CS1000P6L型鉆機在地表水平鉆孔中的應(yīng)用研究

李占鋒，翟東旭

(河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第一地質(zhì)大隊，河南鄭州450016)

1 應(yīng)用背景

2013年9月，我公司承攬了浙江省常山縣輝埠鎮(zhèn)宋畈大崮山石灰石礦鉆探工程，該工程要求施工水平取心鉆孔，孔深400 m左右，終孔口徑≮75 mm，全孔取心，目的是通過巖心分析判明該區(qū)石灰石礦是否可作為涂料原料、化妝品添加劑原料或水泥原料。初步設(shè)計為3個鉆孔，鉆孔有關(guān)設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 鉆孔有關(guān)設(shè)計參數(shù)

CS1000P6L型鉆機是由Atlas Copco公司生產(chǎn)的全液壓動力頭鉆機，該鉆機的設(shè)計參數(shù)中明確標明允許施工鉆孔的傾角為45°～90°，設(shè)備廠家的有關(guān)技術(shù)人員認為，使用該設(shè)備必須嚴格按照設(shè)備使用說明書的要求進行操作，況且在中國國內(nèi)尚無使用該設(shè)備施工水平鉆孔的先例，如果超出設(shè)備設(shè)計參數(shù)范圍進行使用，一切后果由使用者自負。通過認真地分析和研究，并在具體的工程施工項目中進行應(yīng)用實驗，在實驗的過程中發(fā)現(xiàn)問題，并加以解決。

2 礦區(qū)概述

礦區(qū)位于浙江省衢州市常山縣北東方向，礦區(qū)屬低山丘陵地貌，地表溶溝石芽、溶槽、落水洞、溶蝕洼地發(fā)育，局部扁溶洞較發(fā)育。切割強烈，山勢崎嶇陡峭，坡角30°～45°，最高海拔 +363 m，最低侵蝕基準面+108 m，相對最大高差255 m，山上植被發(fā)育極少，主要為荊棘、灌木、雜草等。這也是鉆孔設(shè)計成水平孔的原因之一。

礦區(qū)主要礦層為奧陶系上統(tǒng)三衢山組二段(O3s2)，其巖性主要為灰白—淺灰色，厚—巨厚層石灰?guī)r，塊狀構(gòu)造，微晶—細晶結(jié)構(gòu);主要礦物為方解石(占80%)、生物碎屑(占15% ～20%)及少量泥質(zhì)(占5%);巖石質(zhì)地致密均一，性較脆。本層厚度＞900 m。

3 CS1000P6L型鉆機的主要技術(shù)指標

(1)取心最大深度。孔徑B、N、H、P時的深度分別為1070、610、460、305 m。

(2)主卷揚機卷揚能力。單線光卷筒:4082 kg;單線滿卷筒:3720 kg;雙線光卷筒8:164 kg;雙線滿卷筒:7440 kg。光卷筒線速:24 m/min;滿卷筒線速:38 m/min;鋼纜規(guī)格:33.6 m×14.29 mm。

(3)取心絞車鋼纜容量。單線光卷筒:995 kg;單線滿卷筒:264 kg;光卷筒線速:119 m/min。滿卷筒線速:445 m/min;鋼纜規(guī)格:976 m×4.8 mm。

(4)鉆架與進給系統(tǒng)。進給行程:1830 mm;進給速度快慢速可變控制;推力:6360 kg;拉力:9636 kg;鉆進角度:45°～90°;鉆架長度:8.38 m;拉高:6.08 m。

(5)動力裝置。制造商:Cummins;型號:4BTA3.9L－4缸，6 BTA5.9L－6缸;功率:86.5 kW;轉(zhuǎn)數(shù):2500 r/min;發(fā)動機型號:柴油燃氣渦輪增壓/后冷卻;冷卻液:水。

(6)液壓系統(tǒng)。初始泵:最大工作壓力為24.1 MPa，流量為173.0 L/min;二級泵:最大工作壓力為10.3 MPa，流量為47.3 L/min;輔助泵:最大工作壓力為17.2 MPa，流量為50.7 L/min。

(7)鉆柱轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩(見表2)。

表2 鉆柱轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩

范圍選擇:操作手控制臺手動控制;鉸接鉆頭:旋開式。

(8)卡盤組件。型號:整體液壓;最大直徑:H－頭92 mm，P－頭117 mm;夾持能力:11364 kg

4 鉆機在水平孔條件下的使用性能研究

4．1 鉆機施工能力的可行性分析

根據(jù)上述CS1000P6L型鉆機的主要技術(shù)指標可以看出，在鉆孔傾角≮45°的情況下，完全可以滿足孔深400 m左右、終孔口徑≮75 mm的技術(shù)要求。隨著傾角的減小，在鉆桿鉆具自身重力的作用下，鉆桿鉆具的外表面與鉆孔孔壁之間的摩擦阻力會逐漸增大，當(dāng)傾角為0°時，且其它條件不變的情況下，該摩擦阻力達到最大值fmax。假設(shè)鉆孔孔深h=500 m，選用71 mm的繩索取心鉆桿(k≈12 kg/m)，則:

fmax=hkμ=500×12×0.26=1560 kg

其中μ為鉆桿與鉆孔孔壁間的靜摩擦系數(shù)，其值為生產(chǎn)現(xiàn)場實驗測得。

鉆機進給系統(tǒng)的推力為6360 kg，拉力為9636 kg，可見，鉆機的進給系統(tǒng)的能力能夠滿足鉆桿鉆具起下鉆的需要。

4．2 鉆機在0°～45°傾角時工作性能可行性分析與研究

在0°～90°范圍內(nèi)的任意傾角時，鉆架可自由升降而不受其它干擾和影響。只是原來的兩條輔助支撐腿的可調(diào)節(jié)范圍為45°～90°，當(dāng)鉆架置于0°～45°范圍時，需要加工兩條新的可調(diào)節(jié)輔助支撐腿，這不存在技術(shù)與制造工藝障礙。

根據(jù)設(shè)備廠家提供的設(shè)計參數(shù)，CS1000P6L型鉆機的鉆進傾角范圍為45°～90°。對于0°～45°傾角的鉆孔，經(jīng)咨詢廠家的技術(shù)人員，他們認為傾角過小時，一方面動力頭齒輪箱內(nèi)的潤滑冷卻系統(tǒng)可能會出現(xiàn)問題;另一方面，在生產(chǎn)實踐中從來沒有在0°～45°的傾角范圍內(nèi)試驗過，存在不確定風(fēng)險。為了檢驗在0°～45°的傾角范圍內(nèi)設(shè)備工作的可行性，在鉆機進駐野外現(xiàn)場之前，先期開展了兩項分析研究工作。

(1)將鉆架放置為水平狀態(tài)，就地打開了動力頭齒輪箱的箱體蓋子，認真了解齒輪箱內(nèi)相關(guān)零部件的結(jié)構(gòu)及傳動關(guān)系，同時也分析研究了齒輪箱內(nèi)潤滑與冷卻系統(tǒng)的工作原理。經(jīng)現(xiàn)場認真查看并仔細研究后認為，負責(zé)潤滑與冷卻系統(tǒng)工作的是一個專一的小油泵，它的吸油口位于齒輪箱體的下角處，無論鉆架置于哪個角度，均能保證吸油口的正常工作。可見，在鉆架置于水平狀態(tài)時，無論是傳動結(jié)構(gòu)還是潤滑系統(tǒng)均不存在結(jié)構(gòu)原理上的工作障礙。

(2)驗證在水平狀態(tài)下工作過程中，動力頭的上齒輪箱的油液能否順利進入下齒輪箱內(nèi)。啟動動力機，讓鉆機進行不加負載運轉(zhuǎn)，觀察潤滑油的循環(huán)狀態(tài)是否正常，并在高轉(zhuǎn)速條件下連續(xù)工作了2 h。結(jié)果發(fā)現(xiàn)齒輪箱內(nèi)的潤滑油循環(huán)正常，測得油液溫度為47℃，屬于正常工作溫度。

4．3 齒輪箱箱體內(nèi)外空氣連通問題

為進一步驗證鉆機在0°～45°傾角時工作的可靠性，進行野外生產(chǎn)實驗是必要的。鉆機進駐工地施工的第一個鉆孔為ZK402孔，設(shè)計孔深380 m，傾角6°，方位角355°。開鉆后約40 h，發(fā)現(xiàn)動力頭處冒藍煙，并聞到刺鼻的油液燃燒時的味道，而且齒輪箱的殼體溫度很高，已經(jīng)不敢用手觸摸齒輪箱的殼體了。因為正值凌晨3點左右，及時停機休息至第二天早上。待現(xiàn)場打開齒輪箱后發(fā)現(xiàn)潤滑油油量明顯減少，經(jīng)仔細查找，終于找到了問題的原因:由于齒輪箱是密閉的，要維持箱體內(nèi)潤滑油的正常循環(huán)工作，就要保證箱體內(nèi)的氣壓與外界的平衡。實現(xiàn)這一目的的途徑就是在箱體上連接一根通氣軟管，以保持箱體內(nèi)與箱體外大氣的連通。由于偶然的原因，軟管的自由端沒有在一定的位置得到約束，結(jié)果造成軟管的出氣口低于箱體內(nèi)油面以下，導(dǎo)致潤滑油的漏失，以至于箱體內(nèi)傳動件得不到及時地潤滑和冷卻，油溫驟然升高。原因查明后，重新固定了通氣軟管，使軟管的出氣口始終高于潤滑油的油面。然后，向箱體內(nèi)加注了適量的潤滑油，設(shè)備便可繼續(xù)正常工作。

4．4 工作平臺的搭設(shè)

鉆架置于水平狀態(tài)時，動力頭的回轉(zhuǎn)中心距離地面約1.5 m，施工人員站在地面上無法操作，因此要建造一個合適的工作平臺。工作平臺應(yīng)滿足:(1)要有足夠的強度，確保操作人員及鉆桿鉆具的安全;(2)要有足夠的平面尺寸，不但能為操作人員提供安全寬敞的操作空間，而且要為鉆桿鉆具、工具等提供足夠的擺放空間;(3)要在一定范圍內(nèi)高度可調(diào)，滿足0°～45°傾角情況下操作人員的工作效率和舒適性;(4)既方便安裝和拆卸，又方便搬遷和運輸;(5)建造成本越低越好，盡管與滿足使用功能無關(guān)，但它影響施工成本和工程的經(jīng)濟效益。經(jīng)過深入分析和反復(fù)比選各種方案，最后確定使用建筑工程用腳手架，按照預(yù)先的設(shè)計，就地租賃各種規(guī)格的鋼管和扣件，在現(xiàn)場搭建起了一個高度約1.3 m、平面面積近50 m2的工作平臺，表面鋪上質(zhì)量和尺寸符合安全標準的木質(zhì)工作臺板，如圖1所示。

圖1 工作平臺

值得注意的是，在設(shè)計搭建平臺時，在放置鉆桿的區(qū)域內(nèi)，支撐鋼管要進行適當(dāng)?shù)募用懿贾?，而在工作人員活動的區(qū)域內(nèi)，支撐鋼管的布置可適當(dāng)稀疏一些。本項目的實施方案是:放置鉆桿的區(qū)域內(nèi)，支撐鋼管的布置網(wǎng)度為0.5 m×0.5 m，工作人員活動的區(qū)域內(nèi)，支撐鋼管的布置網(wǎng)度為1 m×1 m。

4．5 鉆機在工作中位移的控制

在向孔內(nèi)輸送鉆具或鉆進過程中，鉆機沿鉆孔軸線有發(fā)生位移離開孔口的傾向，而在從孔內(nèi)提拉鉆具時，鉆機沿鉆孔軸線有發(fā)生位移靠近孔口的傾向，特別是在向孔內(nèi)輸送鉆具或從孔內(nèi)提拉鉆具遇阻時，這種發(fā)生位移的傾向就會更加突出。所以，要采取有效措施對鉆機沿鉆孔軸線方向進行約束和控制。有2種固定方法:

(1)將孔口套管用水泥封固后，在露在孔外一端焊接法蘭盤，與鉆架底部相連接，即可實現(xiàn)鉆機在工作中位移的控制;

(2)用搭建工作平臺的鋼管對鉆架進行合理的支撐與連接，使鉆機在沿鉆孔軸線方向受到可靠的約束，也可實現(xiàn)鉆機在工作中位移的控制。

本次應(yīng)用實踐中采用了第2種方法。

5 應(yīng)用效果

(1)CS1000P6L型鉆機在上述巖心鉆探工程項目中共施工3個鉆孔，實際耗用工期106 d，完成有效鉆探進尺總計1150.2 m。巖心采取率均≮95%，實測鉆孔傾角與設(shè)計傾角的誤差均符合相關(guān)技術(shù)標準。鉆機工作運轉(zhuǎn)正常穩(wěn)定，整套鉆機設(shè)備沒有發(fā)現(xiàn)因為鉆孔傾角太小而發(fā)生故障。

(2)該型鉆機的鉆架為桅桿式，立塔放塔靠油缸完成，鉆架可從水平狀態(tài)到直立狀態(tài)90°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。由于該型號鉆機進給行程大，也提高了起下鉆的效率。另外，鉆桿即為主動鉆桿，起下鉆可直接利用油缸，添加鉆桿和拆卸鉆桿可直接在動力頭頂部完成，鉆桿加卸方便。

(3)搭建工作平臺，8個人大約需要1 d時間，拆卸平臺只需半天，租賃鋼管和扣件的費用每天只需11元人民幣。平臺上放置400 m繩索取心鉆桿及鉆具時，平臺十分穩(wěn)固。實踐證明，工作平臺的建造既快捷又經(jīng)濟，使用既安全又可靠。

6 結(jié)論

(1)通過對CS1000P6L型鉆機的各主要參數(shù)的分析，特別是在對鉆機動力頭部分的結(jié)構(gòu)和原理進行認真研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過野外現(xiàn)場的生產(chǎn)實驗，驗證了該型鉆機在水平鉆孔施工中的性能是可靠的。從而證明了該型鉆機在0°～45°的傾角范圍內(nèi)可以實現(xiàn)正常鉆進工作。為該機型在巖心鉆探施工領(lǐng)域拓展了應(yīng)用范圍，在同行業(yè)內(nèi)具有良好的推廣價值和現(xiàn)實意義。

(2)創(chuàng)新思維方式，采用了建筑工程常用的腳手架搭建工作平臺，不僅為施工人員提供了安全方便的操作空間，還為鉆桿鉆具的擺放提供了安全可靠的支撐。工作平臺的安裝和拆卸十分方便，平臺工作面的尺寸可隨意擴大或縮小，制作成本低廉。

(3)工作平臺與鉆機的鉆架連接在一起，有效地控制了鉆機工作過程中的振動，增加了鉆機工作的穩(wěn)定性。另外，利用腳手架的連接方式，對鉆機的鉆架在鉆孔軸線方向上進行了巧妙的結(jié)構(gòu)支撐，有效地控制了設(shè)備與鉆架工作過程中在鉆孔軸線方向上的位移，增強了鉆機在起下鉆具時工作的可靠性。

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