样及岩矿矿心的采取取1/7/2023二、全孔反反循环取心心1.全孔孔反循环分分类：气举反循环环、泵吸反反循环、泵泵压反循环环。2.全孔孔反循环工工作原理冲洗液经双双管水龙头头进入双层层钻杆内外外管环隙，，到达孔底底分流，大大部分进入入内管中，，以反循环环方式向上上流动把岩岩心及岩屑屑携带到水水龙头处，，通过软管管将岩心排排至岩心收收集器内；；另一小部冲冲洗液从钻钻杆外环以以正循环方方式缓慢向向上流，稳稳定孔壁和和润滑钻具具用。改变所用钻钻头形式可可分别得到到岩心和岩岩屑。取心心钻头在钻钻具内管下下部装有岩岩心切断器器，岩心成成段地连续续从孔底输输至地表。。若采用牙牙轮钻头，，那么得到到的就是岩岩屑被输至至地表。第七章土土样及岩矿矿心的采取取1/7/2023第七章土土样及岩矿矿心的采取取全孔反循环环连续取心心的优点无需提钻减减少了辅助助时间，钻钻效高。岩心采取率率达95％％以上，取取心质量好好。岩粉及时被被排出孔底底干净，减减少孔底重重复破碎大大幅度提高高时效，延延长钻头寿寿命。易于穿过坍坍、漏、破破碎等复杂杂地层。单位成本低低。相同地地层条件下下，反循环环连续取心心钻进的成成本，仅为为普通取心心钻进的1/5~1/3。1/7/2023目前存存在的的问题题（1））钻进进深度度和岩岩层有有一定定的局局限性性，远远不能能完全全取代代普通岩岩心钻钻探；；（2））碎屑屑状的的岩样样破坏坏了地地层的的原状状结构构，难难以直直接获获得所钻钻地层层的真真实属属性；；（3））坚硬硬岩层层，岩岩心难难以切切断或或岩心心切断断器磨磨损严严重；；（4））另外外钻探探设备备和附附属工工具过过于笨笨重，，一次次性投投资大大。这些问问题严严重影影响了了它的的推广广。第七章章土土样及及岩矿矿心的的采取取1/7/2023第六节节采采集岩岩粉和和补取取岩样样一、采采集岩岩粉正循环环钻进进时采采集的的岩粉粉只作作为辅辅助样样品；；孔底底局部部反循循环岩岩粉收收集装装置获获得的的岩粉粉才具具有代代表性性。1.岩粉沉沉淀槽槽：岩粉沉沉淀槽槽坡度度≯1∶125保证证液流流速度度低于于临界界值，，设有有隔板板便于于岩粉粉沉淀淀。2.旋旋流流分离离器：：含岩粉粉的冲冲洗液液以切切线方方向进进入扩扩散器器作旋旋转运运动，，岩粉粉颗粒粒在离离心力力作用用下抛抛向扩扩散器器壁，，同时时在重重力作作用下下沉落落并聚聚集在在下部部从排排粉孔孔中取取出，，清除除了岩岩粉的的液体体由上上部出出液管管排出出。第七章章土土样及及岩矿矿心的的采取取1/7/2023第七章土土样及岩矿矿心的采取取1/7/2023旋流流除除砂砂过过程程观观察察表表明明：：旋旋流流除除砂砂器器工工作作时时在在其其中中轴轴部部位位形形成成旋旋涡涡状状气气柱柱——类类似似龙龙卷卷风风。。圆圆形形截截面面的的气气柱柱绕绕自自身身轴轴旋旋转转呈呈拉拉长长的的螺螺旋旋状状。。将将诱诱导导一一些些在在离离心心力力作作用用下下已已离离开开除除砂砂器器轴轴线线的的大大颗颗粒粒随随气气柱柱上上