《岩土钻掘工程学》第七章土样与岩矿心的采取培训

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5/15/2023中国地质大学勘查教研室第一节土样的采取（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5/15/2023中国地质大学勘查教研室一、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5/15/2023中国地质大学勘查教研室3、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5/15/2023中国地质大学勘查教研室二、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5/15/2023中国地质大学勘查教研室2.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5/15/2023中国地质大学勘查教研室2.4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5/15/2023中国地质大学勘查教研室

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。5/15/2023中国地质大学勘查教研室第二节单层岩心管取心工具5/15/2023中国地质大学勘查教研室图1常用卡芯工具的结构简图图2.俄罗斯专用卡心工具-15/15/2023中国地质大学勘查教研室图3俄罗斯专用卡心工具-2图4专用卡心工具-35/15/2023中国地质大学勘查教研室

对卡簧及卡心操作的要求卡簧应有足够强度和弹性。用弹簧钢65锰及调质钢40铬加工，硬度HRC45—50。卡簧自由内径＜钻头内径0.3mm±，自由内径过大卡不牢岩心→中途脱落。自由内径过小→岩心堵塞。检查卡簧自由内径合适否的方法，将卡簧套在岩心上既有一定抱紧力，又能在岩心上被轻轻推动。为减少残留岩心，卡簧安放位置应尽量靠近钻头底部。正常钻进时不能提动钻具，否则会过早提断岩心，造成岩心堵塞。第七章土样及岩矿心的采取5/15/2023中国地质大学勘查教研室3.干钻卡取法

回次终了停水干钻一段，让岩粉聚集孔底塞住岩心即可提钻。但有埋、烧钻的危险，适用于硬合金钻软或粘性岩层。

4.沉淀卡取法回次终了停止循环让管内岩屑碎渣沉淀挤塞卡牢岩心。适用软、脆、碎的岩层反循环钻进。常与干钻法结合使用。

5.楔断器卡取法回次终了将钻具提出孔外，下入楔断器，利用吊锤冲击楔子将岩心楔断，再下入夹具将岩心提出。该法适用于大直径和岩石比较坚硬、完整的岩矿层钻进。

第七章土样及岩矿心的采取5/15/2023中国地质大学勘查教研室二、单层岩心管钻具——最简单的取心钻具为↑采取率在单管钻具中增加分水投球接头和分水帽。钻进时冲洗液通过分水接头中心孔直接进入岩心管内，活动分水帽呈伞形保护岩心不受冲洗液直接冲刷，且随岩心一起上移。提钻前投入球阀封闭中心水道，在水压作用下球阀下移超过小卡时通水孔被打开，使孔底形成干钻条件。第七章土样及岩矿心的采取5/15/2023中国地质大学勘查教研室三、双管钻具为克服单管钻进时冲洗液对岩矿心的冲蚀。在岩心管内设置内管容纳岩心，冲洗液从二管之间流动，避免对岩心的直接冲刷，保护岩矿心。钻进时双管若同步转动，内管仍可能与岩心相对转动，对岩心造成的损害。内管在钻进时不随外管转动，既避免了冲洗液对岩心的冲刷，又避免了钻具转动对岩心造成的不良影响。在难取心地层或高速回转的金刚石钻进中，往往能取得较高的取心质量。第七章土样及岩矿心的采取5/15/2023中国地质大学勘查教研室双管钻具结构特点

为减弱机械力对岩心破坏，钻具中设置避振缓冲装置.为减轻对岩心冲刷作用，钻具中设置隔水和分流装置.为防止或缓解岩矿心互磨，双管钻具中增加减磨防磨装置.为防止岩矿心污染，设置隔浆活塞、压入式内管钻头、密封装置等.为防止岩矿心脱落，设置爪簧、压卡装置、隔水球阀等.5/15/2023中国地质大学勘查教研室

1、双动双管

由双管接头，内、外岩心管、钻头和止逆阀组成。一般用于钻进I一Ⅶ级的松散、易坍塌和怕冲刷的岩矿层。为保护岩矿心根部不被冲刷，钻具的内钻头大都超前于外钻头，一般为20~50mm，岩层越松散，胶结性越差，超前距离就越大。第七章土样及岩矿心的采取5/15/2023中国地质大学勘查教研室

2、单动双管钻具由异径接头、外管、内管、单动装置和卡心装置等组成。单动轴承套与内管连接，内管下端与短节和卡簧座采用插接方式连接。利用心轴上端的螺纹调节卡簧座与钻头内台阶的间隙。卡心装置包括卡簧和卡簧座。第七章土样及岩矿心的采取5/15/2023中国地质大学勘查教研室冲洗液由内外管间隙到达卡簧座与钻头内台阶部分分流。岩心进入内管后，内管中的液体经单向阀排到内、外管之间。回次结束稍上提钻具，卡簧相对下移卡紧岩心，卡簧座下移并抵在钻头内台阶上。此时外管承受拉力，并提断岩心适用于为7～12级的完整、微裂隙或不均质、中等裂隙的岩矿层。第七章土样及岩矿心的采取5/15/2023中国地质大学勘查教研室

3.活塞单动双管钻具

由分水接头、单动装置、半合管、活塞和阶梯钻头等组成。严密防止冲洗液接触、污染和冲刷岩矿心。半合管保持岩矿心的原生结构；活塞使岩矿心与泥浆隔绝。钻进中岩矿心顶着活塞进入半合管，起刮浆和减振作用，提高了岩矿心的纯洁度和取心的可靠性。阶梯钻头体开有斜水口，冲洗液不冲刷孔底。在钻头水口下部与半合管间设有密封圈，防止岩矿心受到污染。第七章土样及岩矿心的采取5/15/2023中国地质大学勘查教研室下钻三先送三水将三活塞三推到三底部三再开三车扫三孔。扫孔三完毕三后投三入钢三球。钻进三中水三压推三动球三阀向三下打三开通三水孔三，改三变液三流方三向，三使活三塞上三部免三受动三水压三力，三防止三孔底三缺水三烧钻三。严禁三提动三钻具三，以三免污三染矿三心。适于三可钻三性为4～6级的三松散三、粉三状、三节理三发育三、怕三污染三的岩三矿层三。在三滑石三、石三墨矿三中取三心效三果尤三其显三著。第七三章三土样三及岩三矿心三的采三取5/三1/三20三23中国三地质三大学三勘查三教研三室第四三节三绳三索取三心工三具绳索三取心三：钻三进中三岩心三充满三岩心三管后三不需三提钻三，借三助绳三索和三专用三打捞三工具三从钻三杆中三把内三管及三岩心三提至三地表三的取三心方三法。极大三地减三少了三起下三钻具三时间三，机三械化三程度三高，三增加三纯钻三进时三间，三虽然三绳索三取心三钻头三壁更三厚，三机械三钻速三略低三于普三通钻三头。三总的三钻效三提高三了，三且这三种趋三势随三孔深三的增三大而三增大三。岩心三堵塞三后能三即时三报警三，岩三心采三取率三高，三地质三效果三好。减少三了提三钻次三数，三钻杆三与孔三壁间三隙小三，钻三头回三转平三稳，三钻头三寿命三比普三通钻三头寿三命高三一倍三左右三。降低三钻探三成本三。第七三章三土样三及岩三矿心三的采三取5/三1/三20三23中国三地质三大学三勘查三教研三室缺点三：钻三杆的三内径三大而三管壁三薄，三钻头三壁较三厚，三钻进三时碎三岩功三率消三耗较三大。绳索三取心三钻具三配套三设备三较多三，一三次性三投资三较大三。地质三条件三：适三于各三种地三层，三在6~三9级中三硬岩三层中三效果三最好三。一三般不三宜钻10三~1三2级岩三石。三这时三钻效三极低三，钻三头极三易磨三损，三不能三充分三发挥三绳索三取心三钻进三的优三越性三。绳索三取心三与液三动冲三击器三相配三合，三钻进三硬地三层有三良好三的前三景。绳索三取心三一般三在深三孔中三采用三。通三常钻三孔越三深其三经济三技术三效果三越好,但最三大深三度受三钻杆三强度三制约三。若绳三索取三心钻三头寿三命短三，便三失去三了绳三索取三心的三意义三。第七三章三土样三及岩三矿心三的采三取5/三1/三20三23中国三地质三大学三勘查三教研三室绳索三取心三钻具三的规三格和三型号第七三章三土样三及岩三矿心三的采三取5/三1/三20三23中国三地质三大学三勘查三教研三室一、三绳索三取心单动三双层三岩心三管——由外三管总三成和三内管三总成三组成外管三总成三：弹三卡挡三头1、弹卡三室7、稳三定接三头23（上三扩孔三器）三、外三管46和钻三头52。内管三总成三：捞三矛、三弹卡三定位三、悬三挂、到三位报三讯、三岩心三堵塞三报警三、单三动、三内管三保护三和调三节机三构。第七三章三土样三及岩三矿心三的采三取5/三1/三20三23中国三地质三大学三勘查三教研三室(1三)捞矛三机构三由捞三矛头2和回三收管4等组三成。三取心三时打三捞器三在钻三杆内三下放三到内三管总三成上三端，打三捞钩三抓住三捞矛三，向三上提三升打三捞器三使回三收管三上移三，并三向内三压缩三弹卡6使其三收拢三，于三是内三管总成三和外三管总三成脱三离，三从而三把内三管总三成提三升上三来。第七三章三土样三及岩三矿心三的采三取5/三1/三20三23中国三地质三大学三勘查三教研三室(2三)弹卡三定位三机构三：弹三卡6、张三簧5和弹三卡座10。内三管总三成在三钻杆三内下三放时弹卡三外张三，一三旦到三达外三管的三弹卡三室7，弹三卡两三翼贴三附在三弹卡三室内三壁。三弹卡三室挡三头即三可防三止内三管向三上串三动，三又可三带动三内管三总成三轴承三上部三与外三管一三起旋三转，三以免三因相三对运三动造三成弹三卡磨三损。第七三章三土样三及岩三矿心三的采三取5/三1/三20三23中国三地质三大学三勘查三教研三室(3三)悬挂三机构三：内三管悬三挂环21与外三管座三环22的直三径相三差0.5~三1.0m三m。内三管总三成下三降到三外管三弹卡三室时三，悬三挂环三座在三座环三上，三使内三管总三成下三端卡三簧座51与钻三头52内台三阶2~三4m三m的间三隙，三保证三内管三单动三。第七三章三土样三及岩三矿心三的采三取5/三1/三20三23中国三地质三大学三勘查三教研三室(4三)到位三报信三机构三：冲三洗液三下送三内管三总成三时，三冲洗三液由三内管三外环三间隙三通过三；内三管坐三在悬三挂机三构上三时，三冲洗三液通三道被三堵泵三压明三显升三高(0.5~三1M三Pa)，三表明三内管三已到三位。三此时三阀堵三39三打开三，泵三压恢三复正三常，三可以三正常三钻进三。第七三章三土样三及岩三矿心三的采三取5/三1/三20三23中国三地质三大学三勘查三教研三室(5三)岩心三堵塞三报警三机构三：钻三进中三发生三岩心三堵塞三或装三满内三管时三，岩三心对三内管三产生三的顶三推力三压缩三碟簧三，使三滑套三24三上移三堵塞三接头38的通三水孔三，造三成泵三压升三高，三告诫三操作三者应三停止三钻进三，捞三取岩三心。第七三章三土样三及岩三矿心三的采三取5/三1/三20三23中国三地质三大学三勘查三教研三室(6三)单动三机构三：两三副推三力轴三承29、31使内三管不三随外三管转三动。三(7三)内管三保护三（缓三冲机三构）三：拉三断岩三心时三内管三及卡三簧座三下移三至钻三头内三台阶三上，三拉力三由钻三头传三至外三管，三内管三不受三损坏三。(8三)调节三机构三：内三外管三组装三时，三调节三卡簧三座与三钻头三内台三阶之三间隙三（0~三30三mm）。第七三章三土样三及岩三矿心三的采三取5/三1/三20三23中国三地质三大学三勘查三教研三室二、三打捞三器——三由打三捞和三安全三脱卡三机构三组成三打捞三机构三：打三捞钩1、打三捞钩三架3、重三锤7和钢三丝绳三接头三。取三心时三，用三钢丝三绳把三打捞三器放三入钻三杆内三靠重三锤以1.5~三2.0三m/三s的速三度下三降，三当它三到达三内管三总成三上端三时，三能准三确钩三住捞三矛头三，把三内管三总成三提升三上来三。(2三)安全三脱卡三机构三：需三脱卡三时将三内径三比重三锤稍三大的1m长套三管(壁上三开有三斜口)套入三钢丝三绳,靠自三重下三降，三撞击三并罩三住打三捞钩三尾部三，迫三使其三向内三收缩三，端三部张三开，三从而三使打三捞器与三内管三总成三脱离三。第七三章三土样三及岩三矿心三的采三取5/三1/三20三23中国三地质三大学三勘查三教研三室三、三绳索三取心三附属三工具1、钻杆三——三内外三平（三包括三接头三）、三强度三、同三心、三垂直三。2、三绳索三取心三绞车三：专三用于三下放三打捞三器和三打捞三岩心三管。3、三钻杆三夹持三器：三用于三夹持三外平三的绳三索取三心钻三杆的夹三持器三有脚三踏夹三持器三(木三马夹三持器三)和三球卡夹持三器两三种型三式。第七三章三土样三及岩三矿心三的采三取5/三1/三20三23中国三地质三大学三勘查三教研三室四、工艺三过程三注意三事项打捞三器到三底可三缓慢三提动三钢丝三绳。三若有三冲洗三液由三钻杆三中溢三出说三明打三捞可三能成三功，三否则三需再三次下三打捞三器。当判三明外三管和三钻杆三内无三岩心三时，三将备三用内三管从三孔口三下入三钻杆三内。三此时三可开三机缓三慢转三动并三开泵三冲送三，加三快内三管下三降速三度。若打三捞不三成功三，则三应提三钻处三理。干孔三中不三能直三接投三内管三，在三钻杆三柱内三注入三冲洗三液，三然后三迅速三投入三内管三。确认三内管三已经三到位三才开三始扫三孔钻三进。第七三章三土样三及岩三矿心三的采三取5/三1/三20三23中国三地质三大学三勘查三教研三室第五三节三反循三环钻三进取三心一、三孔底三局部三反循三环取三心1.三无三泵反三循环三钻具在钻三进中三关水三泵利三用孔三内的三静水三柱压三力和三上下三提动三钻具三在孔三底形三成局三部反三循环三冲洗三孔底三钻进三。2.三喷三射式三孔底三反循三环钻三具喷射三式孔三底反三循环三钻具三（喷三反钻三具）三不必三频繁三提动三钻具三，而三是利三用射三流泵三工作三原理三形成三孔底三反循三环。喷反三钻具三是在三一般三钻具三上增三设喷三反元三件，三喷反三元件三由喷三嘴、三混合三室、三喉管三、扩三散管三、分三水接三头等三组成三。第七三章三土样三及岩三矿心三的采三取5/三1/三20三23中国三地质三大学三勘查三教研三室工作三原理三：高三压冲三洗液三沿钻三杆进三入喷三嘴4，高三速3~三15三m/三s射入三扩散三管5。喷三嘴与三扩散三管周三围的三液体三被射三流带三走一三部分三而形三成负三压区三。在压三差作三用下三，下三部岩三心管8中液三体被三抽吸三到喷三射器三里，三高速三液流三和吸三入的三液体三在混三合室1三2内混三合，三进行三能量三传递三和交三换后三流入三喉管13；再三经扩三散管三和出三水孔11或弯三管排三出。排出三的冲三洗液三一部三分沿三钻杆三外环三返回三地面三；一三部分三在负三压下三流向三孔底三，冲三洗孔三底。改变三冲洗三液量三或调三节喷三射器三元件三参数三，就三能控三制孔三底反三循环三冲洗三的强三弱。第七三章三土样三及岩三矿心三的采三取5/三1/三20三23中国三地质三大学三勘查三教研三室二、三全孔三反循三环取三心1.三全三孔反三循环三分类三：气举三反循三环、三泵吸三反循三环、三泵压三反循三环。2.三全三孔反三循环三工作三原理冲洗三液经三双管三水龙三头进三入双三层钻三杆内三外管三环隙三，到三达孔三底分三流，三大部三分进三入内三管中三，以三反循三环方三式向三上流三动把三岩心三及岩三屑携三带到三水龙三头处三，通三过软三管将三岩心三排至三岩心三收集三器内三；另一三小部三冲洗三液从三钻杆三外环三以正三循环三方式三缓慢三向上三流，三稳定三孔壁三和润三滑钻三具用三。改变三所用三钻头三形式三可分三别得三到岩三心和三岩屑三。取三心钻三头在三钻具三内管三下部三装有三岩心三切断三器，三岩心三成段三地连三续从三孔底三输至三地表三。若三采用三牙轮三钻头三，那三么得三到的三就是三岩屑三被输三至地三表。第七三章三土样三及岩三矿心三的采三取5/三1/三20三23中国三地质三大学三勘查三教研三室第七三章三土样三及岩三矿心三的采三取全孔三反循三环连三续取三心的三优点无需三提钻三减少三了辅三助时三间，三钻效三高。岩心三采取三率达95％以三上，三取心三质量三好。岩粉三及时三被排三出孔三底干三净，三减少三孔底三重复三破碎三大幅三度提三高时三效，三延长三钻头三寿命三。易于三穿过三坍、三漏、三破碎三等复三杂地三层。单位三成本三低。三相同三地层三条件三下，三反循三环连三续取三心钻三进的三成本三，仅三为普三通取三心钻三进的1/三5~三1/三3。5/三1/三20三23中国三地质三大学三勘查三教研三室目前三存在三的问三题（1）钻三进深三度和三岩层三有一三定的三局限三性，三远不三能完三全取三代普通三岩心三钻探三；（2）碎三屑状三的岩三样破三坏了三地层三的原三状结三构，三难以三直接三获得所三钻地三层的三真实三属性三；（3）坚三硬岩三层，三岩心三难以三切断三或岩三心切三断器三磨损三严重三；（4）另三外钻三探设三备和三附属三工具三过于三笨重三，一三次性三投资三大。这些三问题三严重三影响三了它三的推三广。第七三章三土样三及岩三矿心三的采三取5/三1/三20三23中国三地质三大学三勘查三教研三室第六三节三采集三岩粉三和补三取岩三样一、三采集三岩粉正循三环钻三进时三采集三的岩三粉只三作为三辅助三样品三；孔三底局三部反三循环三岩粉三收集三装置三获得三的岩三粉才三具有三代表三性。1.岩粉三沉淀三槽：岩粉三沉淀三槽坡三度≯三1∶三12三5保三证液三流速三度低三于临三界值三，设三有隔三板便三于岩三粉沉三淀。2.三旋三流分三离器三：含岩三粉的三冲洗三液以三切线三方向三进入三扩散三器作三旋转三运动三，岩三粉颗三粒在三离心三力作三用下三抛向三扩散三器壁三，同三时在三重力三作用三下沉三落并三聚集三在下三部从三排粉三孔中三取出三，清三除了三岩粉三的液三体由三上部三出液三管排三出。第七三章三土样三及岩三矿心三的采三取5/三1/三20三23中国三地质三大学三勘查三教研三室第七三章三土样三及岩三矿心三的采三取5/三1/三20三23中国三地质三大学三勘查三教研三室旋流三除砂三过程三观察三表明三：旋三流除三砂器三工作三时在三其中三轴部三位形三成旋三涡状三气柱—类似三龙卷