潛孔鉆機(jī)深孔鑿巖偏斜率控制技術(shù)研究＊

何小平，李東明，閆 杰

（1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012；2.湖南有色重型機(jī)器有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410205）

0 前 言

與常見的鑿巖機(jī)相比，潛孔鉆機(jī)具有鉆孔深、鉆孔直徑大、鉆孔效率高、適應(yīng)范圍廣等特點，是當(dāng)前通用的大型鑿巖設(shè)備。在偏轉(zhuǎn)力矩的影響下，隨著鉆孔延深，鉆桿就會逐漸產(chǎn)生偏斜甚至彎曲，從而導(dǎo)致鉆進(jìn)方向發(fā)生變化，使實際的鉆孔軌跡偏離設(shè)計的軌跡，這種現(xiàn)象稱為鉆孔偏斜。在鉆進(jìn)施工中，必須根據(jù)地質(zhì)、地形和技術(shù)條件合理設(shè)計鉆孔的軌跡。但受自然、技術(shù)以及人為因素的影響，在目前技術(shù)條件下，潛孔鉆機(jī)在鑿巖施工過程中常出現(xiàn)不同程度的偏斜，尤其是在中、深孔鑿巖施工中更明顯。這會大大降低潛孔鉆機(jī)的使用效率，同時加大了鉆孔鑿巖成本，并給鑿巖施工本身帶來困難［1］。因此，很有必要對潛孔鉆機(jī)深孔鑿巖偏斜率控制技術(shù)進(jìn)行研究，并采取有效對策處理。

1 鉆孔偏斜原因

（1）由于設(shè)備自身的原因（主要是設(shè)備作業(yè)時工作機(jī)構(gòu)的定位、控制、運動精度不足等）而導(dǎo)致鉆孔偏斜。針對這種造成鉆孔偏斜的原因，可以采用提高設(shè)備的精度措施改進(jìn)，包括整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的制造精度、工作機(jī)構(gòu)的運動精度、設(shè)備運動的定位精度以及設(shè)備作業(yè)的控制精度；還可以采用加強設(shè)備姿態(tài)監(jiān)控的措施，設(shè)置多個姿態(tài)傳感器，實時感應(yīng)設(shè)備姿態(tài)，如果鉆桿有偏斜異?？梢约皶r調(diào)整解決，從而提高潛孔鉆機(jī)的鑿巖精度。

（2）在鑿巖作業(yè)過程中，由于巖層的裂隙、巖層的變化或是其他原因而導(dǎo)致鉆頭跑偏，造成鉆桿彎曲、鑿巖成孔偏斜。

2 鉆桿防偏方案研究

潛孔鑿巖防偏技術(shù)研究的難點在于鉆具的偏斜狀態(tài)的感知和偏斜后糾正。要解決這一問題必須就鑿巖工況進(jìn)行實時監(jiān)控，對鑿巖的偏斜實現(xiàn)預(yù)判斷，并采取相應(yīng)控制動作，方可達(dá)到控制鑿巖偏斜率的目的。通過對潛孔鑿巖機(jī)理的研究，對以下幾種潛孔鑿巖偏斜率控制方案進(jìn)行研究。

方案一：利用回轉(zhuǎn)馬達(dá)的工作壓力為反饋控制信號，當(dāng)該壓力升高超過某一壓力（偏鉆卡鉆臨界回轉(zhuǎn)壓力）時，系統(tǒng)自動使?jié)摽足@機(jī)回退，使鉆頭脫離孔底實現(xiàn)強吹排渣，直至當(dāng)回轉(zhuǎn)壓力下降至低于設(shè)置的偏鉆卡鉆臨界回轉(zhuǎn)壓力時，潛孔鉆機(jī)恢復(fù)正常推進(jìn)工作，鉆頭重新接觸孔底鑿巖，由此實現(xiàn)自動防偏防卡；另一種是通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力來控制推進(jìn)力，而推進(jìn)力的改變靠調(diào)節(jié)推進(jìn)供油系統(tǒng)的壓力來實現(xiàn)，即當(dāng)回轉(zhuǎn)壓力升高時，調(diào)節(jié)推進(jìn)供油系統(tǒng)的壓力來使推進(jìn)力減小，從而預(yù)防偏鉆卡鉆。還有一種是采用減壓閥人工調(diào)節(jié)推進(jìn)力來控制推進(jìn)力，在操作臺上設(shè)置調(diào)節(jié)手柄，來調(diào)節(jié)推進(jìn)系統(tǒng)油路上設(shè)置的比例減壓閥，從而調(diào)節(jié)推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)壓力。當(dāng)有偏鉆卡鉆趨勢時，推進(jìn)壓力升高，壓力表顯示數(shù)值增大，由人工調(diào)節(jié)遠(yuǎn)程調(diào)壓閥的調(diào)定值，進(jìn)而使減壓閥的出口壓力下降，推進(jìn)壓力下降，由此實現(xiàn)自動防偏防卡［2］。

方案二：設(shè)置孔外鉆桿彎矩傳感裝置，根據(jù)孔外鉆桿彎矩判斷鉆具的姿態(tài)，并以此作為依據(jù)對鉆桿偏斜率進(jìn)行控制。孔外傳感器測試原理見圖1。

圖1 孔外傳感器測試原理

研究發(fā)現(xiàn)，在靜態(tài)條件下對鉆桿施加外力F，然后采集傳感器的感應(yīng)信號，當(dāng)外力F逐漸增大時，傳感器采集到的偏差信號也逐漸增強，但是隨著鉆桿加長，信號會逐漸變?nèi)?，且信號時效性差，準(zhǔn)確度不高；為了更好模擬潛孔鉆機(jī)鑿巖的工作狀態(tài)，除了在鉆頭位置施加外力F，同時還外加20Hz沖擊功，此時再對孔口傳感器的信號進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)信號受振動頻率影響，變得十分微弱，增大外力F，信號也沒有明顯變化。由此可見，在孔口設(shè)置傳感器對鉆桿進(jìn)行偏斜率控制的方案不可行。

方案三：設(shè)置孔底傳感裝置，通過在靠近鉆具位置設(shè)置穩(wěn)定桿，并在穩(wěn)定桿上布置傳感器，以檢測鉆桿的徑向受力情況，通過鉆桿徑向力的變化情況對鉆桿的偏斜情況進(jìn)行預(yù)判斷，當(dāng)徑向力發(fā)生變化時，及時調(diào)整鑿巖參數(shù)，通過減小推進(jìn)力和增加回轉(zhuǎn)速度，以避免鉆桿的偏斜。在此方案的實施過程中主要有以下問題需要解決：

（1）傳感器信號需要從孔底傳輸?shù)降孛妫ㄓ嶋y度大；

（2）孔底傳感器安裝難度大，傳感器選型困難。

為了解決孔底信號傳輸問題，提出了4種選擇方案（見表1），并對4種方案進(jìn)行了對比研究，其中前3種屬于無線傳輸。

3 孔底傳感器信號有線傳輸解決方案［3］

由于礦山工作環(huán)境惡劣，且鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中振動大、空氣中含有粉塵、水等污染物。在這種惡劣條件下通過無線傳輸方式很難保證信號傳輸?shù)木群脱b置的工作壽命。相反，有線傳輸能夠克服工作條件惡劣等困難，且安全可靠，使鑿巖定位準(zhǔn)確、穩(wěn)固，減少了鑿巖過程中產(chǎn)生的偏差，提高了鉆孔的準(zhǔn)確度和鑿巖效率。本課題最終選擇有線傳輸?shù)姆绞?，并提出了如下的信號傳輸方案：通過在鉆桿內(nèi)部設(shè)導(dǎo)體環(huán)，使傳感器信號經(jīng)鉆桿內(nèi)的導(dǎo)體環(huán)逐層傳遞，最終到達(dá)信號接收器和車載計算機(jī)，具體的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

表1 4種信號傳輸方案分析

圖2 孔底傳感器信號有線傳輸解決方案

潛孔鉆機(jī)就位后，如果設(shè)置在孔口處采集信號，信號時效性不好，而且不準(zhǔn)確。

在鉆頭底部安裝有防護(hù)措施的應(yīng)力傳感器，通過地面接收器，將接收到的孔底信息及時有效地傳送至鉆機(jī)操縱面板并顯示測試到鉆頭處所受到的應(yīng)力，將測到的應(yīng)力數(shù)據(jù)與鉆機(jī)正常鉆孔軌跡數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比感知，以便及時預(yù)防和糾正鉆桿偏斜。

潛孔鉆機(jī)在進(jìn)行鑿巖作業(yè)時，高頻率、大功率的沖擊器將沖擊力作業(yè)在鉆桿尾部上，通過尾部的螺紋端傳遞給鉆桿，再經(jīng)鉆桿傳遞給鉆頭，最后鉆頭將沖擊力作用在巖石土層上，巖石土層產(chǎn)生一個反作用力經(jīng)鉆頭傳遞給鉆桿，因此在鑿巖過程中鉆桿承受軸向的壓縮應(yīng)力和拉伸應(yīng)力；同時鉆桿由其回傳部分帶動而旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)的過程中就必須克服各種旋轉(zhuǎn)阻力，因而鉆桿還要承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力［4］。為此必須考慮到正常鑿巖時，潛孔鉆機(jī)所承受的這些最大應(yīng)力值。通過對比分析測到的應(yīng)力數(shù)據(jù)，并及時調(diào)整，可降低鉆孔發(fā)生偏斜的程度。

4 結(jié) 語

潛孔鉆機(jī)在施工過程中，應(yīng)根據(jù)不同的地層探測器所發(fā)回的信號，判斷導(dǎo)向位置與鉆進(jìn)路線圖的偏差，隨時調(diào)整；必須堅持“以防為主，控斜為輔”的原則，盡量避免鉆孔偏斜，而且還要及時了解鉆孔偏斜情況，以便采取相應(yīng)有效的偏斜預(yù)防和控斜處理對策。只有這樣，才能保證潛孔鉆機(jī)鉆孔施工的質(zhì)量，提高潛孔鉆機(jī)在復(fù)雜巖石層中鉆進(jìn)的適應(yīng)能力［1］。

［1］ 何小平，王 毅，閆 杰，等.鑿巖中鉆孔偏斜控制技術(shù)［J］.采礦技術(shù)，2012，12（5）：20－24.

［2］ 李東明.新型一體化露天潛孔鉆機(jī)［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2006（S1）：10－15.

［3］ 吳萬榮.潛孔鉆機(jī)推進(jìn)力自動控制策略研究［J］.中國機(jī)械工程，2000（12）：10－24.

［4］ 王 毅.鉆孔偏斜的分析與控制［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，1993，13（3）：45－51.