立軸式與全液壓動(dòng)力頭式地質(zhì)巖心鉆機(jī)使用比較

李紅巖 周家榮

(陜西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局西安地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院，陜西 西安 710100)

引言

目前在地勘單位地質(zhì)鉆探施工中應(yīng)用的巖心鉆機(jī)主要有兩種，一種是液壓立軸式巖心鉆機(jī)，另一種是全液壓動(dòng)力頭式巖心鉆機(jī)。目前液壓立軸式鉆機(jī)還是地勘單位地質(zhì)鉆探的主力機(jī)型。全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)目前在世界發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)基本全部取代了立軸式鉆機(jī)，我國(guó)也在這兩年開始快速的裝備地勘單位，許多地勘單位已擁有了一定數(shù)量的全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)。由于鉆機(jī)的使用效果將直接影響地質(zhì)勘探工作的效率、質(zhì)量和成本。本文通過對(duì)本單位XY系列立軸式鉆機(jī)和YDX系列全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)在淺部、中深部勘探施工使用中表現(xiàn)出的效果及性能對(duì)比，簡(jiǎn)述兩種鉆機(jī)的特點(diǎn)。

1、地質(zhì)巖心鉆機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用情況

我國(guó)于上世紀(jì)六十年代研制成功了液壓立軸式巖心鉆機(jī)，在此之前我國(guó)使用的液壓立軸式巖心鉆機(jī)主要來源于蘇聯(lián)和瑞典進(jìn)口，目前國(guó)內(nèi)地質(zhì)巖心鉆機(jī)市場(chǎng)使用的主要機(jī)型仍以立軸式鉆機(jī)為主。全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)從上世紀(jì)七十年代在國(guó)外推出以來，發(fā)展迅速，目前在發(fā)達(dá)國(guó)家立軸式巖心鉆機(jī)已經(jīng)被全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)所取代。我國(guó)在上世紀(jì)八十、九十年代開始嘗試研制全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)，并做出了樣機(jī)，但主要由于當(dāng)時(shí)我國(guó)的液壓技術(shù)水平低，導(dǎo)致鉆機(jī)性能不佳，沒能進(jìn)一步推廣。本世紀(jì)開始以來，我國(guó)的鉆機(jī)研制單位開始了新一輪全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)研制攻關(guān)后，取得了成功，開始裝備地勘單位。在我國(guó)全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)以其所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)一經(jīng)問世，在市場(chǎng)上就受到了廣泛的關(guān)注和歡迎，現(xiàn)我國(guó)全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)已出口到澳大利亞、俄羅斯和伊朗等國(guó)家。雖然全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)在我國(guó)的推廣應(yīng)用表現(xiàn)出良好的勢(shì)頭，但這種鉆機(jī)目前在我國(guó)地質(zhì)鉆探市場(chǎng)上的使用份額比立軸式鉆機(jī)還是要小得多。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)的發(fā)展方向，必定會(huì)成為地質(zhì)巖心鉆機(jī)市場(chǎng)的主角。但另一方面又必須看到，在固體礦產(chǎn)鉆探這一重要領(lǐng)域，不僅目前市場(chǎng)占有的主要機(jī)型仍為立軸式鉆機(jī)，而且從一些公司生產(chǎn)的不同類型鉆機(jī)更新年限的統(tǒng)計(jì)資料看，立軸式鉆機(jī)在該領(lǐng)域內(nèi)的有效使用至少仍要保持15年。

2、兩種鉆機(jī)在結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)方式及特性上的對(duì)比

XY系列立軸式鉆機(jī)（圖一）特點(diǎn)：為機(jī)械傳動(dòng)液壓給進(jìn)方式鉆機(jī)，鉆機(jī)拆卸方便，維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單，高塔長(zhǎng)立根提下鉆，減小輔助時(shí)間，機(jī)械效率高，功率消耗少，價(jià)格低等。不足之處：給進(jìn)行程短，需經(jīng)常停機(jī)倒桿，震動(dòng)大，噪音大，轉(zhuǎn)速變速范圍窄，鉆機(jī)智能化，數(shù)字化程度差。整機(jī)搬遷、安裝不便。

YDX系列全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)（圖二）特點(diǎn)：是一種用油壓驅(qū)動(dòng)和控制所有運(yùn)轉(zhuǎn)部件的鉆機(jī)，這類鉆機(jī)借高壓變量油泵和變量油馬達(dá)可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，相對(duì)于立軸式鉆機(jī)簡(jiǎn)化了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，去掉了齒輪變速箱，減輕了鉆機(jī)重量，又充分利用動(dòng)力。動(dòng)力頭鉆機(jī)采用整體車載、模塊化設(shè)計(jì)，安裝方便，開機(jī)準(zhǔn)備時(shí)間短，機(jī)械化程度高，全液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)噪音小，震動(dòng)小，轉(zhuǎn)速變速范圍寬，動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速可精確控制，可實(shí)現(xiàn)無極化變速，智能化操作，同時(shí)比立軸式鉆機(jī)，取心作業(yè)的效率及安全性大大增加。

3、兩種鉆機(jī)在實(shí)際鉆探工作中效果對(duì)比

對(duì)我單位長(zhǎng)年使用的xy-5立軸式鉆機(jī)（圖一）和YDX-1800（圖二）全液壓鉆機(jī)，在淺部、中深部勘探施工中的使用情況和施工統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比較如下：

（一）、使用情況比較

（1）立軸式鉆機(jī)由于采用鉆塔，可長(zhǎng)立根

（12～18m）起下鉆，起下鉆速度比動(dòng)力頭鉆機(jī)（立根長(zhǎng)度一般為6m）要高得多。在鉆進(jìn)施工中，起下鉆是一種經(jīng)常的作業(yè)，起下鉆速度對(duì)施工效率有明顯的影響作用。但動(dòng)力頭鉆機(jī)采用滑移桅桿式鉆塔，給進(jìn)行程長(zhǎng)，一般為3m左右，比立軸式鉆機(jī)的0.5～0.6m要長(zhǎng)得多。對(duì)于3m進(jìn)尺，動(dòng)力頭鉆機(jī)可一氣呵成，而立軸式鉆機(jī)至少倒桿4次。每次倒桿不僅需多耗時(shí)間，還可能造成巖心斷裂，使得倒桿后重新鉆進(jìn)速度慢，并加大了巖心堵塞的機(jī)率。在破碎地層，以上因素的影響尤為明顯。動(dòng)力頭鉆機(jī)在機(jī)械鉆速、鉆頭壽命、回次長(zhǎng)度和提鉆間隔方面都要優(yōu)于立軸式鉆機(jī)。并且滑移桅桿式鉆塔直接支撐地面，大大增加了鉆機(jī)的穩(wěn)定性。

（2）動(dòng)力頭鉆機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，拆卸和組裝方便，并有自行走式底盤設(shè)計(jì)，鉆塔為滑移桅桿式鉆塔，對(duì)鉆塔無需專門拆卸、安裝和搬運(yùn)鉆塔，可大大減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，明顯節(jié)省施工時(shí)間并降低人工成本，在不同的交通環(huán)境中都表現(xiàn)突出。動(dòng)力頭鉆機(jī)搬遷一般只需要1～2天時(shí)間。立軸式鉆機(jī)搬遷一次一般需要4～7天。同時(shí)由于動(dòng)力頭鉆機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)，其維修性要大大高于立軸式鉆機(jī)，只要配件到位，設(shè)備部件損壞故障可短時(shí)間快速排除。

（二）、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比較

（1）鉆機(jī)施工效率

全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)與立軸式鉆機(jī)施工效率比較表

表一 全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)與立軸式鉆機(jī)施工效率比較表

由表一可看出，兩種鉆機(jī)在施工效率方面，動(dòng)力頭鉆機(jī)的優(yōu)于立軸式鉆機(jī)。

（2）兩種鉆機(jī)在軟巖層和硬巖層中施工不同深度鉆孔所需的鉆進(jìn)時(shí)間對(duì)比（不計(jì)鉆機(jī)搬遷時(shí)間）：

兩種鉆機(jī)在軟巖中施工不同深度鉆孔的施工時(shí)間比較

表二 兩種鉆機(jī)在軟巖中施工不同深度鉆孔的施工時(shí)間比較

表三 兩種鉆機(jī)在硬巖中施工不同深度鉆孔的施工時(shí)間比較

以上數(shù)據(jù)，可得出以下結(jié)論：

（1）立軸式鉆機(jī)只是起下鉆時(shí)間比動(dòng)力頭鉆機(jī)少，其他所有施工需要的時(shí)間均比動(dòng)力頭鉆機(jī)要多。

（2）無論是鉆進(jìn)軟巖還是硬巖層，動(dòng)力頭鉆機(jī)的鉆進(jìn)施工時(shí)間都明顯少于立軸式鉆機(jī)。特別是在軟巖鉆探中，動(dòng)力頭鉆機(jī)節(jié)省時(shí)間表現(xiàn)的更好，這主要是因?yàn)樵谲泿r中，鉆頭使用壽命更長(zhǎng)，提鉆間隔更大，使動(dòng)力頭鉆機(jī)提鉆慢的弱點(diǎn)得到弱化。

（3）兩種鉆機(jī)如果考慮鉆機(jī)搬遷浪費(fèi)的時(shí)間，動(dòng)力頭鉆機(jī)比立軸式鉆機(jī)施工效率更顯優(yōu)勢(shì)。

3、施工質(zhì)量和施工成本對(duì)比

（1）全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)是長(zhǎng)行程給進(jìn)，一個(gè)回次鉆進(jìn)過程中工作平穩(wěn)，在破碎地層全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)長(zhǎng)行程給進(jìn)可明顯降低破碎地層鉆進(jìn)的事故率，鉆探施工常遇到孔壁坍塌、超徑造成的埋、卡鉆事故較立軸式鉆機(jī)要少。而立軸式鉆機(jī)在一個(gè)回次中要倒桿4～5次，倒桿時(shí)可能造成巖心斷裂，加大巖心堵塞的機(jī)率，巖心采取率會(huì)因此受到影響。因此動(dòng)力頭鉆機(jī)的巖心采取率和巖心質(zhì)量要優(yōu)于立軸式鉆機(jī)。

（2）鉆進(jìn)施工成本是一個(gè)受多方面因素影響的復(fù)雜問題。但總體講，動(dòng)力頭鉆機(jī)的購(gòu)置成本比立軸式鉆機(jī)要高得多。但由于動(dòng)力頭鉆機(jī)施工效率比立軸式鉆機(jī)要高，因此又可帶來施工成本下降。通過使用情況看：動(dòng)力頭鉆機(jī)在淺進(jìn)尺時(shí)，鉆進(jìn)施工成本要高于立軸式鉆機(jī)，但在鉆進(jìn)一定進(jìn)尺之后，其鉆進(jìn)成本與立軸式鉆機(jī)鉆進(jìn)成本相當(dāng)或更低。

4、鉆機(jī)適應(yīng)性對(duì)比

由于不同的鉆進(jìn)工藝方法對(duì)鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速有著不同的要求。相比之下，動(dòng)力頭鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速變速范圍寬，轉(zhuǎn)速可精確控制，能夠進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，能較好地滿足不同地層的鉆進(jìn)工藝的要求。同時(shí)與立軸式鉆機(jī)相比，動(dòng)力頭鉆機(jī)需要的鉆進(jìn)場(chǎng)地更小，能更方便地施工不同傾角的鉆孔，能更加容易地實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測(cè)和控制。同時(shí)由于動(dòng)力頭鉆機(jī)技術(shù)程度要遠(yuǎn)高于立軸式鉆機(jī)，這種鉆機(jī)的液壓部件的加工制造較復(fù)雜，對(duì)使用維修的要求比較高，因此對(duì)操作人員的素質(zhì)及管理要求要高于立軸式鉆機(jī)。

結(jié)論

通過對(duì)XY系列立軸式鉆機(jī)和YDX系列全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)的構(gòu)造特點(diǎn)和在淺部、中深部勘探施工中使用情況等方面的對(duì)比，表現(xiàn)出全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)的鉆速效率和孔內(nèi)事故發(fā)生指標(biāo)及鉆探技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、施工質(zhì)量和適應(yīng)性、維修性、操控性等方面都要明顯優(yōu)于立軸式鉆機(jī)。特別是對(duì)鉆探工程任務(wù)量大，需要突擊完成的項(xiàng)目工程時(shí)，全液壓動(dòng)頭鉆機(jī)的表現(xiàn)更是大大超前于立軸式鉆機(jī)。全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)是一種具有施工效率高、施工質(zhì)量好、事故率低、鉆機(jī)適應(yīng)性強(qiáng)、輕便、維修性好等優(yōu)點(diǎn)的鉆機(jī)，是我國(guó)地質(zhì)巖心鉆機(jī)的發(fā)展方向。但在現(xiàn)階段，針對(duì)年度鉆探任務(wù)很小的勘查項(xiàng)目，從經(jīng)濟(jì)成本因素考慮，使用立軸式鉆機(jī)經(jīng)濟(jì)效果要好于全液壓動(dòng)頭鉆機(jī)。對(duì)于鉆機(jī)深部勘探施工，通過使用分體塔式全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)可完全解決桅桿式鉆塔在鉆探施工中存在的弊端。

[1]張偉.關(guān)于我國(guó)地質(zhì)巖心鉆機(jī)發(fā)展方向的分析.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008,（8）.