FD- 600型全液壓動力頭反循環(huán)連續(xù)取樣鉆機的研制與應(yīng)用

劉智榮， 伍曉龍， 王慶曉

(1.西北綜合勘察設(shè)計研究院，陜西 西安 710003； 2.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北 廊坊 065000)

隨著社會的進步及全球人口的增加，人類對礦產(chǎn)資源的需求量將會進一步增加。與人類生存有密切關(guān)系的礦產(chǎn)資源的供給與補充對人類未來能否更好地生存顯得尤為重要。近幾年隨著國家勘探任務(wù)的增加，各種先進的技術(shù)裝備與工藝，在我國得到了大量的應(yīng)用與推廣，如金剛石繩索取心方法等，但CSR鉆探方法在我國一直未得到廣泛的應(yīng)用與推廣。CSR鉆探技術(shù)未能在我國推廣的原因，一方面是我國在地質(zhì)方面沒有統(tǒng)一的標準，另一方面我國還沒有一系列的專門用于CSR鉆探方法的鉆探設(shè)備與鉆具。因此為豐富我國的鉆探技術(shù)方法，更好的為地質(zhì)找礦服務(wù)，進行反循環(huán)取樣鉆探裝備及鉆探工藝技術(shù)研究，研制一整套專門用于CSR鉆探技術(shù)的鉆探設(shè)備與鉆具，使之系列化，是當(dāng)前必須解決的重大技術(shù)問題。在《國務(wù)院關(guān)于加強地質(zhì)工作的決定》(國發(fā)[2006]4號)出臺之后，中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所順應(yīng)國家政策，立項開展空氣反循環(huán)取樣鉆探裝備及鉆探工藝技術(shù)研究，使之系列化、產(chǎn)品化，無論是提升我國的鉆探技術(shù)水平還是滿足資源勘探的迫切需求都是非常必要的；對緩解目前資源短缺制約我國經(jīng)濟發(fā)展的“瓶頸”、發(fā)現(xiàn)新的礦產(chǎn)地、拓展新的找礦空間實現(xiàn)資源可持續(xù)發(fā)展意義重大。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

20世紀70年代初，美國首先在砂金礦的勘探工作中應(yīng)用CSR技術(shù)，通過大量試驗，成功解決了常規(guī)鉆探方法在砂金礦勘探中取樣難、采樣質(zhì)量低的難題，且大大提高了效率，降低了成本，因此被推廣并應(yīng)用于其他固體礦產(chǎn)勘探。80年代后期，CSR鉆探在美國、加拿大、法國等西方工業(yè)發(fā)達國家得到廣泛應(yīng)用，其礦產(chǎn)勘探工作量的比重超過60%，完成的工作量已超過金剛石鉆探工作量。由此可知，CSR鉆探工藝在國外特別是西方發(fā)達國家是一套技術(shù)成熟并已經(jīng)得到全面推廣的鉆探工藝技術(shù)。

隨著RC鉆探技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)地質(zhì)條件的不同，鉆探設(shè)備類型、鉆具組合得到不斷發(fā)展與完善。現(xiàn)在加拿大DRLL- SYSTEMS公司、美國公司、法國VPRH公司都大量生產(chǎn)反循環(huán)取樣鉆機，鉆機鉆深能力200～1000 m，產(chǎn)品都已經(jīng)標準化、模塊化、系列化。這些鉆機都采用全液壓頂驅(qū)式(動力頭鉆機)，其設(shè)計為模塊化、全液壓、多功能，代表了最新的發(fā)展潮流。具有長行程給進、無塔升降鉆具、無級調(diào)速、機械化程度高、配套器具齊全、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，其特點是回次進尺長、自動化、機械化程度高。如ATLAS的R50R220鉆機，加拿大的CSR- 1000V鉆機等。

通過調(diào)查與研究不難發(fā)現(xiàn)，國外RC鉆探機械裝備的整體現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢主要有以下特點：(1)鉆機都采用全液壓頂驅(qū)式(動力頭鉆機)，具有回次進尺長、自動化、機械化程度高；(2)鉆機具備一機多能，除應(yīng)用于反循環(huán)中心取樣工藝外，大多數(shù)能進行水井施工，適合空氣正反循環(huán)、氣舉反循環(huán)等水井施工工藝；(3)愈來愈多地采用拼裝式設(shè)計(Component Design)，便于變形設(shè)計派生產(chǎn)品，便于產(chǎn)品系列化。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國曾在80年代中期從加拿大DRLL- SYSTEMS公司及美國INGERSOLL- RAND公司分別引進了CSR- 1000AV型鉆機及TH- 100型鉆機，分別在山東、寧夏等地進行了試驗并取得了良好的效果[13]。地礦部在“八五”期間研制了一臺300 m全液壓反循環(huán)中心取樣鉆機，但由于受當(dāng)時我國液壓件類型及質(zhì)量的影響，鉆機在使用過程中各動作的控制精度低，操作性差，液壓元件易漏油、損壞，維修成本大等缺點，使得鉆機整體質(zhì)量不是很高。

2 研究的內(nèi)容

為滿足空氣反循環(huán)連續(xù)取樣(心)、沖擊回轉(zhuǎn)、定向鉆進等多種高效鉆探工藝鉆進的需要，研制了FD- 600型高效、全液壓動力頭式反循環(huán)取樣鉆機。主要研究內(nèi)容有：

(1)鉆機整體布局模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計；

(2)鉆機動力頭結(jié)構(gòu)設(shè)計；

(3)鉆機給進、提升機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計；

(4)鉆機桅桿部分結(jié)構(gòu)設(shè)計；

(5)鉆機液壓系統(tǒng)原理設(shè)計；

(6)底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計；

(7)卸扣機構(gòu)及孔口結(jié)構(gòu)設(shè)計；

(8)鉆機行走機構(gòu)及其它輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計；

(9)鉆機配套鉆桿(雙壁鉆桿)、鉆具(潛孔錘)及輔助工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計；

(10)進行野外實際生產(chǎn)試驗，檢驗鉆機各項性能指標，并對鉆機進行合理的修改與完善，使其適合相應(yīng)的鉆探工藝，進而達到高效生產(chǎn)的目的。

3 FD- 600型鉆機結(jié)構(gòu)及性能特點

3.1 鉆機主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1.1 鉆機整體結(jié)構(gòu)

鉆機整體結(jié)構(gòu)見圖1。該鉆機主要由塔頂?shù)踯?、主桅桿、桅桿支座、給進機構(gòu)、動力頭、液壓系統(tǒng)、底盤、行走機構(gòu)、操作臺、卸扣夾持器等模塊化部件組成。動力系統(tǒng)配有柴油機，行走機構(gòu)通過無線遙控履帶行走，可適應(yīng)多種工作環(huán)境。

3.1.2 鉆機液壓系統(tǒng)

鉆機液壓系統(tǒng)見圖2。主要元件如液壓泵、回轉(zhuǎn)變量馬達、主控制閥等部位液壓元件均采用優(yōu)質(zhì)進口件，其他各元件也都采用國內(nèi)名牌廠家元件，確保系統(tǒng)元件質(zhì)量。液壓油泵采用負荷敏感泵，該泵能夠?qū)ο到y(tǒng)的流量壓力需求的變化做出正確響應(yīng)，減小功率損失，滿足工作需求；回轉(zhuǎn)變量馬達能夠?qū)恿︻^的輸出轉(zhuǎn)速從0～140 r/min實現(xiàn)無級調(diào)速，滿足各工況對轉(zhuǎn)速的需求；主閥采用負荷敏感閥可對各主要動作實行精確控制，滿足多個主要動作在同負載下工作等特點，增加鉆進過程的安全性。

1—塔頂?shù)踯嚕?—回轉(zhuǎn)式減速器；3—桅桿；4—支腿油缸；5—行走履帶；6—給進滑輪；7—發(fā)動機；8—動力頭總成；9—液壓油泵；10—吊車卷揚機；11—給進油缸；12—底盤；13—夾持器；14—孔口板

圖1 FD- 600型鉆機結(jié)構(gòu)示意圖

1—液壓泵及油箱；2—先導(dǎo)閥組；3—主閥組；4—回轉(zhuǎn)馬達；5—給進油缸閥組；6—卷揚機閥組；7—輔助閥組；8—行走閥組；9—行走馬達；10—輔助閥組

圖2液壓原理圖

3.1.3 鉆機動力頭結(jié)構(gòu)

動力頭作為鉆機的核心部件之一，其主要功能是為孔內(nèi)鉆桿和鉆具回轉(zhuǎn)提供所需的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)孔底鉆頭通過連續(xù)旋轉(zhuǎn)破碎巖石并連續(xù)延伸鉆孔的目的。本動力頭設(shè)計包含水龍頭、傳動機構(gòu)、氣盒子等。采用一級齒輪傳動，通過變量回轉(zhuǎn)馬達+減速器直接驅(qū)動小齒輪，結(jié)構(gòu)簡單可靠；各齒輪、軸承等受力零件通過SolidWorks進行分析計算均滿足強度要求，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 鉆機主要特點

(1)模塊化設(shè)計。各部件組裝、分解簡便，衍生系列產(chǎn)品快，設(shè)計工作量小，生產(chǎn)周期短。

(2)動力強。配備康明斯194kW6缸發(fā)動機，采用全液壓驅(qū)動，保證施工所用動力充足。

1—回轉(zhuǎn)馬達；2—減速器；3—水龍頭總成；4—齒輪箱總成；5—氣盒子

圖3動力頭結(jié)構(gòu)圖

(3)機械化程度高，輔助時間少，勞動強度低。配備塔頂工具絞車，方便起吊鉆具、加裝鉆桿等；配有孔口卸扣器，便于卸開鉆桿，避免因長時工作的鉆桿連接扣預(yù)緊力過大，出現(xiàn)卸不開的現(xiàn)象；鉆塔采用整體結(jié)構(gòu)，給進行程長(6900 mm)，一次可提升6 m長的立根；配有行走履帶，開鉆速度快。

(4)操作安全簡便，事故率低。各動作采用液壓閥直接控制，便于操作；無主動鉆桿，配有快速提升機構(gòu)，在遇見卡鉆、埋鉆等事故時，加快處理速度；鉆機電、液儀表齊全，可實時觀察設(shè)備運行情況，在關(guān)鍵部位如液壓油箱、柴油箱安裝自動報警裝置，便于保護發(fā)動機和液壓系統(tǒng)，減少人為事故的發(fā)生。

(5)適應(yīng)性和安全性強。液壓系統(tǒng)中設(shè)計有加、減壓鉆進、自重鉆進、稱重、快速給進提升等工作狀態(tài)；底盤上安裝有泡沫泵，可進行空氣泡沫鉆進，注油器能夠潤滑錘體內(nèi)部，實現(xiàn)錘的高效鉆進；桅桿角度可調(diào)，能鉆進45°～90°的孔；從而可滿足不同地層，不同鉆孔和鉆探工藝需要，同時配備的無線遙控控制可變速履帶行走系統(tǒng)，增加鉆機對地形的適應(yīng)性及操作、運輸人員的安全性。

(6)標準化程度高。在鉆機設(shè)計中大量選用標準件、通用零部件，利于組織生產(chǎn)，降低成本，便于維修。

(7)工藝適應(yīng)性強。該鉆機能夠適應(yīng)泥漿正循環(huán)鉆進、空氣反循環(huán)潛孔錘鉆進、空氣牙輪鉆進、氣舉反循環(huán)鉆進等工藝，各工藝變換較快。

4 FD- 600型鉆機主要技術(shù)參數(shù)

(1)鉆進能力：?89 mm雙壁鉆桿鉆進600 m；

(2)提升能力：350 kN；

(3)扭矩：10000 N·m；

(4)轉(zhuǎn)速：0～142 r/min；

(5)鉆進傾角：45°；

(6)桅桿結(jié)構(gòu)：K型；

(7)給進行程：6900 mm；

(8)柴油機功率：194 kW@2500 r/min；

(9)系統(tǒng)壓力：31 MPa；

(10)工具卷揚：提升力20 kN，鋼絲繩直徑12 mm,容繩量35 m；

(11)行走方式：履帶式；

(12)外形尺寸：10.5 m×2.2 m×3.3 m(長×寬×高)；

(13)總質(zhì)量：14 t。

5 鉆具研制

針對鉆機結(jié)構(gòu)，我們?yōu)樵撱@機配備有如下主要鉆具：

(1)加長型保護接頭，能夠保護鉆機主軸絲扣的同時方便加接鉆桿。

(2)氣盒子，實現(xiàn)氣路轉(zhuǎn)換，打壓試驗達到5 MPa。

(3)?89 mm外平雙壁鉆桿，長6 m，壁厚9.35 mm，打壓密封性達到10 MPa。

(4)KFQC- 335、KFQC- 345型中空式氣動潛孔錘。該類型潛孔錘能量消耗低，沖擊能量大，能量傳遞效率高；排屑能力強，鉆進效率高；結(jié)構(gòu)比較簡單，維護保養(yǎng)方便。兩種潛孔錘的參數(shù)如表1所示。

表1 所采用的潛孔錘的技術(shù)參數(shù)

為更好的配合鉆機試驗，我們也配備了一些輔助型鉆具，如：交叉接頭、正循環(huán)潛孔錘、正循環(huán)封堵器、牙輪鉆頭等，確保鉆機配套工藝試驗順利進行，又能滿足多種工藝的鉆進，真正檢驗鉆機的各項性能指標。

6 野外生產(chǎn)試驗

FD- 600型全液壓動力頭反循環(huán)連續(xù)取樣鉆機的野外實際生產(chǎn)試驗主要分為3個階段，第一階段2013年11月—2014年1月在河北邢臺朱莊水庫；第二階段2014年10—11月在新疆哈密紅石礦區(qū)；第三階段2015年4—5月在黑龍江黑河。共完成鉆探工作量1700 m?，F(xiàn)就各個階段試驗情況和取得的數(shù)據(jù)介紹如下。

6.1 第一階段(河北邢臺)

本次試驗(見圖4)主要驗證鉆機的整體性能以及鉆機和鉆具匹配的合理性。試驗過程主要以空氣反循環(huán)潛孔錘鉆進、空氣反循環(huán)牙輪鉆進為主。開孔時采用?168 mm正循環(huán)氣動潛孔錘鉆進，鉆進深度43 m,之后下?146 mm套管，下完套管后采用KFQC- 345型沖擊器進行空氣反循環(huán)鉆進。鉆具組合為：氣盒子+?89 mm外平雙壁鉆桿+KFQC- 345型沖擊器+?120 mm沖擊錘頭。鉆進到154.87 m后由于地下水量過大，潛孔錘工作效率嚴重下降甚至出現(xiàn)不工作情況而改為空氣反循環(huán)牙輪鉆進?？諝夥囱h(huán)牙輪鉆進鉆具組合為：氣盒子+?89 mm外平雙壁鉆桿+空氣反循環(huán)導(dǎo)流罩接頭+?114 mm三牙輪鉆頭。當(dāng)鉆進到孔深265.20 m時空壓機的風(fēng)量隨著鉆孔深度的加深而不能將孔底的巖屑及時排出，若繼續(xù)進行施工，巖粉會沉積越來越多，稍一停滯則會造成巖粉埋鉆事故。最后我們采用氣舉反循環(huán)鉆進，鉆具組合為：氣盒子+?89 mm外平雙壁鉆桿+氣水混合器+?89 mm外平雙壁鉆桿+空氣反循環(huán)牙輪鉆接頭+?114 mm三牙輪鉆頭。從孔深265.20 m一直鉆進至終孔深度472.35 m(設(shè)計孔深400 m)。

圖4 河北邢臺朱莊水庫試驗場景

6.2 第二階段(新疆哈密)

本次試驗(見圖5)主要驗證鉆機改進后托架、夾持器、水龍頭以及雙壁鉆具改進后的性能。試驗過程主要以空氣反循環(huán)潛孔錘鉆進為主，完成2個設(shè)計鉆孔，開孔時均采用?168 mm正循環(huán)氣動潛孔錘鉆進，鉆進至基巖后下入?146 mm套管，后采用KFQC- 345型沖擊器鉆進。鉆具組合為：氣盒子+?89 mm外平雙壁鉆桿+KFQC- 345型沖擊器+?120 mm沖擊錘頭。共完成孔深225.78和224.35 m鉆孔兩個。

圖5 新疆哈密紅石礦區(qū)試驗

6.3 第三階段(黑龍江黑河)

該次試驗(見圖6)是在前兩次試驗的基礎(chǔ)上驗證鉆進和鉆具完善后的整體性能，試驗過程主要以空氣反循環(huán)潛孔錘鉆進為主，完成10個設(shè)計鉆孔，開孔時均采用?168 mm正循環(huán)氣動潛孔錘鉆進，鉆進至基巖后下入?146 mm套管，后采用KFQC- 355型沖擊器鉆進。鉆具組合為：氣盒子+?89 mm外平雙壁鉆桿+KFQC- 355型沖擊器+?120 mm沖擊器錘頭。共完成10個設(shè)計鉆孔，完成的最大孔深115.2 m,最小孔深84.5 m,每個鉆孔均在10 h內(nèi)完成，充分體現(xiàn)了該種工藝的優(yōu)越性并對鉆機進行了充分的考驗。

圖6 黑龍江黑河礦區(qū)試驗

上述3次試驗地層均以巖石為主，剛好適合潛孔錘鉆進，若采用常規(guī)巖心鉆機進行取心施工，施工條件要求較高，需要有泥漿池、周圍有水源，在無水源地需要拉水或是打水井，施工場地的移位較繁瑣、施工效率低。施工過程中針對不同地層，需要配備不同的泥漿，取心工藝單一，在鉆遇破碎、坍塌、涌水裂隙發(fā)育等地層時，解決方式只能是提高泥漿性能、水泥封孔，嚴重時只能下套管處理，這樣出現(xiàn)鉆探事故可能性較大，若采用反循環(huán)連續(xù)取樣鉆機，只需配備空壓機和雙璧鉆具即可，開孔輔助時間短，對施工場地的要求簡單，氣候適應(yīng)性強，施工過程中減少泥漿對孔壁的沖刷，降低埋鉆、卡鉆尤其是涌水對施工的影響，同時可以根據(jù)地層情況隨時更換鉆具組合，實現(xiàn)多工藝空氣鉆進，滿足取心要求的同時，施工效率高。

7 試驗中遇到的問題及改進

(1)鉆機托架耳板斷裂。主要是由于圖紙繪制過程中對細節(jié)部分注意不夠，再加上焊接質(zhì)量問題。對托架進行重新改進設(shè)計加工后，使其在給進提升過程中更加可靠。

(2)夾持器在夾持鉆桿時殼體變形嚴重。主要是由于液壓系統(tǒng)壓力和夾緊油缸過大，夾持器結(jié)構(gòu)受力不均勻。重新設(shè)計夾持器，選用較小的夾緊油缸，對其受力采用SolidWorks軟件進行分析，增強受力薄弱和變形部位，使其在夾緊鉆桿時避免了夾持器殼體的變形、損壞。

(3)水龍頭密封不嚴，在遇到含水量大的地層時，會使得返上來的水從芯管漏出，進入動力頭箱體內(nèi)。為了解決這一問題，我們對芯管結(jié)構(gòu)進行了改進，并對水龍頭上各個零件加工的精度進行嚴格要求，選用不同材料的密封圈進行打壓試驗對比，經(jīng)過反復(fù)試驗，選用合適材料的密封圈，確保其在施工過程中的可靠性。

(4)動力頭主軸上錐扣斷裂。究其原因主要是在動力頭設(shè)計過程中，為減小動力頭體積，減小主軸尺寸，且需滿足反循環(huán)工藝要求，使主軸內(nèi)孔太大，導(dǎo)致壁厚太薄。改變內(nèi)孔直徑后，問題消失。

(5)鉆機孔口板原為整體式，在試驗過程中很不方便，后將其做成兩半式，在加裝和拆卸鉆具、起下鉆或臨時增大鉆孔直徑時，體現(xiàn)出了優(yōu)越性。

(6)鉆機底盤進一步優(yōu)化設(shè)計制造與布局，使鉆機部件更便于維修、安裝。

(7)履帶底盤行走馬達及其減速機構(gòu)總成提高質(zhì)量，加裝更加可靠的剎車器，最好有多重剎車系統(tǒng)，以保證在陡峭的山坡上行走與停留更加安全。

8 結(jié)語

(1)鉆機的整體結(jié)構(gòu)布局合理，對各個零部件的設(shè)計要在強度和可靠性允許范圍內(nèi)設(shè)計精巧、便捷。

(2)鉆機各個零部件在加工制造的過程要對質(zhì)量嚴格要求，避免在施工過程中由于加工質(zhì)量問題產(chǎn)生安全隱患。

(3)鉆機在施工過程中會用到潛孔錘，由于潛孔錘在破碎巖石的過程中產(chǎn)生的震動會通過鉆具直接傳至鉆機，導(dǎo)致鉆機上各螺栓連接松動，嚴重時會產(chǎn)生事故，應(yīng)加強各螺栓的防松，增加機械防松措施，避免在施工中由于潛孔錘震動劇烈而使螺栓松開，頻繁預(yù)緊螺栓，損壞螺紋扣或產(chǎn)生事故。

(4)在鉆機設(shè)計前，應(yīng)當(dāng)對所要配套的工藝進行充分的認識和了解，以便在施工過程中能夠更好的和相應(yīng)工藝進行配套，滿足多工藝鉆進。

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