液壓鉆機(jī)鉆進(jìn)效率影響因素研究

李貞杰，劉衛(wèi)亮，江　科

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

液壓鉆機(jī)鉆進(jìn)效率影響因素研究

李貞杰1，2，劉衛(wèi)亮1，2，江科1,2

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

摘要：列舉了影響鉆進(jìn)效率的幾種關(guān)鍵因素并逐項(xiàng)加以分析，提出了不同條件下合理的鉆進(jìn)狀態(tài)供讀者參考，在如何提高效率方面為煤礦井下采用液壓鉆機(jī)施工各類鉆孔指明了方向，對于煤礦井下高效、安全生產(chǎn)具有積極意義。

關(guān)鍵詞：鉆進(jìn)效率；液壓鉆機(jī)；鉆壓；轉(zhuǎn)速

礦用液壓鉆機(jī)是煤礦井下施工瓦斯抽(排)放孔、防突泄壓孔、探水孔及地質(zhì)鉆孔等各類鉆孔的關(guān)鍵工具，其鉆進(jìn)效率直接影響煤礦井下其他工種的工作進(jìn)度，例如防突鉆孔的效率低下可直接遲滯掘進(jìn)速度，進(jìn)而延緩生產(chǎn)進(jìn)度；因此，提高鉆機(jī)的施工效率就顯得尤為重要。目前，礦用液壓鉆機(jī)生產(chǎn)廠家較多，產(chǎn)品的參數(shù)配置不盡相同，施工工藝也因地質(zhì)條件不同而不同，限于篇幅原因，本文只介紹常規(guī)回轉(zhuǎn)全液壓鉆機(jī)施工鉆孔時(shí)影響效率的關(guān)鍵因素供大家參考。

煤礦井下全液壓鉆機(jī)施工流程[1]一般為：首先，根據(jù)需求選好鉆場，設(shè)計(jì)鉆孔布置方案以達(dá)到特定目的；然后，檢查設(shè)備，錨固鉆機(jī)，將待鉆煤層(或巖層)修理平整，盡量保證被施工面與鉆具垂直，這樣可以減小鉆具承受的應(yīng)力，防止鉆具疲勞損壞；最后，將鉆具推進(jìn)至被施工面，調(diào)低全液壓鉆機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速并開始旋轉(zhuǎn)切削煤巖，同時(shí)打開排渣介質(zhì)。這個(gè)過程的鉆進(jìn)速度不能太快，否則鉆頭未充分切削煤巖便被鉆機(jī)給進(jìn)力強(qiáng)行擠入，同樣會(huì)因應(yīng)力因素?fù)p壞鉆具，此外鉆進(jìn)速度過快會(huì)影響鉆孔保直效果，這一點(diǎn)在開孔階段非常重要。當(dāng)首根鉆桿完全被推進(jìn)至被施工介質(zhì)后，將鉆機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速調(diào)至需要范圍，開始正常鉆孔施工，之后不斷加接鉆桿，完成特定深度鉆孔施工的目的。

在上述過程中，影響鉆進(jìn)效率的因素從宏觀角度可分為全液壓鉆機(jī)設(shè)備自身因素和外界客觀因素2種，下述將分別予以討論。

1設(shè)備自身因素

全液壓鉆機(jī)設(shè)備自身影響鉆進(jìn)效率的因素主要包括鉆壓和轉(zhuǎn)速2個(gè)方面[2]。

1.1鉆壓對鉆進(jìn)速度的影響

鉆壓即鉆機(jī)輸出的給進(jìn)力減去各類阻力后鉆頭施加于介質(zhì)的壓力，實(shí)踐證明在一定的鉆進(jìn)條件下，鉆壓與鉆進(jìn)速度的關(guān)系如圖1所示。

圖1　鉆壓與鉆進(jìn)速度的關(guān)系曲線

可見鉆壓在很大范圍內(nèi)與鉆進(jìn)速度成線性關(guān)系(點(diǎn)1和點(diǎn)2之間)，當(dāng)鉆壓取值在點(diǎn)1之前時(shí)，因壓力過低導(dǎo)致鉆進(jìn)速度過慢，在點(diǎn)2之后鉆壓過大，鉆頭沒有充分切削介質(zhì)，導(dǎo)致排渣量增大，鉆頭冷卻效果不佳，磨損加劇，鉆進(jìn)效果變差。

圖1中點(diǎn)1和點(diǎn)2之間的區(qū)間鉆壓與鉆進(jìn)速度成線性關(guān)系，可用直線公式表示為：

v=K(P-P0)

(1)

式中，v是鉆進(jìn)速度；K是斜率；P0是鉆機(jī)初始壓入介質(zhì)時(shí)的鉆壓或稱門限鉆壓，因介質(zhì)不同而取值不同。

1.2轉(zhuǎn)速對鉆進(jìn)速度的影響

鉆機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速代表了鉆頭在孔底切削介質(zhì)的快慢，從理論上來說，鉆進(jìn)速度會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，但在實(shí)際過程中，兩者并不是成線性關(guān)系，鉆進(jìn)速度有最優(yōu)值，超過此值后不會(huì)因轉(zhuǎn)速的增加而增加，反而會(huì)下降。究其原因主要是鉆頭在介質(zhì)表面作用時(shí)間短，影響切入深度，同時(shí)轉(zhuǎn)速過快導(dǎo)致孔底溫度升高，鉆頭磨損加劇。

圖2　轉(zhuǎn)速與鉆進(jìn)速度的關(guān)系曲線

圖2中：1)曲線Ⅰ是指在塑性大、研磨性小的介質(zhì)中鉆進(jìn)速度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，基本成線性關(guān)系；2)曲線Ⅱ是指在中等硬度、研磨性較小的介質(zhì)，中鉆進(jìn)速度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系隨著轉(zhuǎn)速增高逐漸變緩；3)曲線Ⅲ是指在中等硬度、強(qiáng)研磨性介質(zhì)中鉆進(jìn)速度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，開始情況類似曲線Ⅱ，超過極限轉(zhuǎn)速n0后，鉆進(jìn)速度開始下降，n0的大小隨巖性、鉆壓和鉆具形狀而異。

曲線Ⅱ和曲線Ⅲ反映了巖石破碎過程的時(shí)間效應(yīng)問題，在鉆壓和其他參數(shù)保持不變的情況下，鉆進(jìn)速度可以表示為：

v=λn2

(2)

式中，λ是轉(zhuǎn)速系數(shù)，其取值與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)，一般<1；n是轉(zhuǎn)速。

2外界客觀因素

外界客觀因素主要包括鉆具方面因素、地質(zhì)條件因素以及人為因素等3個(gè)方面。

首先，討論鉆具影響鉆進(jìn)速度的因素：1)不同材質(zhì)和尺寸的鉆頭鉆進(jìn)不同的介質(zhì)需要不同的配套轉(zhuǎn)速，否則效能不能發(fā)揮到最佳，例如φ94 mm的金剛石表鑲鉆頭一般要求輸出轉(zhuǎn)速達(dá)到260～600 r/min，孕鑲鉆頭則要達(dá)到350～700 r/min，根據(jù)特性選用才能提高效率；2)全液壓鉆機(jī)施工時(shí)，一般選取壓風(fēng)或壓水沖洗孔底并排出鉆屑，2種介質(zhì)各有優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)需要選取，但是采用壓水排渣施工大傾角(+30°以上)鉆孔時(shí)，鉆桿內(nèi)的水會(huì)因重力原因回流，等加接鉆桿后再將水送至孔底時(shí)需要很長時(shí)間，深孔鉆進(jìn)時(shí)需要時(shí)間更多，影響鉆進(jìn)速度，因此有條件時(shí)可在幾根鉆桿之間加接單向逆止閥，保證排渣水不會(huì)回流，提高鉆進(jìn)速度[3]；3)通過鉆具的沖洗液的質(zhì)量和流量對鉆進(jìn)速度有一定的影響，根據(jù)公開資料，沖洗液粘度越大鉆進(jìn)速度呈下降趨勢，增大沖洗液流量，鉆進(jìn)速度也隨之增大，因此合理選取沖洗液可以提高鉆進(jìn)速度。

其次，討論地質(zhì)條件因素對鉆進(jìn)速度的影響。被施工介質(zhì)性質(zhì)比較穩(wěn)定時(shí)對鉆進(jìn)速度影響不大，選取合理的轉(zhuǎn)速和給進(jìn)速度正常鉆進(jìn)即可。若地質(zhì)條件中有斷層或者煤層中較硬夾矸較多，則鉆進(jìn)時(shí)務(wù)必小心，斷層處鉆具受力不均易發(fā)生折斷，較硬夾矸中如果鉆進(jìn)速度過快則可使鉆頭溫升過快而碳化損壞，這2種情形均可影響鉆進(jìn)速度。

最后，操作人員的操作水平對鉆進(jìn)速度具有一定的影響。一般來說，操作人員在施工時(shí)應(yīng)密切關(guān)注壓力表的變化，若壓力急劇升高則遇到了堅(jiān)硬介質(zhì)，此時(shí)應(yīng)降低鉆進(jìn)速度，增大沖洗液量，等穿過堅(jiān)硬介質(zhì)壓力恢復(fù)正常值時(shí)再恢復(fù)鉆進(jìn)速度，否則易發(fā)生鉆具或設(shè)備損壞而影響施工；此外，操作人員還應(yīng)密切關(guān)注沖洗液排出的鉆屑，一般來說，鉆屑顆粒直徑越小，鉆孔介質(zhì)越堅(jiān)硬，施工時(shí)應(yīng)保持合理的鉆進(jìn)速度和轉(zhuǎn)速以達(dá)到目的。

3結(jié)語

鉆進(jìn)速度是煤礦井下施工鉆孔時(shí)衡量鉆孔效率的主要指標(biāo)，在煤礦井下施工各類鉆孔時(shí)應(yīng)采取合理的鉆進(jìn)壓力和回轉(zhuǎn)速度，使設(shè)備的能效發(fā)揮至最佳狀態(tài)；同時(shí)，應(yīng)綜合考慮配套鉆具、被施工地質(zhì)條件及操作人員的因素，只有將各種因素考慮周全才能有效提高鉆孔效率，達(dá)到既快速并且安全施工的目的，為煤礦井下安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)

[1] 姚向榮，朱云輝. 煤礦鉆探工藝與安全[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2012.

[2] 石智軍，胡少韻，姚寧平. 煤礦井下瓦斯抽采(放)鉆孔施工新技術(shù)[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，2008.

[3] 劉衛(wèi)亮. 大傾角工況下礦用鉆機(jī)的選型[J]. 煤礦機(jī)械，2013(5): 242-243.

責(zé)任編輯鄭練

Discussion on Factors Influencing Hydraulic Drilling Efficiency

LI Zhenjie1，2, LIU Weiliang1，2, JIANG Ke1，2

(1. State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Response Techniques, Chongqing 400039, China;2. Chongqing Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Co., Ltd., Chongqing 400039, China)

Abstract:The paper cited several key factors influencing the efficiency of drilling and item-by-item analysis, presented reasonable drilling for readers under different conditions and construction. All types of hydraulic drill for underground coal mine drilling pointed the way about how to improve efficiency, it is positive significance to be efficient and safe in coal mines.

Key words:drilling efficiency, drilling rig, drilling pressure, rotating speed

收稿日期：2014-06-25

作者簡介：李貞杰(1981-)，男，工程師，本科，主要從事煤礦安全裝備技術(shù)及檢測等方面的研究。

中圖分類號：TD 41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A