我們正在為永久凍土擴展項目鉆探鉆孔包括北極環極地區的學校。項目的目的是在學校建立永久凍土監測站，并有學生教師參與收集數據。我們鉆了一個6米深的鉆孔以供監測臺測量地面溫度。有超過建立了50個網站，許多學校位于偏遠地區村莊。這為開發便攜式設備創造了巨大的機會和必要性，輕型小直徑鉆頭。然而，永久凍土條件和當地的地質變化很大。這種便攜式鉆機系統受到了嚴重的影響被冷凍材料的顆粒大小所影響。螺旋鉆和取心的設計細粒凍土的碎片（機械性能）已經很好了。發展。然而,凍結礫石,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。在我們的外展項目中，我們試著開發一種用便攜式的方法在冰凍的礫石上鉆孔的方法。鉆系統。這個研究展示了我們的實驗和介紹便攜式鉆機系統的不同技術。

介紹

便攜式鉆井系統可能是為了尋找淺層地下水而開發的一種沖擊系統。樣本敲擊系統在18世紀早期在日本被廣泛應用為“Kazusa-hori”。

工業革命后，回轉式鉆機系統比傳統的沖擊式鉆機系統更受歡迎。今天，有更多不同類型的鉆井系統被廣泛用于鉆井。表1顯示了鉆機系統的分類。

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

特別是由美國陸軍工兵部隊冷區研究和工程實驗室(CRREL)(例如Mellor, 1976)對凍土、砂等細粒土的鉆探技術進行了深入的研究和發展;羅森和Brockett,1980;Sellmann Brockett,1986;1988)。Sellmann和Mellor(1986)總結了凍土細砂鉆頭設計的非凡成果。他們得出的結論是，鉆頭的最佳性能應該是: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粗粒物料(如冰凍砂礫)的移動式鉆井系統的方法，因為這種材料是最難鉆取的材料之一，在研究現場也很常見。我們需要能夠在許多偏遠的村莊鉆鉆孔，即使是通過這些材料。

方法

鉆機系統

水射流鉆頭

水射流(熱水射流)系統(圖1)廣泛應用于冰川學研究。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企業有限公司的熱水噴射裝置。

圖1。熱水射流系統，用于舊鉆孔(左)和原型輕型緊湊拆卸旋轉鉆機，采用空氣旋轉(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用到我們的便攜式鉆機系統中。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)。

旋轉鉆和土鉆

旋轉鉆和土鉆都需要旋轉動作才能鉆進。我們使用了三種不同的源來旋轉鉆頭: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的商用鉆機都采用這種方法。但是由于系統需要很多不同的重型部件(圖3)，所以無法轉化為便攜式鉆機(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(內聯沖擊鉆)。

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

沖擊鉆

電動沖擊/旋轉鉆機是便攜式鉆機的理想系統之一。我們嘗試了重型電動沖擊鉆機，看看能否將其應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。我們為這個實驗測試了許多不同的比特。帶有旋轉系統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(溫納結構)。

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。

圖8。礫石(負傾角)和淤泥(正傾角)的取心鉆頭直徑為30mm(右)。

結論：

我們在冰凍的巖石海灘和泛濫的平原材料上測試了旋轉手提鉆。手錘可以產生兩個動作，旋轉和打擊。然而，旋轉并不是設計上的主要動作，而只是作為次要動作進行旋轉。當地面材料從鉆孔中熔化時，鉆孔會被融化的淤泥材料弄濕，轉動的傳動軸會粘在泥漿上，停止轉動。動作產生的濕粉質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鉆更有效。圖10顯示了在細粒和粗粒材料中，使用直線敲擊和不使用直線敲擊進行旋轉鉆的實驗結果。

這個表格顯示了內聯系統對(細粒度和粗粒度)材料都很有效。然而，在粗碎石中，打擊樂的效果更明顯。與只使用旋轉鉆機相比，內聯沖擊鉆機系統的效率要高出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)，同時保持鉆頭尖端的清潔。當鉆頭旋轉時，水/空氣旋轉可以將壓力水/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配合良好。當鉆頭旋轉時，可將受壓水或空氣連接到鉆桿上。該鉆井系統包括三個主要組成部分:挖地時，1)旋轉作用，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場保持冰凍。因此，在通過轉軸輸送水/空氣之前需要一個冷凍(冷卻)系統。如果使用過冷水或冷空氣，系統會引起最小的干擾。

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，向下的加載和去除。當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。在碎石區使用便攜式鉆機系統，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粒粒徑有關。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生的壓力，但它不太可能輕易地轉化為便攜式鉆機系統。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，我們得出了以下結論:

(1).旋轉系統不能正常工作。

(2)沖擊系統有助于去除顆粒。

(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粒物質含量的情況下。

(4).膨潤土具有良好的墻體穩定性。

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。沖擊作用有助于分離每一粒顆粒，并將礫石從凍結的基體中移走，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粒(谷物)。小直徑鉆桿是成功鉆透顆粒材料的重要參數。

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

表2。細粒和粗粒冷凍材料的便攜式鉆井操作總結

結論

對于細粒物料，甚至是粗粒物料，如果孔隙空間充滿淤泥或粘土材料，旋轉鉆機是非常有效的。沖擊系統為粗粒物料層的鉆孔創造了一個有效的作用(圖11)。在驅動桿上加重重量可以產生更好的沖擊能量。然而，在偏遠村莊鉆井的現實限制了人力沖擊系統的大小約為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推入孔內壁。

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

圖12。人力傳統沖擊系統采用鋼條。

確認

這個項目由國家科學基金會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，喬恩·霍爾姆格倫(Jon Holmgren)和薩姆·斯基德莫爾(Sam Skidmore)開發了許多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。

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

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Sellmann,p V。和M. Mellor, 1986年。為冰凍的細粒土鉆孔。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