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浅层土壤环境取样钻进技术研究

2020-12-02阅读(610)

浅层土壤环境取样钻进技术研究

论文摘要

随着现代地球科学,特别是环境科学的发展,土壤环境问题越来越受到人们的关注。地质环境调查项目和国土资源“十三五”规划的实施,对土壤环境调查和保护职能提出了新要求,以支撑生态文明建设、服务民生为目标,需要开展土壤环境调查工作。浅层土壤环境取样技术是土壤环境调查不可或缺的技术方法。浅层土壤环境取样主要的技术特点为:取样地层为第四纪覆盖层;对取得的样品质量要求高;取样一般不超过30m。浅层取样钻探是获取浅层土壤样品最有效的手段,其技术难点为:回转钻探方法会对土壤样品造成扰动和污染、取心率不足;现有的设备,重量和体积大,不利于移动和运输,环境适应能力差。本文以满足土壤环境取样的技术特点和要求为目标,结合浅层钻探的技术难点,开展了声频振动、冲击钻进机理的研究和轻便化取样设备及工艺的研究,形成了一套解决30m以内土壤环境取样的钻探设备和工艺方法,解决了土壤环境的原状取样困难和缺少轻便化设备的难题。针对绝大多数的土壤环境调查,取样深度在10m以内,地层为松散粘土、砂土层,依据轻便、高质、高效实施钻探取样的设计思路,研制了采用声频振动的方式进行高效取样的钻机、配套钻具及工艺方法。钻机的体积小、重量轻,钻进效率高。针对30m以内的密实粘土层及砂土层,研制了冲击式取样钻机、配套钻具及工艺方法。采用液压低频冲击器进行冲击取样,配套单管及双管取样钻具,可以实现30m以内的土壤样品的非扰动取样。钻机采用模块化组合结构设计,模块重量100Kg以内,轻便、解体性好,便于搬运。声频振动式、冲击式两款轻便钻机,结合项目进行了应用示范,均验证了钻机的性能达到了设计要求,钻机的取样质量好、取样效率高,且充分发挥了钻机轻便的优势。两款钻机的研制,解决了轻便化钻机实现非扰动环境取样的关键技术,填补了国内土壤环境取样缺少轻便非扰动取样设备的空白,提高了浅层取样钻探为土壤环境调查工作的服务水平和技术支撑能力。

论文目录

  • 摘要
  • abstract
  • 1 引言
  •   1.1 研究背景及研究意义
  •   1.2 浅层取样钻探技术现状
  •     1.2.1 浅层取样钻机的应用领域
  •     1.2.2 浅层取样钻机国外研究现状
  •     1.2.3 浅层取样钻机国内研究现状
  •     1.2.4 国内外差距分析
  •   1.3 声频振动钻进技术现状
  •   1.4 浅层土壤环境取样技术要求及难点分析
  •     1.4.1 浅层土壤环境取样技术要求
  •     1.4.2 浅层土壤环境钻探难点分析
  •   1.5 论文总体思路、研究内容、技术路线、关键技术
  •     1.5.1 总体思路
  •     1.5.2 研究内容
  •     1.5.3 技术路线
  •     1.5.4 关键技术
  •   1.6 研究成果及创新点
  •     1.6.1 研究成果
  •     1.6.2 创新点
  • 2 声频振动钻进机理的研究
  •   2.1 声频钻进机理
  •   2.2 土的振动液化机理
  •   2.3 土的应力-应变关系
  •   2.4 声频振动模型
  •   2.5 运动学模型分析
  •   2.6 振幅、频率、激振力及功率影响分析研究
  •     2.6.1 振幅的研究
  •     2.6.2 频率的研究
  •     2.6.3 激振力的研究
  •     2.6.4 功率影响分析
  •   2.7 本章小结
  • 3 声频钻机的研制
  •   3.1 声频钻机设计的总体思路及主要性能参数
  •     3.1.1 钻机设计总体思路
  •     3.1.2 主要性能参数
  •   3.2 钻机三维模型设计
  •   3.3 主要零部件设计
  •     3.3.1 声频振动头的设计
  •     3.3.2 增速机构设计
  •     3.3.3 偏心轴的设计
  •     3.3.4 激振力设计
  •     3.3.5 动力系统的设计
  •     3.3.6 软轴传动设计
  •     3.3.7 给进提升系统设计
  •   3.4 附属钻具研制
  •     3.4.1 钻具设计原则
  •     3.4.2 钻具整体结构设计
  •     3.4.3 钻头设计
  •     3.4.4 外管设计
  •     3.4.5 取样内衬管设计
  •     3.4.6 内钻杆设计
  •   3.5 钻进工艺
  •   3.6 钻机组装调试及试验
  •     3.6.1 松散粘土层试验
  •     3.6.2 饱和沙土层试验
  •   3.7 本章小结
  • 4 冲击钻机的研制
  •   4.1 冲击钻进机理的研究
  •     4.1.1 冲击钻进机理研究
  •     4.1.2 冲击模型分析
  •   4.2 冲击钻机设计的总体思路及主要性能参数
  •     4.2.1 钻机设计总体思路
  •     4.2.2 钻机参数设计
  •   4.3 钻机三维模型
  •   4.4 主要零部件设计
  •     4.4.1 冲击器的选型
  •     4.4.2 液压系统设计
  •     4.4.3 动力系统的设计
  •     4.4.4 给进及提升机构设计
  •   4.5 附属钻具研制
  •     4.5.1 单管钻具
  •     4.5.2 双管钻具
  •   4.6 钻进工艺方法的研究
  •     4.6.1 单管钻进工艺
  •     4.6.2 双管钻进工艺
  •   4.7 钻机组装调试及厂内试验
  •     4.7.1 单管钻具试验
  •     4.7.2 双管钻具试验
  •     4.7.3 存在的问题及改进措施
  •   4.8 本章小结
  • 5 钻机应用示范
  •   5.1 声频钻机的应用示范
  •     5.1.1 项目情况
  •     5.1.2 施工前的准备工作
  •     5.1.3 操作程序及注意事项
  •     5.1.4 项目应用效果
  •     5.1.5 遇到的问题及解决方案
  •     5.1.6 应用示范小结
  •   5.2 冲击钻机的应用示范
  •     5.2.1 土壤环境修复应用示范
  •     5.2.2 考古调查的应用示范
  •     5.2.3 水土检测应用示范
  •     5.2.4 钻机的注意事项
  •     5.2.5 应用示范小结
  •   5.3 本章小结
  • 6 结论与展望
  •   6.1 结论
  •   6.2 展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录
  •   项目鉴定报告
  •   获得发明专利证书
  •   发表论文、获得专利及科研情况

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 冉灵杰

    导师: 何远信

    关键词: 浅层取样,环境取样,声频振动,冲击钻进,轻便钻机

    来源: 中国地质大学(北京)

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

    专业: 地质学,矿业工程

    单位: 中国地质大学(北京)

    基金: 中国地质调查局的地质调查项目 “重点成矿带浅层钻探关键设备研发与应用示范”

    分类号: P634.5

    DOI: 10.27493/d.cnki.gzdzy.2019.000153

    总页数: 134

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