摘要
根据绿色地质勘查工作规范，钻孔施工应优先采用模块化、轻便化、小型化、集成度高的钻探设备。基于战略性矿产调查钻探快速查证的需求，研制空气循环工艺的轻便型钻机，可以减小钻机体积、质量和功率消耗，减少人力，缓解传统钻探面临的绿色环保技术难题，支撑勘查区块评价与优选。本文重点介绍了轻便型空气钻机的结构形式、技术参数、工艺方法及试验情况。初步总结出一套适用于浅覆盖区矿产快速查证钻探技术方法，实现绿色勘查。
浅层钻探取样技术又称浅钻技术，是通过轻便式钻探设备以及配套的工艺方法，来完成取样或者成孔的一种钻探技
随着新一轮找矿突破战略行动的持续推进，煤炭、锰、铜、铝土矿、钨、金等重要矿产勘查新获一批大型以上规模矿产地。2016~2020年，全国矿产勘查累计完成钻探工作量3332万m，钻探技术升级已经迫在眉睫。在新的形势下，研制轻便绿色高效的浅层取样工艺器具，可以实现浅覆盖区矿产快速查证，为地质矿产勘查提供技术支撑。
矿产勘查工作区多位于难进入山区，交通不便，地质条件比较复杂，环境比较恶劣，地层破碎，传统取样钻机和钻进工艺无法高质、高效完成钻探取样，给矿产勘查带来了极大的困
为了适应油气和固体矿产资源勘探高效率、低成本的要求，国外于20世纪70~80年代开始研发空气正、反循环钻探取样工艺，该工艺在澳大利亚、加拿大、美国等国家矿产勘查领域已得到认可，并且广泛地应用于油气和固体矿产勘查工作中，其每个回次的钻进时间提高到了分钟级。利用空气反循环钻探（RC）钻进的工作量这些年在不断增长，尤其是在经济和矿产勘查力度比较大的国家，其中澳大利亚最高，超过80%；美国80%左右；东南亚等国家60%左右（见
图1 国外RC钻探与岩心钻探对比
目前已经形成了系列化空气反循环钻探取样装备及取样器具，比较有代表性的产品包括：英国DANDO公司研发的Mintec18型多功能钻机，该钻机采用6×6重型卡车搭载，最大扭矩13000 N·m、钻孔倾角45°~90°，在安全保护方面，该钻机配有低油位液压保护系统、Rod Spin安全防护系统等，当孔口安全防护门打开时，动力头自动降速；美国Boart Longyear公司研发的LX11型履带式多功能钻机（
图2 国外主流机动式空气循环钻机
国外公司在注重空气循环钻机主机的研发和制造的同时，也十分注重空气循环钻机配套使用的配件和工具等易损件、易耗品的研发和生产，并形成了系列成熟产品，包括钻杆、钻具、钻头、配套工具、样品收集器等，根据不同地层或地质需求，这些器具的结构、材料和零部件连接方式也不尽相同。
空气循环钻进技术在国内外矿产勘查中应用程度不同，一般而言，国外勘查市场、外国公司在国内的勘查和国内公司在国外施工，较多使用空气循环钻进技术；国内勘查活动，尤其是国企和事业单位、科研单位等钻探工作，大多使用绳索取心钻探。2020年，国内非油气类钻探累计进尺约500万m，较少有空气循环钻探技术的报道，空气循环钻进工作量仅占2%；而研发或生产空气循环钻探机具的单位或公司，也极少有相关业务。空压机是空气循环钻进设备中的重要单元，以无锡某空压机生产公司为便，在2020年生产的空压机销售至钻探领域的不足40%，且较多与地热、水井钻机相配套。国内应用比较多的空气循环钻机有保定宏业公司40 m山地钻机和探矿工程所TGQ-100C型车装式钻机（见
图3 国内主流空气循环钻机
（1）目前国内浅层钻机以取岩心样品为主，钻进效率较低，一般为1~2 m/h，针对前期矿产普查阶段，需要快速查证地层结构和层位，快速查证物化探异常工作，难以满足要求。
（2）岩心钻探需要冲洗液循环，周边环境污染大，而空气钻探以空气作为循环冷却介质，无冲洗液，对周边环境无污染，绿色环保。
（3）履带式或车装式环境钻探取样钻机，体积大，质量大，不适用于山区面积性矿产勘查工作，轻便型钻机比较适合交通不便地区的浅覆盖区矿产快速查证等工作。
（4）针对以快速成孔为目的的勘查需求，轻便型空气循环钻机可以有效降低成本，提高效率。
精准对接地质需求，钻机以“减轻质量”为设计原则，采用框架组合，便于快速装拆、人力搬迁；全液压驱动，能够适应多种地形，适用于钻探深度较浅，车辆等大型设备无法到达的地区，适用于山地、沼泽、丛林等交通不便地区的快速成孔取样工作。
设计思路主要采用几点：优化钻机结构，减轻整体质量；模块化设计，减轻单体质量；钻机具采用轻质材料，减轻零部件质量；优化液压系统，减轻模块质量；优化空气循环系统，减轻模块质量；降低钻进能力，减轻整体质量。
采用液压传动控制钻机的各个动作。钻机主机动力由一台汽油发动机提供，通过皮带驱动液压油泵，将机械能转化为液体压力能，油泵输出的高压油通过换向阀驱动两个液压马达，马达将液体压力能转化为机械能，从而实现钻机的旋转、加压和提升等动作。钻机气源部分由一台发动机分别驱动一台空压机，压缩空气后为钻机提供冲洗介质。
图4 钻机结构示意
| 钻机形式 | 轻便型、立柱式、模块化 |
|---|---|
| 采用工艺 | 空气正循环钻进工艺 |
| 钻深/m | 15 |
| 潜孔钻头直径/mm | 70 |
| 最大扭矩/N·m | 500 |
|
最大转速/（r·mi | 0~50 |
| 推进力/提升力/kN | 10 |
|
进尺效率/（m· | 5~10 |
| 钻机质量/kg | ≤160 |
| 空压机组质量/kg | ≤140 |
钻机轻量化设计是实现钻机便携性的关
钻机采用模块化设计，分为4个模块：钻机架模块、动力头模块、液压系统模块和空气系统模
选用高强度的铝合金等新型轻质材料，提高铝合金材料强度，通过热处理工艺（淬火+时效）以提高结构件强度及整体质量。
按照新材质的特点，在钻机的不同部位进行合理的使用和匹配；采用计算机模拟和有限元设计分析，在保证结构件强度的同时进行减
液压系统设计是实现钻机各项功能运行、满足钻机轻便节能的基
在研发基地进行了场地试验。试验中发现冲击钻进速度较纯回转钻进快，最深进尺15 m，钻进效率可达15 m/h（见
图8 场地钻进试验
经过场内和野外多次试验，研究的空气循环工艺的轻便型钻机特点如下：
（1）底盘尺寸合理，移动方便，结构形式适用于森林和山地丘陵等交通不便地区；
（2）动力强劲，钻机给进和提升使用集成式液压泵站动力、空气压缩机自用液压泵站动力；
（3）行程为1 m，钻进深度为15 m，提高了钻进效率，并且减少钻杆接头数量等漏气因素；
（4）结构紧凑，钻机动力泵站置于钻机底座上，不再额外占用空间。还可以起到配重的作用；
（5）采用空气循环钻进工艺，无需冲洗液，满足干旱、半干旱景观区钻进要求，能极大提高取样效率和质量，适用于交通不便地区的矿产快速查证工作。
（1）试验证明，基于空气循环的轻便型钻机，能够满足浅表层钻探调查取样的需求，整机质量轻，模块化设计，操控简单，运转可靠。
（2）空气循环钻进工艺能很好的满足矿产快速勘查的需求，可以实现快速搬运、快速取样（岩粉）目的，提高钻探速度和降低成本，满足矿产普查、化探取样的需求，服务支撑交通不便地区的矿产快速查证工作。
（3）基于空气循环工艺的轻便型钻机可以绿色高效地开展取样工作，其钻进速度快、经济成本低、绿色化程度高，满足绿色勘查的要求。
参考文献（References）
赵洪波，何远信，宋殿兰，等.云南漕涧锡矿矿区以钻代槽勘查技术研究［J］.地质学报，2016，90（10）：2919-2929. [百度学术]
祝强，冉灵杰，苏兴涛，等.浅钻技术在黔西南雄武背斜地区以钻代槽取样中的应用研究［J］.地质装备，2022，23（5）：13-16. [百度学术]
卢猛，何远信，宋殿兰，等.草原浅覆盖区浅钻取样技术的研究与应用［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2015，42（11）：1-6. [百度学术]
林广利，谭春亮，岳永东，等.TGQ-50型轻便钻机在浅覆盖区地质填图中的应用［J］.西部探矿工程，2017，29（9）：31-33. [百度学术]
冉灵杰，何远信，宋殿兰.浅钻技术在宁夏青铜峡地区地质填图中的应用研究［J］.地质与勘探，2019，55（1）：187-193. [百度学术]
谭春亮，宋殿兰，岳永东，等.钻探技术在敖汉旗浅覆盖区1∶5万地质填图中的应用研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2017，44（12）：43-47. [百度学术]
谭春亮，宋殿兰，苗国文，等.浅钻找矿技术在祁漫塔格成矿带的应用研究［J］.西部探矿工程，2016，28（9）：27-30. [百度学术]
岳永东，谭春亮，宋殿兰，等.基于绿色勘查的浅钻技术在浅覆盖区填图中的应用研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2018，45（12）：5-11. [百度学术]
谭春亮，宋殿兰，岳永东，等.浅层钻探技术在覆盖区填图工作中的应用研究［J］.矿产勘查，2018，9（2）：334-340. [百度学术]
朱文鉴，张培丰，张建元.TGQ系列勘察取样钻机（具）的研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2004（2）：33-36. [百度学术]
