新型車裝鉆機的研制及工程應(yīng)用

譚春亮，宋殿蘭，劉家榮，林廣利

(北京探礦工程研究所，北京100083)

新型車裝鉆機的研制及工程應(yīng)用

譚春亮*，宋殿蘭，劉家榮，林廣利

(北京探礦工程研究所，北京100083)

介紹了新型車裝鉆機的結(jié)構(gòu)、主要技術(shù)參數(shù)和特點。詳細(xì)探討了與該鉆機配套的鉆具及取樣工藝，總結(jié)了該設(shè)備在我國西部荒漠戈壁、高原草原等地區(qū)應(yīng)用取得的經(jīng)驗成果，提出使用過程中的注意事項，為我國西部地區(qū)找礦突破提供技術(shù)支撐。

車裝鉆機；荒漠戈壁；取樣工藝；空氣鉆進

位于我國西部的荒漠戈壁覆蓋區(qū)、高寒凍土草原區(qū)等特殊地質(zhì)地貌區(qū)，既是找礦技術(shù)的難點也是未來幾年找礦突破的重點，這些地區(qū)多處在國家重點成礦區(qū)帶或整裝勘查區(qū)域內(nèi)，急需要一套科學(xué)、快速、有效的勘查技術(shù)方法，實現(xiàn)地質(zhì)填圖、快速異常查證。鉆探作為一種最直接、最有效的技術(shù)手段，緊密與地質(zhì)找礦突破行動結(jié)合，從鉆探工藝、鉆探設(shè)備等多方面入手完善創(chuàng)新。北京探礦工程研究所作為科技創(chuàng)新與技術(shù)支撐單位緊跟行業(yè)需求，在以往工作的基礎(chǔ)上，針對整裝勘查區(qū)內(nèi)特殊景觀區(qū)遇到的復(fù)雜地層成孔取樣效率低、孔位搬遷困難等難題，研制了一套新型車裝式鉆探設(shè)備，通過優(yōu)化組合、應(yīng)用示范建立了一套完整成熟的淺層鉆進工藝方法，顯著提高了我國西部困難景觀區(qū)復(fù)雜地層的鉆探取樣效率和質(zhì)量，對地質(zhì)鉆探技術(shù)水平的提高起到積極的促進作用。

1　車裝設(shè)備

1.1設(shè)備概況（圖1）

圖1　車裝鉆機結(jié)構(gòu)

設(shè)備由鉆機主體、承載底盤、空氣壓縮機、泥漿泵等主要部件構(gòu)成，鉆機主體包括動力頭、夾持器、桅桿、給進系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等部件。

鉆機主要特點：

（1）車裝式：六驅(qū)車底盤裝載，移動方便，通行能力強，結(jié)構(gòu)形式適用于幅員遼闊的西北部；

（2）動力集中：鉆機、空氣壓縮機、泥漿泵的動力均取用車底盤動力，減少了動力源的重復(fù)供給，減輕了設(shè)備自重，結(jié)構(gòu)緊湊，整裝勘查；

（3）高效鉆進：設(shè)備采用液壓馬達—鏈輪給進、實現(xiàn)動力頭的快速升降，鉆機行程6m、采用空氣鉆進工藝，效率可達到15m/h以上；

（4）模塊化設(shè)計：便于故障檢測與維修，全液壓動力頭式鉆機，頂驅(qū)式結(jié)構(gòu)，鉆進過程集中手柄操控，方便擰、卸鉆桿及處理孔內(nèi)復(fù)雜情況；

（5）自動化程度高：動力頭可以抬頭，配合卡盤夾持器，實現(xiàn)自動擰卸鉆桿，輔助鉆進時間少，3個技術(shù)工人可以工作，適用于大面積的工程勘查、物探成孔、化探取樣。

1.2主要參數(shù)

該鉆機以解決淺覆蓋區(qū)的鉆探為主，根據(jù)實際工作需要確定鉆機參數(shù)（表1）。

1.3關(guān)鍵部件

1.3.1動力頭（圖2）

動力頭采用雙馬達驅(qū)動，這種驅(qū)動方式結(jié)構(gòu)緊湊，輸出扭矩大。雙液壓馬達輸出扭矩經(jīng)齒輪傳動，驅(qū)動中心管和鉆具旋轉(zhuǎn)。

表1　車裝鉆機主要技術(shù)參數(shù)

圖2　動力頭結(jié)構(gòu)圖

為滿足雙壁鉆桿空氣反循環(huán)鉆進工藝需求，動力頭采用通孔式結(jié)構(gòu)。

1.3.2夾持器（圖3）

圖3　夾持器結(jié)構(gòu)圖

為了保證設(shè)備工作過程中的安全，防止跑鉆，夾持器采用常閉式結(jié)構(gòu)，對稱布置，蝶形彈簧卡緊，液壓松開?？ㄍ呖筛鶕?jù)工作需要拆裝或更換，最大通過孔徑為116mm，可通過套管，結(jié)構(gòu)安全可靠，軸向距離短，對中性好。

1.3.3給進系統(tǒng)（圖4）

空氣鉆進具有高效快速鉆進的特點，給進方式是影響效率的重要環(huán)節(jié)。對比分析包括油缸給進、倍速給進在內(nèi)的多種給進方式，綜合分析體積、重量、可靠性等多種因素，最終確定采用鏈輪馬達給進。

給進方式簡單可靠，同時可以有效地減輕給進系統(tǒng)的重量和體積，實現(xiàn)快速提升和慢速給進的功能。鉆進過程中根據(jù)地層情況需要隨時調(diào)整鉆壓。因此，設(shè)備選用了低轉(zhuǎn)速、大扭矩馬達，且安裝了自鎖機構(gòu)。

圖4　給進機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

1.3.4桅桿滑架部分

桅桿為鉆機支撐部件，全長8m，由槽鋼及角鋼焊接而成，鉆機每次最長可提取6m長的鉆桿。采用П型結(jié)構(gòu)，便于加工，保證工作狀態(tài)平穩(wěn)。

2　鉆探工藝及方法

我國西部多為地表無水、地下淺部漏水的地區(qū)，如果采用液體作為循環(huán)液的鉆探方式,僅供水的費用將占總施工費用的1/3。目前西部許多取芯鉆探，施工過程中需要配備專門的施工供水車,有的要到離工地幾十公里以外尋求水源,但仍難以滿足生產(chǎn)需要。相比之下，空氣作為無處不在的特殊介質(zhì)，為人類在無水地區(qū)實施鉆探活動提供了物質(zhì)保障，完善和推廣適于西部地區(qū)應(yīng)用的空氣鉆探技術(shù)顯得尤為重要。

該機型以空氣循環(huán)鉆進為主，兼顧螺旋鉆進、合金鉆進、頂部沖擊鉆進等多種工藝。

（1）較完整地層采用合金鉆頭+空氣正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進，遇到硬巖更換潛孔錘；

（2）破碎地層，采用雙壁鉆桿配貫通式潛孔錘（雙壁合金鉆頭）+空氣反循環(huán)鉆進，實現(xiàn)中心取樣。

（3）針對厚沙漠覆蓋層，采用根管鉆進（孔壁支護）+空氣正循環(huán)鉆進。

幾種工藝方法的配合實施，解決了我國西部干旱缺水景觀區(qū)無法高效鉆進的難題。

3　工程應(yīng)用及取得的經(jīng)驗

3.1工程效果

采用該鉆機具2013年在青海省野馬泉礦區(qū)、新疆哈密大南湖礦區(qū)進尺3200m，整體平均鉆進效率15m/h，最高效率23m/h，巖芯（樣）采取率達到95%以上，得到了合作單位的一致認(rèn)可（圖5）。

圖5　野外現(xiàn)場工作照片

3.2取得的經(jīng)驗

空氣鉆進施工過程中經(jīng)常遇到問題是“混樣”、“卡鉆”、“氣流不暢”等現(xiàn)象，針對這些現(xiàn)象，我們總結(jié)了一些經(jīng)驗方法，以供參考：

（1）對于化探取樣，樣品與層位的對應(yīng)是非常重要的，也就是我們通常說的不混樣，為此，在長期的工作中，我們總結(jié)出了一套行之有效的方法：首先對于化探取樣通常是1m取1～2個樣，樣品的收集要放到鉆桿鉆進的中段進行，也就是加鉆桿后兩頭不取，取中間段；再就是在加鉆桿停鉆時，讓空壓機繼續(xù)工作1～2min，用以沖洗孔壁。這些措施保證了取樣的準(zhǔn)確度。

（2）鉆進過程中要及時的監(jiān)控收集裝置氣流的變化，當(dāng)發(fā)現(xiàn)氣流不暢或卡鉆現(xiàn)象時要及時地調(diào)整空壓機供給，同時上下滑動鉆具保證鉆孔的通暢。減慢下鉆速度、震動鉆桿、反沖擊也有助于解卡。

潛孔錘鉆進各種不正常的現(xiàn)象，在工藝設(shè)備參數(shù)配合合理的情況下，多是由于孔內(nèi)殘渣未及時排出所致，因此保證孔內(nèi)通暢，破碎巖渣能夠及時地排出孔外是一個重要條件?？妆诓环€(wěn)定掉塊，探頭等也是造成卡鉆的因素，這些需要設(shè)備操作者能夠總結(jié)地層情況，對不正常的現(xiàn)象能夠及時地做出判斷，通過調(diào)整設(shè)備參量、工藝器具予以解決。

4　結(jié)論

通過在青海、新疆地區(qū)的充分試驗，驗證了新型車裝設(shè)備在相似景觀區(qū)取樣的可行性和有效性，試驗取得了較好的社會效益和經(jīng)濟效益，為今后該產(chǎn)品及工藝在我國西部干旱缺水地區(qū)的廣泛推廣提供了強有力的例證。新型車裝鉆機主要有如下特點：

（1）鉆機設(shè)備本體和底盤動力集成化，合理分配動力，實現(xiàn)了整裝勘查的目的,整體性能達到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。

（2）鉆機率先在淺層鉆探取樣中實現(xiàn)了小口徑中心取樣技術(shù)。采用貫通式潛孔錘匹配外平雙壁鉆桿，使鉆桿鉆具對孔的破壞減少，既提高了取樣效率，又減少了事故率。

（3）鉆機結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、操作簡單、維修方便、易損件少、可拆裝性強,適合我國西部荒漠戈壁等交通不便地區(qū)的野外地質(zhì)勘察取樣鉆進,是我國西部缺水地區(qū)地質(zhì)取樣的首選設(shè)備。

（4）采用該取樣鉆機具,可成功代替槽(井)探傳統(tǒng)取樣和人工挖掘取樣,滿足地質(zhì)大調(diào)查的勘察取樣要求,可顯著提高地質(zhì)調(diào)查取樣的速度和質(zhì)量,是特殊地貌地質(zhì)填圖、物探成孔、化探取樣、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域必不可少的技術(shù)手段。

[1]王達.西部特殊景觀區(qū)鉆探取樣技術(shù)展示[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2005（1）：1-5.

[2]武毅.遙感、物探、鉆探技術(shù)在西部嚴(yán)重缺水地區(qū)地下水勘查中的集成化研究[R].2006.

[3]徐小兵,余秀明.淺析高海拔地區(qū)鉆探設(shè)備及工藝的適應(yīng)性[J].湖南有色金屬,2006(2)：60-63.

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1004-5716(2015)07-0031-03

2014-07-24

項目來源：中國地質(zhì)調(diào)查局技術(shù)方法類工作項目“青海祁漫塔格成礦帶金屬礦地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查”,項目編號：12120113031900。

譚春亮（1979-），男(漢族)，山東德州人，高級工程師，現(xiàn)從事鉆探機械產(chǎn)品的研發(fā)推廣工作。