潛孔鉆機預(yù)防卡鉆方法的分析

呂德仙

（中煤平朔集團有限公司 安家?guī)X露天礦，山西 朔州 036006）

潛孔鉆機預(yù)防卡鉆方法的分析

呂德仙

（中煤平朔集團有限公司 安家?guī)X露天礦，山西 朔州 036006）

在分析的基礎(chǔ)上提出了一種新的預(yù)防卡鉆方法，提出的新預(yù)防卡鉆方法系能夠預(yù)防各類卡鉆的發(fā)生，提高了潛孔鉆機對復(fù)雜巖層的適應(yīng)能力，極大地提高了鉆孔效率。

潛孔鉆機；卡鉆原因；預(yù)防卡鉆；臨界壓力

0 引 言

潛孔鉆機是一種鑿巖鉆孔裝備，沖擊器與鉆頭一起進入鉆孔內(nèi)，回轉(zhuǎn)機構(gòu)停留在鉆孔外驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)巖石鉆孔[1]?，F(xiàn)階段潛孔鉆機已經(jīng)在多個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，比如：露天采礦、水電水利工程、交通及國防建設(shè)等。潛孔鉆機具有鉆孔深、鉆孔直徑大、鉆孔效率高、適用范圍廣等特點，是當(dāng)前通用的大型鉆孔設(shè)備[2-3]。

潛孔鉆機在鑿巖鉆孔方面有很好的效果，但由于礦床或巖石中存在溶洞、縫隙和巖石性質(zhì)不均勻等原因，潛孔鉆機很容易出現(xiàn)卡鉆的現(xiàn)象。解決卡鉆問題需要大量的時間和人力，這嚴(yán)重地制約了潛孔鉆機的鉆孔效率和經(jīng)濟效益。所以探索如何預(yù)防潛孔鉆機卡鉆很有必要。提出了一種新型的預(yù)防卡鉆的方法，利用回轉(zhuǎn)壓力來控制推進壓力，從而達到預(yù)防卡鉆的效果。

1 卡鉆的原因分析

在進行鉆孔之前，由于難以知道地下巖層的情況，所以卡鉆的情況頻發(fā)。按照巖層的特征和鉆孔排渣情況，造成卡鉆的原因主要有以下3種[4-5]：

1.1 溶洞卡鉆

當(dāng)鉆頭進入溶洞時，溶洞中的碎石很容易把磚頭卡死，從而引發(fā)卡鉆。鉆頭進入溶洞后，鉆頭瞬間失去了作用點，鉆頭前進速度瞬間增大，但推進壓力和回轉(zhuǎn)壓力卻會出現(xiàn)下降。當(dāng)發(fā)生卡鉆情況時，鉆頭受到的回轉(zhuǎn)阻力和前進阻力瞬間增大，從而使液壓系統(tǒng)中的回轉(zhuǎn)壓力和推進壓力快速上升，當(dāng)回轉(zhuǎn)阻力超過潛孔鉆機自身所能夠提供的最大回轉(zhuǎn)力時，鉆頭停止轉(zhuǎn)動，鉆孔的工作無法繼續(xù)。

1.2 緩變卡鉆

緩變卡鉆是由于排渣不暢或巖石性質(zhì)不均等原因所引發(fā)的卡鉆。當(dāng)鉆孔中出現(xiàn)排渣不暢的現(xiàn)象時，鉆孔中的巖渣會越來越多。此時鉆頭受到的回轉(zhuǎn)阻力也會越來越大，鉆頭的回轉(zhuǎn)速度隨之下降；當(dāng)在巖石性質(zhì)不均勻的巖層中鉆孔時，鉆頭很容易受到徑上不均勻力的作用而偏離原定的方向，鉆頭受到的回轉(zhuǎn)壓力也會隨著鉆頭的偏離程度的增大而增大。當(dāng)鉆頭的偏離程度到達一定時，鉆頭受到的回轉(zhuǎn)阻力超過了液壓系統(tǒng)能夠提供的最大回轉(zhuǎn)力，此時鉆頭會停止轉(zhuǎn)動，無法繼續(xù)進行鉆孔。

1.3 裂縫卡鉆

當(dāng)鉆頭進入裂縫時，鉆頭突然受到裂縫的回轉(zhuǎn)阻力，且這種情況下回轉(zhuǎn)阻力往往會遠大于潛孔鉆機自身所能夠提供的最大回轉(zhuǎn)力。如果液壓系統(tǒng)不能立即消除這一突然增大的阻力矩，鉆頭的回轉(zhuǎn)運動將會停止，鉆頭的推進運動也會受到阻礙，迫使鉆孔工作停止。

2 常見防卡鉆方法

現(xiàn)階段在液壓鑿巖臺車或潛孔鉆機上基本防卡鉆方案主要是以下2種：①利用回轉(zhuǎn)馬達的工作壓力為反饋控制信號，讓推進回路中的壓力跟隨回轉(zhuǎn)壓力的變化而變化，使得鉆頭進入輕推的狀態(tài)，甚至讓鉆頭反轉(zhuǎn)和后退，當(dāng)卡鉆情況消除后再恢復(fù)正常鉆孔狀態(tài)，由此實現(xiàn)自動防卡鉆；②先設(shè)定一個壓力值，當(dāng)回轉(zhuǎn)壓力超過這個壓力值時，由回轉(zhuǎn)壓力控制推進回路中的壓力下降，使鉆頭的推進力下降，由此實現(xiàn)自動防卡。

各種防卡方案都有各自的特點，所能取得的效果也各不相同，下面就一些典型的防卡鉆方案進行比較分析。

2.1 推進回路設(shè)置液控?fù)Q向閥

這種方案是在推進回路上設(shè)置一個液控?fù)Q向閥1，其原理圖如圖1所示[6]。液控?fù)Q向閥1的右端與換向閥3相連接。當(dāng)鉆頭發(fā)生卡鉆時，回轉(zhuǎn)壓力迅速升高，從而推動換向閥3換向，液控?fù)Q向閥1的右端受到高壓油的作用，液控?fù)Q向閥1換向，從而使推進油缸回縮；當(dāng)回轉(zhuǎn)壓力恢復(fù)正常時，換向閥3恢復(fù)原位，換向閥1復(fù)位，鉆頭的推進力恢復(fù)正常。

圖1 在推進回路上設(shè)置防卡閥

這種防卡防卡方案在鉆頭回退過程中，鉆頭自動處于輕沖擊狀態(tài)。但由于回轉(zhuǎn)壓力易發(fā)生波動，使得換向閥3的閥芯受到?jīng)_擊，這會造成閥芯的磨損；且換向閥為滑閥式，其相應(yīng)特性不高，這將會影響防卡鉆的反應(yīng)速度。

2.2 回轉(zhuǎn)回路設(shè)置壓力繼電器

這種方案是把壓力繼電器放在回轉(zhuǎn)回路中，用壓力繼電器來控制推進回路中的壓力和沖擊回路中的壓力變化，其原理如圖2所示[7]。在鉆頭正常工作時，回轉(zhuǎn)回路中的壓力低于壓力繼電器的開啟壓力，推進回路中的換向閥11處于右位，沖擊回路中的換向閥3處于下位，且沖擊壓力由溢流閥1給定。當(dāng)發(fā)生卡鉆時，回轉(zhuǎn)回路中的壓力迅速升高，當(dāng)壓力值達到或超過壓力繼電器的調(diào)定值時，壓力繼電器產(chǎn)生作用，使得換向閥11和換向閥3換向，從而使推進馬達發(fā)生反轉(zhuǎn)，而沖擊回路中的壓力由開啟值更低的溢流閥2決定，鉆頭處于輕沖擊狀態(tài)。當(dāng)卡鉆情況解決后，回轉(zhuǎn)回路中的壓力下降，壓力繼電器復(fù)位，換向閥3和換向閥11也恢復(fù)到原來的位置，鉆頭又處于正常工作的狀態(tài)。

圖2 回轉(zhuǎn)回路設(shè)置壓力繼電器

這種控制回路相對比較復(fù)雜，含有較多的電氣元件，如壓力繼電器、信號轉(zhuǎn)換器等，并且步驟也較多。潛孔鉆機一般都工作在潮濕、多塵、高溫的環(huán)境，這些環(huán)境對于壓力繼電器都非常不利。

2.3 推進回路與回轉(zhuǎn)回路串聯(lián)

推進回路與回轉(zhuǎn)回路串聯(lián)時其工作原理圖如圖3所示[8]。在鉆頭正常工作的狀體下，回轉(zhuǎn)回路中的壓力低于壓力閥的開啟壓力。推進馬達的出口與回轉(zhuǎn)馬達的進口連接，兩者構(gòu)成串聯(lián)連接，回轉(zhuǎn)馬達的進口壓力成為推進馬達的背壓。鉆頭發(fā)生卡鉆時，回轉(zhuǎn)回路中的壓力升高到壓力閥的開啟壓力，壓力閥打開，推進回路卸荷。同時，回轉(zhuǎn)回路中的高壓油反向流向推進馬達，推進馬達反轉(zhuǎn)，鉆頭后退。另外當(dāng)壓力閥處于打開狀態(tài)時，平衡閥的出口壓力很低，通過該閥的流量增大，平衡閥進口處的壓力也跟隨著下降，從而造成沖擊回路中的壓力下降。當(dāng)卡鉆情況解除后，回轉(zhuǎn)回路中的壓力下降，壓力閥復(fù)位，推進馬達恢復(fù)正轉(zhuǎn)，沖擊回路中的壓力值也上升回正常值，鉆頭重新開始鉆孔。

圖3 推進回路與回轉(zhuǎn)回路串聯(lián)

這種防卡鉆回路結(jié)構(gòu)比較簡單，響應(yīng)速度好。但這種防卡回路會出現(xiàn)壓力閥過早關(guān)閉的情況，影響防卡鉆的效果。

2.4 利用計算機來對卡鉆進行控制

這種方案是使用計算機來監(jiān)測推進壓力或推進速度，當(dāng)出現(xiàn)推進壓力下降或推進速度快速增大時，可判斷此時鉆頭進入了溶洞[9]。當(dāng)計算機判斷出鉆頭進入溶洞后，其可自動采取措施使鉆頭進入輕推或回退的狀態(tài)；當(dāng)計算機監(jiān)測到回轉(zhuǎn)壓力超出設(shè)定值時，利用回轉(zhuǎn)壓力作為控制信號來控制推進壓力下降，使得鉆頭可以容易地穿越卡鉆區(qū)域。

計算機控制鑿巖過程自動防卡，無論是在控制系統(tǒng)構(gòu)成上，還是在防卡控制方式和防卡能力上，都是純液壓控制自動防卡鉆方案無法相比的[9]。但這種方案中所包含的電子元件較多，而潛孔鉆機往往工作在露天的礦場或井下礦道，都是環(huán)境惡劣，這將嚴(yán)重影響電子元件的壽命。

3 新預(yù)防卡鉆的方法

由前面幾個典型的防卡鉆方案分析可知，現(xiàn)在的防卡鉆方案基本都是在卡鉆出現(xiàn)之后再采取措施，無法做到提前預(yù)防。為了能夠使?jié)摽足@機可以在鉆孔的過程中預(yù)防各種卡鉆的發(fā)生，必須要研究一種新的預(yù)防卡鉆方法。

3.1 新方法的確定

1）通過推進回路中推進壓力的變化來進行溶洞卡鉆預(yù)防。當(dāng)鉆頭進入溶洞時，推進回路中壓力會迅速下降，此時讓推進馬達反轉(zhuǎn)來讓鉆頭回退。如果鉆頭能順利退回，說明此時鉆頭沒有發(fā)生卡鉆，鉆頭在回退的過程中回轉(zhuǎn)恢復(fù)正常轉(zhuǎn)速，推進回路中恢復(fù)正常的推進壓力。如果在鉆頭推進的過程中出現(xiàn)回轉(zhuǎn)壓力快速上升且超過臨界壓力的狀況，則推進馬達反轉(zhuǎn)，從而控制鉆頭往后退，重復(fù)剛才所述的步驟。當(dāng)鉆頭穿過了卡鉆區(qū)域后，推進回路中的壓力值恢復(fù)正常。通過上述的兩個過程從而實現(xiàn)卡鉆的預(yù)防與控制。

2）當(dāng)鉆孔中的巖渣越積越多，回轉(zhuǎn)回路中的壓力值上升到緩變卡鉆的臨界值時，可以通過回轉(zhuǎn)壓力的升高來控制推進壓力的下降，使得推進壓力跟隨回轉(zhuǎn)壓力的升高而下降，在這種情況下可以使得潛孔鉆機容易地穿過卡鉆區(qū)域，由此實現(xiàn)裂縫卡鉆的預(yù)防。這種過程同樣適用于縫隙卡鉆，只是縫隙卡鉆時回轉(zhuǎn)回路中的壓力值是快速上升。

3.2 新預(yù)防卡鉆方法的分析

預(yù)防卡鉆的新方法是通過使用液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)的。液壓原理如圖4所示。

圖4 新預(yù)防卡鉆方法的原理

潛孔鉆機正常工作時，換向閥8處于左位，回轉(zhuǎn)回路中的壓力低于換向閥5的調(diào)定值，換向閥5處于關(guān)閉狀態(tài)，無壓力油通過，壓力繼電器6不動作；換向閥9的左端與X1相連接，右端與X2相連接，此時X1與高壓油相連通，換向閥9在壓差的作用下處于左位，推進馬達正轉(zhuǎn)，推進回路中的壓力值高于壓力繼電器3的調(diào)定值，壓力繼電器3斷電。

當(dāng)鉆頭進入溶洞時，鉆頭由于突然失去作用點，推進速度瞬間增大，退進壓力隨之下降，當(dāng)推進回路中的壓力值降低到低于壓力繼電器3的設(shè)定值時，壓力繼電器3得電從而控制換向閥2換向。換向閥2換向之后X1與低壓油相連接，而X2與高壓油連接，從而使得換向閥9換向，推進馬達反轉(zhuǎn)，鉆頭回退。當(dāng)鉆頭穿過溶洞后推進回路中的壓力值恢復(fù)正常，壓力繼電器3斷電，換向閥2恢復(fù)原位，從而使換向閥9也恢復(fù)原位，推進馬達正轉(zhuǎn)，潛孔專輯恢復(fù)正常工作。

將以上兩項改進成果投入生產(chǎn)后，通過反復(fù)的現(xiàn)場試驗，均達到了預(yù)期效果，各個易磨損部件的使用時間明顯變長。其中盤根的使用時間由原來的30d變?yōu)?0d；柱塞的使用時間由原來的70d變?yōu)?30d；銅壓套的使用時間由原來的70d變?yōu)?30d。

當(dāng)鉆孔中的巖渣增多時，鉆頭受到的回轉(zhuǎn)阻路越來越大，回轉(zhuǎn)回路中的壓力也隨之升高。當(dāng)回轉(zhuǎn)回路中壓力超過了換向閥5的設(shè)定壓力時，換向閥5換向，推進回路中壓力下降。此時可能會出現(xiàn)兩種工況。第一種是：如果推進回路中的壓力下降之后，回轉(zhuǎn)回路中的壓力既沒有繼續(xù)上升也沒有下降，而是穩(wěn)定在一個值，則此時回轉(zhuǎn)力和推進壓力之間形成匹配。因此換向閥5兩端的壓力不會繼續(xù)發(fā)生變化，其閥芯的開口度將維持在一個穩(wěn)定值，鉆頭在這種狀態(tài)下繼續(xù)工作，直到鉆頭順利通過卡鉆區(qū)域。第二種：如果推進回路中的壓力下降之后，回轉(zhuǎn)回路中的壓力繼續(xù)上升，當(dāng)達到或超過壓力繼電器6設(shè)定值時，壓力繼電器6得電從而控制換向閥2換向，則此時換向閥9的左端與低壓油接通，右端與高壓油相通，換向閥9換向，推進馬達反轉(zhuǎn)，鉆頭回退。當(dāng)回轉(zhuǎn)回路中的壓力恢復(fù)到正常值壓力時，壓力繼電器6斷電，換向閥9復(fù)位，推進馬達恢復(fù)正轉(zhuǎn)。

由預(yù)防卡鉆的原理分析可知：

1）當(dāng)鉆頭遇到溶洞時，液壓系統(tǒng)利用推進壓力的突然下降來控制鉆頭回退，若能正常回退則說明沒有出現(xiàn)卡鉆，推進系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)都回復(fù)正常。若出現(xiàn)回轉(zhuǎn)壓力超過臨界回轉(zhuǎn)壓力的情況，則使鉆頭再次回退，重復(fù)上述過程直至穿過卡鉆區(qū)域，從而實現(xiàn)溶洞卡鉆的預(yù)防。

2）當(dāng)遇到緩變卡鉆和縫隙的情況時，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的壓力持續(xù)上升，當(dāng)壓力超過臨界會鉆壓力時，利用回轉(zhuǎn)壓力的升高來控制推進系統(tǒng)壓力的無級下降，使得推進力隨著回轉(zhuǎn)阻力的增大而逐漸降低，直至通過卡鉆區(qū)域。假如回轉(zhuǎn)壓力持續(xù)上升或突然上升到縫隙卡鉆的臨界值時，控制推進馬達反轉(zhuǎn)從而使鉆頭回退，當(dāng)回轉(zhuǎn)壓力恢復(fù)正常后推進回路也跟隨著恢復(fù)正常，重復(fù)上述過程直到鉆頭順利通過卡鉆區(qū)域。通過上述兩種過程從而實現(xiàn)緩變卡鉆和縫隙卡鉆的預(yù)防。

傳統(tǒng)處理卡鉆的方法都是在卡鉆發(fā)生之后才作處理，且無法防止溶洞卡鉆的發(fā)生，而上述所說的防卡鉆方法是通過利用回轉(zhuǎn)回路的壓力變化來實現(xiàn)卡鉆的預(yù)防，在卡鉆出現(xiàn)前對推進回路進行控制，能有效的預(yù)防溶洞卡鉆、緩變卡鉆和縫隙卡鉆的發(fā)生。新的預(yù)防卡鉆方法使用了自動液控的方法，可以實現(xiàn)壓力的無級控制，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這樣可以避免了由于卡鉆而引發(fā)的鉆頭損壞、鉆頭卡死等問題，極大的提高潛孔鉆機的鉆孔效率，可以取得很好的經(jīng)濟效應(yīng)。

4 臨界壓力值的設(shè)定

通過對新防卡鉆方案的分析可知，臨界壓力值是預(yù)防卡鉆的關(guān)鍵因素，這包括推進回路和回轉(zhuǎn)回路中壓力繼電器工作壓力、換向閥5的開啟壓力。

4.1 推進回路中壓力繼電器壓力值

由原理分析可知，當(dāng)推進回路中壓力值低于某一定值時，壓力繼電器3得電工作。假設(shè)潛孔鉆機正常工作時，推進回路中的壓力平均值是ptm，最大的波動值是pmb，則推進回路中最小的壓力值ptmin為：

因此壓力繼電器3的設(shè)定值應(yīng)為，所以進行溶洞防卡鉆的條件是：

式中：pt為推進回路中實際工作壓力，Pa；ptm為推進回路中的壓力平均值，Pa；pmb為最大的波動值，Pa；ptmin推進回路中最小的壓力值，Pa。

4.2 回轉(zhuǎn)回路臨界壓力值設(shè)定

根據(jù)新方案的工作原理分析可知，當(dāng)出現(xiàn)緩變卡鉆或縫隙卡鉆時都是通過回轉(zhuǎn)回路的壓力來控制推進回力的降低，從而實現(xiàn)預(yù)防卡鉆。

1）防緩變卡鉆回轉(zhuǎn)回路臨界值

假設(shè)潛孔鉆機在正常工作狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)回路的壓力平均值是pz0，最大的壓力波動值為pzm。設(shè)防緩變卡鉆的臨界回轉(zhuǎn)壓力值即換向閥5的開啟壓力為pk，則

因此，控制緩變卡鉆的條件是：

式中：pz為回轉(zhuǎn)回路工作時的實際壓力，Pa；pz0為回轉(zhuǎn)回路的壓力平均值，Pa；pzm為最大壓力波動值，Pa；pk為換向閥5的開啟壓力，Pa。

2）防裂縫卡鉆回轉(zhuǎn)回路臨界值

假設(shè)潛孔鉆機正常工作時，回轉(zhuǎn)回路壓力的平均值是pz0，最大的壓力波動值是pzm，則裂縫卡鉆時回轉(zhuǎn)回路的臨界值pzl為：

由此可以得到控制裂縫卡鉆的條件是：

式中：pz為潛孔過程中回轉(zhuǎn)回路的實際工作壓力，Pa；pz0為回轉(zhuǎn)回路的壓力平均值，Pa；pzm為最大壓力波動值，Pa；pzl為縫隙卡鉆時回轉(zhuǎn)回路的臨界值，Pa。

從防卡鉆的效果來看，pzl越小越好。但當(dāng)pzl過小時很容易引發(fā)鉆頭回退，降低鉆孔的速度。當(dāng)pzl取較大值時有可能出現(xiàn)鉆頭直接卡死的狀況，不利用卡鉆的控制。此時可以根據(jù)經(jīng)驗對pzl進行取值。設(shè)潛孔鉆機自身可以提供的最大回轉(zhuǎn)壓力是pm，則液壓系統(tǒng)中回轉(zhuǎn)力的最大變化量為△p為：

根據(jù)經(jīng)驗可以取pzl為：

5 總結(jié)

現(xiàn)在許多的潛孔鉆機上都有放卡鉆的方案，但基本上都僅限于處理卡鉆的情況，無法做到提前預(yù)防卡鉆。提出了一種新的控制卡鉆的方案，可以實現(xiàn)卡鉆的預(yù)防。先分析了造成卡鉆的原因和現(xiàn)在幾種典型的放卡鉆方案，并比較它們的優(yōu)缺點。然后提出了一種新的預(yù)防卡鉆的方案。重點闡述了新方案的工作原理，并對液壓回路中臨界壓力的取值進行了分析，為潛孔鉆機的防卡鉆設(shè)計提供了參考。

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【責(zé)任編輯：陳 毓】

Analysis of hole drilling machine to prevent sticking

LV Dexian
(Anjialing Open-pit Mine,China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China)

Based on analyzing the reasons of the sticking and the principle and advantages and disadvantages of several methods of preventing the sticking,the article proposed a new method to prevent sticking.The method can prevent the occurrence of all kinds of drilling,and improve the adaptability of the drilling rig to complex strata,which greatly improves the drilling efficiency.

hole drilling machine;reason for sticking;prevention of sticking;critical pressure

TD422.1

B

1671－9816（2017）03－0055－05

2016-10-14

呂德仙（1988—），男，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，助理工程師，2011年畢業(yè)于呼倫貝爾學(xué)院采礦工程專業(yè)，現(xiàn)在安家?guī)X露天礦穿爆班工作。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.03.016

呂德仙.潛孔鉆機預(yù)防卡鉆方法的分析［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（3）：55-59.