摘要
在牦牛坪稀土矿区勘查中对便携式全液压钻机的应用开展了研究，探讨了其在复杂地质条件下的性能和优势。模块化设计提高了钻机的环境适应性，采用薄壁系列钻杆与低固相冲洗液等先进钻进技术，形成了一套适用于该矿区破碎地层的钻进技术，并成功提升了钻探效率与岩心采取率，结合工程实践探讨了便携式钻机的施工情况和应用效果，总结存在的问题并提出了相应改进措施。研究表明，便携式全液压钻机在稀土矿复杂地层钻探中表现出显著的适用性，可为该类型矿产勘查钻进施工提供重要的参考。
《关于在新一轮找矿突破战略行动中全面实施绿色勘查的通知》指出，“在新一轮找矿突破战略行动中全面实施绿色勘查，是新时代新征程推进生态文明建设、美丽中国建设的重要举措，是绿色发展理念在地质勘查领域的具体实践，是新形势新要求下保障国家能源资源安全的重要途径，是促进地质勘查行业可持续发展的迫切需要”。随着地质勘探与矿产资源开发领域的不断发展，对于钻探设备的要求也日益提
稀土作为战略性矿产资源，其勘查工作对保障国家矿产资源安全具有重要意义。近年来，随着新能源、新材料等产业的快速发展，稀土资源的重要性愈发凸
在牦牛坪稀土矿区勘查中应用卓优MD800型模块化便携式钻机，同时对应用情况开展研究，通过对应用效果的深入分析，探讨便携式全液压钻机在复杂地层条件下的适应性以及存在的问题，提出改进措施建议。旨在为类似地质环境中开展钻探工作提供参考。
牦牛坪稀土矿区属中高山深切割地貌，地势起伏较大。毛家山、牦牛山东西耸峙，矿带沿山间谷地展布。矿区海拔较高，最高海拔可达3500 m，最低海拔为2320 m，相对高差较大。钻孔位于四川省凉山州冕宁县牦牛坪矿区外围，矿区内有多条村村通公路及江铜修筑的牦牛坪矿山公路与过道G248线连接。矿区至冕宁县城30 km，至成昆铁路冕宁站63 km，至成都357 km，至西昌110 km。
牦牛坪矿区地层具有复杂性和多样性。地层主要由泥盆系的泥砂碎屑岩和碳酸盐岩、上二叠统的峨眉山玄武岩以及多期次的岩浆岩组成，地层之间交错分布，且常伴随有断裂构造和岩浆活动的痕
| 孔段/m | 地 层 描 述 | 可钻性级别 | 研磨性 | 硬度 | 完整程度 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0~53.28 | 第四系冲洪积物 | 1~3 | 弱 | 软 | 破碎 |
| 53.28~245.89 | 碱长花岗岩、稀疏脉状碱长花岗岩、云煌岩 | 6~8 | 强 | 中硬、硬 | 较破碎 |
| 245.89~246.97 | 稀疏脉状碱长花岗岩 | 6~8 | 强 | 中硬、硬 | 较完整 |
| 246.97~283.76 | 萤石重晶石方解石稀土矿脉 | 3~5 | 弱 | 较软 | 较破碎 |
| 283.76~286.00 | 密集脉状碱长花岗岩 | 4~7 | 中 | 中硬 | 较破碎 |
| 286.00~322.94 | 密集脉状碱长花岗岩、碳酸岩化煌斑岩 | 4~6 | 中 | 中硬 | 较破碎 |
| 322.94~323.30 | 萤石重晶石方解石稀土矿脉 | 2~4 | 弱 | 软 | 破碎 |
| 323.30~412.12 | 云煌岩、稀疏脉状碱长花岗岩、煌斑岩 | 4~6 | 中 | 中硬 | 较破碎 |
| 412.12~412.44 | 萤石重晶石方解石稀土矿脉 | 3~5 | 弱 | 软 | 破碎 |
| 412.44~441.81 | 稀疏脉状碱长花岗岩 | 6~8 | 强 | 中硬、硬 | 较完整 |
| 441.81~442.16 | 萤石重晶石方解石稀土矿脉 | 3~5 | 弱 | 较软 | 破碎 |
| 442.16~453.76 | 稀疏脉状碱长正长岩 | 6~8 | 强 | 中硬、硬 | 较完整 |
| 453.76~457.99 | 稀疏脉状碱长正长岩 | 6~8 | 强 | 中硬、硬 | 较完整 |
| 457.99~458.38 | 萤石重晶石方解石稀土矿脉 | 3~5 | 弱 | 较软 | 破碎 |
| 458.38~522.26 | 碳酸岩化煌斑岩、稀疏脉状碱长正长岩 | 6~8 | 强 | 中硬、硬 | 较完整 |
牦牛坪稀土矿区地处中高山深切割地貌，地形起伏较大，海拔高差达1180 m，且交通条件受限。综合考虑矿区地形较为复杂，植被茂盛，通行条件差的地理特点和钻孔设计（终孔孔深550 m，终孔口径>70 mm），选用卓优MD800型模块化便携式钻机进行钻孔施工。该钻机采用模块化设计，最大模块质量仅180 kg，各功能部件可根据施工需求灵活组装，便于在复杂地形条件下运输。同时，设备占地面积小，仅需4.5 m×4.5 m场地即可完成安装，大大减少了场地平整工程量。此外，全液压驱动系统保证了钻机在复杂地层条件下的施工效率和可靠性，当出现故障时可快速更换维修，有效降低了维护成本。这些特点使其特别适合在该矿区复杂的地形地质条件下开展钻探工作。
卓优MD800型模块化便携式钻机是一种高度集成的钻探设备，该钻机的核心部件包括操作控制台、液压油箱、柴油发动机组及其油箱、钻机稳固基座、桅杆、泥浆泵、卷扬以及泥浆混合器等核心组
图1 MD800型便携式全液压钻机
Fig.1 MD800 portable fully hydraulic drill
卓优MD800型钻机特别配备了三台动力头液压马达，分别对应高速、中速和低速三种模式，这种设计使得钻机能够轻松应对多种地层类型和不同孔深的钻探挑战，确保钻探作业的高效与精准。钻机基本性能参数见
| 组 成 | 性 能 | 参 数 |
|---|---|---|
| 动力系统 | 发动机型号 | 久保田V1505T |
| 电动机型号 | 无极调速伺服电机（柴油版） | |
| 额定功率/kW | 33×3/30×3 | |
|
额定转速/(r·mi | 3000/2000 | |
| BTW钻杆钻探能力/m | 800 | |
| NTW钻杆钻探能力/m | 500 | |
| HTW钻杆钻探能力/m | 200 | |
| 液压系统 | 控制形式 | 多泵合流恒流量分配系统 |
| 系统压力/MPa | 21 | |
|
最大流量/(L·mi | 200 | |
| 冷却方式 | 水冷 | |
| 液压油箱容量/L | 90 | |
| 回转系统 | 驱动方式 | 德用甲驱式动力头 |
|
最大转速/(r·mi | 1300 | |
| 最大扭矩/(N·m) | 1300 | |
| 进给系统 | 钻进角度/(°) | 45~90(可定制0~90） |
| 桅杆高度/m | 5.2 | |
| 油缸行程/m | 1.83 | |
| 提拔力/kN | 120(双油缸) | |
| 进给力/kN | 60(双油缸) | |
| 泥浆泵 | 驱动方式 | 全液压顶驱式动力头 |
|
最大输出流量/(L·mi | 110 | |
| 最大压力/MPa | 7 | |
| 夹持器 | 夹持方式 | 液压夹持器 |
| 驱动方式 | 双向液压驱动 | |
| 最大通孔直径/mm | 130 | |
| 绳索卷扬 | 驱动方式 | 液压马达 |
| 容绳能力 | 1000 m (6 mm) | |
| 最大提升力/kN | 14 |
MD800模块化便携式全液压钻机配套使用“薄壁系列钻杆+薄壁系列绳索取心钻具+无（低）固相冲洗液”钻进技术方法，薄壁钻具及钻头（见
图2 薄壁系列钻具及钻头
Fig.2 Thin wall series drilling tool and bit
在本次工程实践中，工区上部覆盖第四系松散堆积物，厚度0~40 m，下部为裂隙较为发育的基岩层，对于孔深>400 m的钻孔，采用Ø110 mm-Ø96.7 mm-Ø74.1 mm三级钻孔结构。HTW钻具钻进至较稳定的基岩地层时，无需提出HTW钻杆，可直接使用Ø108 mm的钻杆，并配以套管鞋进行扩孔作业至稳定基岩地层。随后，继续使用HTW钻具进行钻进，直至达到相对稳定的地层或达到预定的深度。此时，提出孔内HTW钻具，将取心钻头更换为套管鞋，并重新将其下入孔内，作为二级套管使用，遇到复杂易坍塌地层，也可无需提出HTW钻具，直接采用NTW钻具磨铣HTW钻头内径，实现正常钻进。具体钻孔设计结构见
图3 钻孔结构设计
Fig.3 Configuration design
开始 次序 | 地 层 | 钻进口径/mm | 钻 具 组 合 | 取心方式 |
|---|---|---|---|---|
| 一开 | 第四系覆盖层 | 110 | Ø110 mm硬质合金钻头+Ø111.4 mm扩孔器+Ø108 mm单管钻具+Ø108 mm钻杆 | 提钻取心 |
| 二开 | 基岩 | 96.7 | Ø96.7 mm金刚石钻头+Ø97.9 mm扩孔器+HTW绳索取心钻具+Ø91.2 mm钻杆 | 绳索取心 |
| 三开 | 基岩 | 74.1 | Ø74.1 mm金刚石钻头+Ø76.4 mm扩孔器+NTW绳索取心钻具+Ø73.3 mm钻杆 | 绳索取心 |
此次施工区域位于断裂带，地层具有破碎、松散、胶结程度低等特点，稀土矿层主要由细小颗粒组成，易被冲洗液所携带，通过对冲洗液配方优化及钻压、转速、泵量等参数及时调整，确保矿层岩心采取率。同时，为保证采取率的准确性，根据岩心采取长度及矿层厚度，对采取的岩心进行称重，防止岩心被人为拉长造成采取率不准确。通过分析牦牛坪矿区的地层情况，形成了一套适用于该地区破碎地层的钻进技术参数，见
| 钻具类型 | 钻压/kN | 转速/（r·mi | 泵量/（L·mi | 冲洗液类型及配方 |
|---|---|---|---|---|
| Ø108 mm单管 | 5~10 | 300~600 | 40~60 | 低固相冲洗液：1%膨润土+0.6%植物胶+0.5%防塌解卡剂+0.5%特效润滑剂+0.5%腐殖酸钾+0.25%聚丙烯酰胺 |
| HTW | 8~14 | 400~800 | 30~45 | 低固相冲洗液：1%膨润土+0.6%植物胶+0.5%防塌解卡剂+0.5%特效润滑剂+0.5%腐殖酸钾+0.25%聚丙烯酰胺 |
| NTW | 5~9 | 600~1000 | 25~40 | 低固相冲洗液：2%膨润土+0.6%植物胶+0.5%防塌解卡剂+0.5%特效润滑剂+0.5%腐殖酸钾+0.25%聚丙烯酰胺 |
利用MD800型便携式全液压钻机，在四川冕宁地区成功实施了钻探作业，共完成4个钻孔。各钻孔施工情况见
| 孔号 | 设计倾角/(°) | 终孔顶角/(°) | 终孔孔深/m | 台月效率/m | 岩心采取率/% | 钻孔结构/mm | 主要地层 | 工作区 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ZK7601 | 60 | 27.7 | 522.17 | 1044.34 | 97.75 | Ø110-Ø96.7-Ø74.1 | 第四系冲洪积物、碱性花岗岩、氟碳铈矿-霓辉石-重晶石-萤石脉型稀土矿体 | 牦牛坪外围 |
| ZK7602 | 60 | 31.3 | 591.17 | 1245.97 | 98.43 | Ø110-Ø96.7-Ø74.1 | 第四系冲洪积物、碱性花岗岩、氟碳铈矿-霓辉石-重晶石-萤石脉型稀土矿体、英碱正长岩 | 牦牛坪外围 |
| ZK7901 | 60 | 29.3 | 346.67 | 1298.34 | 97.36 | Ø96.7-Ø74.1 | 第四系冲洪积物、碱性花岗岩、氟碳铈矿-霓辉石-重晶石-萤石脉型稀土矿体 | 牦牛坪外围 |
| ZK002 | 60 | 27.9 | 571.67 | 1224.13 | 98.30 | Ø110-Ø96.7-Ø74.1 | 第四系冲洪积物、稀疏脉状碱长花岗岩、大理岩夹灰岩、含角砾碳酸盐岩、英碱正长岩 | 登加山 |
从
（1）地层适应性较好，钻进效率高。牦牛坪矿区地层破碎、复杂多变，包括泥盆系的泥砂碎屑岩、碳酸盐岩，以及上二叠统的峨眉山玄武岩和多期次的岩浆岩。MD800型钻机通过其高效的动力系统和灵活的钻进参数调节，成功降低了这些复杂地层带来的难度。同时，由于稀土矿层充填于断裂带裂隙中，具有破碎、松散、胶结程度低的特点，在钻进过程中，如不能及时根据泵压、钻进速度等参数调整冲洗液配方、钻压、泵量、转速等参数，极易造成被冲洗液冲散，导致岩心采取率降低，达不到地质要
（2）轻便式钻机模块化轻量化设计，适应复杂地形施工。在此次施工的林地及农田等复杂地形运输过程中可采用小型爬山虎或人工搬运的方式，可有效支撑在环境恶劣的偏远地区或大型设备难以进入的工作区开展钻探工作。各个部件之间采用液压油管连接，极大节省了设备搬迁时间（1 d）和组装时间（1~2 d）。便携式全液压钻机设计紧凑、体积较小且高度集成，大大减少了机台占用面积（与传统立轴式钻机相比减少50%~70%占用面积），在狭小或复杂地形条件下也能灵活作业，提高了空间利用效率，降低了对作业现场环境的依赖和要求，具体见
图4 作业现场环境
Fig.4 Working site environment
在实际施工过程中，在ZK7602钻孔钻进到550 m深度时，钻机的主桅杆在折叠处发生了断裂，导致岩心无法被打捞，将钻具提升至相对安全的位置，以便对断裂的桅杆进行紧急修复。由于机台条件限制，无法对铝合金材质进行焊接修复，且焊接后的主桅杆在强度和耐久性方面存在较大的隐患。经研究决定采用更为坚固耐用的铁质材料加工新的桅杆，以确保在后续施工过程中能够承受更大的负荷，从而有效预防类似钻机事故再次发
当遇到卡钻、埋钻、断钻、套管难以拔起等复杂情况时，该钻机常出现动力不足和操作灵活度欠缺等问题，一定程度上限制了其事故处理的能力。为此，机组配备了一台液压拔管机，有效降低发生孔内事故后的处理难度，确保钻探工作的连续性和稳定性。
当便携式钻机配套的泥浆泵输送清水或无固相冲洗液时，其故障率极低，稳定性和耐久性较好。当冲洗液中混入了较多的泥沙等有害固相时，会对泥浆泵和水接头等关键部件造成严重的磨损和堵塞，进而引发故障。固相颗粒的冲刷和撞击会加速泥浆泵密封件的损坏，导致泄漏问题；同时，固相颗粒还可能在水接头处积聚，造成流通不畅或完全堵塞。这些问题不仅增加了泥浆泵和水接头等部件的损坏风险，还降低了施工效率。为此，必须严格控制冲洗液的质量，减少其中的有害固相含量，选择适当的黏土、添加剂和配比，并定期检测和调整冲洗液的性能参数。必要情况下还可通过更换往复式泥浆泵，实现低固相冲洗液循环钻进，以满足钻探作业的具体需求。
通过对便携式全液压钻机在稀土矿勘查中的实际应用研究，可以看出其在复杂地质条件下的突出适应性和优势。该钻机适用于可钻性6~8级的地层，HTW钻具施工深度以100~200 m为宜，NTW钻具施工深度以400~550 m为宜。模块化设计使设备具有极大的灵活性，尤其是在应对复杂地形时，具有高效率与可靠性。此外，合理的钻进技术与参数优化可显著提高钻探效率（台月效率平均1200 m）与岩心采取率（平均98%），为地质勘查提供了强有力的技术支持，为绿色勘探提供了重要示范。随着国家对生态文明建设和绿色发展的持续推进，该设备的推广应用将对地质勘查行业的技术升级和可持续发展发挥积极作用，同时为稀土资源的科学勘查提供了新的思路与借鉴。
施工过程存在的问题，如桅杆强度的不足及设备处理事故能力的限制，需要通过改进设计和加强配套措施来进一步优化。
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