一种绳式人力冲击取样钻及其钻进方法与流程

本发明涉及风化壳地层取样钻进技术，具体的说是应用于风化壳离子吸附型（淋积型）稀土矿勘查和开发利用的一种绳式人力冲击取样钻及其钻进方法。

背景技术：

1、上世纪中叶，在花岗岩风化壳中发现了离子吸附型稀土矿，早期的勘探方法主要是浅井或小圆井。由于浅井、小圆井使用锹铲勘探的成本高、耗时长、安全风险大，后来采用了洛阳铲人力冲击钻孔的勘探方法，从而降低了勘探成本、缩短了勘探周期、减少了植被破坏程度。现有一种“赣南钻”，是在洛阳铲基础上作了进一步改造的人力冲击取样钻，以其“快速、经济、安全、环保”等优势，在风化壳离子吸附型稀土矿勘查和开发利用中发挥了重要作用，在中国南方乃至东南亚国家得到了广泛的应用。但是，因其钻进工艺过于简单，掘进钻孔能力不足，难以应对错综复杂的地层变化，难以揭穿半风化层中的稀土矿体底板，或获取半风化层1米以上的进尺岩样，仍需辅以“浅钻”来完善矿产勘查和评价。“浅钻”为机械动力，需要开路、开机坪，既不环保，又不便人工搬运，钻孔施工成本高；风化壳离子吸附型稀土矿勘查面域大，钻孔数量多，“浅钻”施工所连带的土地恢复、生态环境改善、次生地质灾害预防等方面的工作还需付出昂贵的代价。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种轻量化的，绿色环保的绳式人力冲击取样钻及其钻进方法，用于解决现有人力冲击取样钻在风化壳离子吸附型稀土矿勘查中，因掘进钻孔能力不足，难以应对错综复杂的地层变化，难以揭穿半风化层中矿体底板的技术问题。

2、一种绳式人力冲击取样钻，包括底座303，在底座303上分别设置轴心线为垂直方向的管座孔和扶正套孔，管座孔中固定管座303-5，扶正套孔中固定扶正套303-3；管座303-5的外径上固定有支撑管303-2，支撑管303-2外套有立管302，支撑管303-2内下部固定有环状保护套303-1，沿保护套303-1的径向插有穿销303-4；立管302的顶端安装滑轮301-2，滑轮301-2上配有牵引绳1；所述穿销303-4轴心线与所述滑轮301-2的轴心线位于同一铅垂面上且平行于水平面的底座303；

3、在所述扶正套303-3内配有孔口管304，所述孔口管304包括套管304-2和固定于套管304-2顶部的孔口座304-1，孔口座304-1内腔为上小径下大径的阶梯孔，顶端管壁上均布4个“u”形槽，套管304-2与孔口座304-1接触部位开有装拆用的径向通孔，套管304-2的内径与孔口座304-1的上小径相同；套管304-2的外径与扶正套303-3内径相同；

4、在所述孔口管304中插有扒杆2，所述扒杆2包括钢管203，在钢管203上下两端分别固定有管状的扒杆母接头201、管状的扒杆公接头202；钢管203壁上对称布置两列通孔，通孔中可插挂杆8；

5、所述扒杆2下端的扒杆公接头202与钻杆5上的钻杆母接头501连接，所述钻杆5包括碳管503，在碳管503上下两端分别固定有管状的钻杆母接头501、管状的钻杆公接头502，碳管503上下两端与钻杆母接头501、钻杆公接头502接触部位开有装拆用的径向通孔；

6、所述钻杆5下端的钻杆公接头502与取样钻具7上部内螺纹连接，所述取样钻具7包括贮样管703，贮样管703下端固定有钻头704，上端与管接头702下端固定，管接头702上端与异径接头701下部外螺纹连接；所述异径接头701为上大径下小径的中空结构，内台阶上放置砧环705，下部有外螺纹，上部有与钻杆公接头（502）连接的内螺纹，中部的壁上有两个对称布置的天窗孔；所述钻头704底端均布6个以上的“u”形牙槽；异径接头701与管接头702连接部位开有装拆用的径向通孔；

7、所述牵引绳1一端经扒杆2中心线、钻杆5中心线连接到冲击锤6的提引接头601上，所述冲击锤6包括实心体锤身602，其上下两端均设有内螺纹，分别与提引接头601下端的外螺纹、锤头603上端的外螺纹连接；提引接头601为中空结构，中部有悬挂牵引绳1的螺栓；提引接头601、锤身602、锤头603上均开有装拆用的径向通孔；或者牵引绳1一端经扒杆2中心线、钻杆5中心线连接到冲击锤6的提引接头601上，所述冲击锤6包括实心体锤身602，其上下两端均设有内螺纹，分别与提引接头601下端的外螺纹、冲击管接头901上端的外螺纹连接；提引接头601为中空结构，中部有悬挂牵引绳1的螺栓；所述冲击管接头901为中空结构，冲击管接头901下端与冲击管903上端固定，冲击管903的下端与掏心钻头902固定，掏心钻头902底端均布４个以上的“u”形牙槽；在冲击管接头901与冲击管903插接部位开有装拆用的径向通孔；

8、还包括挂杆8，所述挂杆8为实心体，由粗细两段构成，挂杆8的细段插入扒杆2上钢管203的通孔中，作为起拔取样钻具7的前支点；

9、还包括扒杆器4，所述扒杆器4包括碳纤维管材质的撬杆401、扒头402；所述扒头402包括两块平行不锈钢板，在两块平行不锈钢板的一端用一块不锈钢端板连接起来，于不锈钢端板中央固定一不锈钢管座，撬杆401一端固定在管座中；所述两平行不锈钢板一侧开有一对对称的下卡槽403，另一侧开有一对对称的上卡槽404，上卡槽404与下卡槽403沿撬杆401轴心线的距离等于管座303-5至扶正套303-3的中心距；上卡槽404与下卡槽403分别卡在插入扒杆2上钢管203通孔中挂杆8两端下表面、立管302的下部的穿销303-4两端上表面。

10、所述底座303包括碳纤维复合材料的底板303-6、钢材的固定板303-7，底板303-6在上、固定板303-7在下由螺栓固定在一起；所述管座303-5、扶正套303-3分别焊接在固定板303-7上。

11、所述立管302包括碳纤维复合材料的上节碳管302-1、下节碳管302-2，小直径的上节碳管302-1的底端插入大直径的下节碳管302-2的顶端管内，插接部位有二组以上的径向螺栓孔，插接部位用螺栓固定。

12、所述滑轮301-2通过滑轮架301-1安装于上节碳管302-1的顶部；所述滑轮架301-1是在圆柱体上加工成的，中间加工出方孔301-4，底端加工出圆柱形凹孔301-3，上节碳管302-1的顶端插入滑轮架301-1底端的凹孔301-3中并固定；滑轮301-2通过轴及滚动轴承安装在滑轮架301-1的方孔301-4中。

13、还包括反冲接头10，所述反冲接头10为中空、有大小外端的圆柱体，大外端表面有直纹滚花，小外端有与与扒杆母接头201或钻杆母接头501旋合的外螺纹；在反冲接头10上开有轴向缺口。

14、一种使用绳式人力冲击取样钻的钻进方法，包括以下步骤：

15、（1） 现场准备

16、在工程点位置刨平可供所述底座303安装的地面，面积0.4 m×0.8 m，清理作业环境；

17、（2） 设备安装

18、①所述底座303立于工程点地面，选择人力拉绳方向在底座303的轴心线上；

19、②将所述孔口管304插入所述扶正套303-3中，对中工程点，用冲击锤6敲打孔口管304的顶端，管底插入地面0.20 m，满足底座303安装达到稳定状态即可；

20、③将所述立管302的下节碳管302-2的底端套在支撑管303-2的管外，然后用穿销303-4锁定其旋转方向；

21、④取样钻具7上端与扒杆2连接后，插入孔口管304内，拉绳起吊冲击锤6，从扒杆2顶端入管下垂，准备开孔钻进；

22、（3）开孔钻进

23、①一人扶正所述桅杆式支架3和扒杆2，一人拉绳起锤钻进；

24、②岩样满管或难钻时时，需及时起钻退出岩样，然后继续钻进，直至进尺孔深达到0.5 m深度；

25、③扶正桅杆式支架3，再用冲击锤6敲打孔口管304的管顶，使所述桅杆式支架3受力稳固即可；

26、（4）表土及全风化层中钻进

27、①根据孔深长度，计算好所需钻杆5的根数，然后把取样钻具7、钻杆5、扒杆2依次连接放入钻孔；

28、②为了便于人力快速起、下钻，下钻时手握钻杆5旋合螺纹即可，未必用挂杆8加力拧紧；起钻时也未必逐根倒杆，和“赣南钻”一样可连拔2～4根；

29、③上个回次的钻进孔段因起钻后会余留孔壁缩径问题，在下个回次钻进前应进行必要的孔径修整，其操作方法和“赣南钻”钻进过程类同，即：每顿凿一次，按顺时针方向转动钻杆5，直至取样钻具7起落顺畅为止；

30、④正常钻进为一人拉绳，一人扶架；冲击锤6的行程高度视单击进尺量调整，取0.8～1.5 m；取样钻具7可容纳0.55 m长度的岩样，回次进尺量不超过0.35 m，否则岩样顶管会导致退心困难；

31、（5）拔杆取样

32、①起钻时，先从钻杆5内拉出冲击锤6，然后启用扒杆器4起拔取样钻具7；当扒杆2有自重力回落趋势时，便可人力快速拔杆；

33、②一般柱状岩样外径比贮样管703的内径小，可从贮样管703的上端管接头倒置滑落；当岩样卡管时，可用木棒轻轻敲击上端管接头702处理；严紧用挂杆8等铁器用力敲打；

34、（6）岩样整理

35、岩样按顺序装箱或规整在采样布上；剔除废土后便可按规范要求进行钻孔编录和岩样采集；

36、（7）半风化层中取样钻进

37、①根据岩土矿物质成份、物理特性和冲击钻进的难易程度判断风化壳地层的钻进层位；当钻孔进入半风化层界面时，把取样钻具7、钻杆5、扒杆2依次连接落入孔底；

38、②掏心钻具9在牵引绳1的牵引下从扒杆2顶端垂入孔底；提拉掏心钻具9对孔底实施周期性冲击钻进；

39、③当冲击钻进的速度明显降低后，取出掏心钻具9，打开锤身602底端螺纹副，小孔进尺岩样从冲击管接头901处倒置滑落；

40、④当小孔进尺0.5 m深度后，改用冲击锤6进行扩孔取样钻进；依此循环交替钻进方法延伸钻孔，根据现场样品分析判断，直至揭穿半风化层中的矿体底板。

41、本发明在表土及全风化层（现有技术中岩石级别为ⅰ）中的钻进时：置于钻杆5（或扒杆2）内腔的冲击锤6在桅杆式支架3的支撑下，借助人力、牵引绳1提升一定高度后释放重力势能，取样钻具7在冲击锤6的周期性冲击下剪切岩体，岩样在钻头704的挤压下涌入贮样管703内腔从而获得有效进尺。

42、本发明在半风化层（现有技术中岩石级别为ⅱ）中钻进（简称“内掏外扩”）时：置于钻杆5内腔的掏心钻具9在桅杆式支架3的支撑下，借助人力、牵引绳1提升一定高度后释放重力势能，孔底中心部位在掏心钻具9的周期性冲击下剪切岩体，岩样在掏心钻头902的挤压下涌入冲击管903内腔从而获得小孔进尺；当小孔进尺一定深度后，恢复所述在表土及全风化层中的钻进方法进行扩孔取样钻进，依此循环交替钻进方法延伸钻孔直至揭穿半风化层中的矿体底板。

43、本发明的绳式人力冲击取样钻可从调节冲击锤重量和冲击锤行程两方面来提高冲击钻进所需动力，解决了人力冲击取样钻进中的动力不足问题，提高了复杂地层的应对能力。钻头内台阶卡心牢固，避免了在提钻过程中容易发生的“逃土”现象，解决了“赣南钻”在潜水面以下无法采集到岩样的问题。钻进岩样和废土经钻头内台阶压缩后涌入贮样管内，与管内壁保有一定的间隙（或无挤压接触），从贮样管上端倒出后能被明显辨认和区分，能够清晰观察到原岩结构的地质现象。“内掏外扩”的钻进方法运用在风化壳离子型稀土矿的半风化层中钻进，拆解了钻具“土塞”阻力大、钻进难的问题，能够采集到块状岩样，能够揭穿稀土矿体底板。“反冲接头”结构简单，安装便捷，容易解决扒杆器无力处理的地层“吃钻”、卡钻、埋钻事故。

44、本发明选用碳纤维复合材料、铝合金等轻质材料，具有绿色、高效、经济、安全、便携等优势和特点，减轻了人工作业的劳动强度，提高了钻孔的掘进能力。桅杆式支架结构简单，携带轻便，不需要开机坪，不受山体坡度影响便可快速安装；既能满足人力绳式冲击取样钻对支架的功能要求，又符合稀土矿产地质勘查规范倡导的“绿色勘查”要求。