XD-30DB型鉆機在金礦勘查中的應用

馬曉鵬， 王偉杰， 田國亮， 李 寬

(山東省第六地質礦產勘查院，山東 威海 264200)

0 引言

我國礦產資源種類豐富，為大力發(fā)展“攻堅找盲”的探礦戰(zhàn)略思想，在招遠市欒家河金礦區(qū)開展深部金礦勘查，該礦區(qū)鉆孔設計孔深都在2000 m以深，XY-6B型鉆機、XY-8型鉆機及阿特拉斯CS4002型等鉆機數(shù)量已不能滿足生產需求，我院為滿足實際生產需要引進了XD-30DB型頂驅變頻鉆機在該礦區(qū)進行生產施工。

1 XD-30DB型鉆機基本情況

XD-30DB型鉆機是一種AC-VFD-AC交流變頻電驅動全數(shù)字控制的頂驅式巖心鉆機?？墒┕?71 mm、4000 m以淺的取心礦產勘探孔。鉆機整體情況見圖1。

1.1 鉆機主要特點

(1)該鉆機系統(tǒng)采用了變頻控制、集中操作和數(shù)字傳輸，信息自動化、能耗小、施工效率高。

(2)轉速、扭矩、拉力、速度等控制性能好，輸出環(huán)境良好，能夠過載保護，回轉及給進無級調速，精確控制鉆壓，根據(jù)地層條件選擇鉆進參數(shù)，可以滿足深孔鉆探要求。

(3)鉆機工作過程所有動作由電控組件或數(shù)字化操作完成，操作者的勞動強度低，操作人員數(shù)量少，改善了勞動環(huán)境。

圖1 XD-30DB型鉆機外形

(4)鉆機主要執(zhí)行模塊均采用電動機驅動，包括回轉、提升、給進、打撈等。動力提供為工業(yè)網(wǎng)電或柴油發(fā)電機組。

(5)鉆機運行參數(shù)與鉆進工藝參數(shù)實現(xiàn)實時存儲、傳輸、記錄、查詢和遠程監(jiān)控。

(6)與立軸傳動鉆機相比，傳動效率高、能耗小、傳動鏈簡化，安裝和拆卸簡單，檢修方便，維護保養(yǎng)便利。

(7)頂驅長行程為22 m，可滿足18 m加減立根作業(yè)，提高了工作效率。塔架內裝有防碰繩和導向繩，提高了鉆塔的安全性和穩(wěn)定性。

1.2 鉆機主要技術參數(shù)

(1)鉆進能力：?114 mm繩索鉆桿施工孔深2000 m，?89 mm繩索鉆桿施工孔深3000 m，?71 mm繩索鉆桿施工孔深為4000 m。

(2)鉆塔：鉆塔有效高度為29 m，鉆塔型式為A型，最大鉤載為700 kN。

(3)頂驅：驅動形式為交流變頻直驅，電機額定功率110 kW(55 kW×2)，轉速0～600 r/min，最大扭矩8000 N·m(0～156 r/min)，額定扭矩5500～1600 N·m(0～600 r/min)。

(4)主絞車：最大輸入功率110 kW，鋼絲繩直徑24 mm，最大快繩拉力80 kN，鉤速0～1.0 m/s，剎車形式為盤式剎車和安全制動。

2 鉆機使用情況

2.1 地理交通情況

鉆機生產區(qū)位于山東省招遠市阜山鎮(zhèn)欒家河礦區(qū)，位于招遠市北20 km，水旺莊西2 km。向北可到龍口、蓬萊，向東可到煙臺、棲霞，向南可到萊西，交通非常便利。

2.2 地層介紹

因環(huán)保要求該孔中止施工，未能達到設計孔深。礦區(qū)東部1426.06 m以淺主要是二長花崗巖，塊狀構造，較完整，破碎帶不發(fā)育。其可鉆性為8～10級，局部研磨性特強。

2.3 鉆孔結構

施工鉆孔位于招遠欒家河礦區(qū)，孔號108ZK3，設計孔深2600 m，該孔采用XD-30DB型頂驅鉆機，該區(qū)地層比較簡單，構造較為完整，采用繩索取心鉆探方法，鉆孔采用二開結構。鉆孔結構見圖2。

2.4 鉆進過程

第一階段，2017年5月6日開孔鉆進，用?114 mm鉆桿、?122 mm外徑鉆頭繩索取心鉆進，鉆至86 m，下?108 mm技術套管。因開孔巖石比較完整，在此期間沖洗液為1 m3清水加0.2 kg 1800萬分子量的陰離子型聚丙烯酰胺(簡寫APAM)，循環(huán)方式為正循環(huán)。鉆進參數(shù)：鉆壓10～15 kN,鉆速300～360 r/min，泵量100～120 L/min，送鉆速度4.5～5.5 cm/min。

圖2 鉆孔結構示意

第二階段，2017年7月31日因礦區(qū)處于環(huán)境保護區(qū)提前終孔，終孔孔深為1426.06 m。該階段采用繩索取心鉆具組合為?89 mm繩索取心鉆桿+?89 mm鉆具+?91 mm外徑擴孔器和鉆頭。沖洗液配比：1 m3清水+2 kg防卡護壁潤滑劑+2 kg磺化褐煤樹脂+3 kg羧甲基纖維素。測試沖洗液性能指標為：pH值8～10；粘度25～30 s；濾失量12～17 mL/30 min；密度1.01 g/cm3；固相含量1.0%；濾失量14～18 mL/30 min；含砂量≤0.6%；塑性粘度12 mPa·s；靜切力2～4 Pa，動切力2～3 Pa。循環(huán)方式為正循環(huán)，若遇漏失地層時加入20～30 kg 803堵漏劑。鉆進參數(shù)見表1。

表1 不同孔深鉆進參數(shù)

該鉆孔主要為二長花崗巖，鉆進過程中鉆壓變化平穩(wěn)。當遇到漏失地層時，扭矩參數(shù)明顯升高，出現(xiàn)憋車情況，在該情況下，需要將鉆機轉速降低才能夠保證正常鉆進，在此過程要及時進行堵漏。在鉆進過程中要及時調整送鉆速度，保證各項參數(shù)平穩(wěn)的施工。

2.5 參數(shù)變化關系

司鉆房為頂驅鉆機的智能操作控制中心，鉆機的各個動作都是在司鉆房里下達指令來實現(xiàn)的。司鉆房里由兩個電控柜和一個控制電腦顯示屏等部分組成，通過調節(jié)顯示屏參數(shù)(見圖3)來完成鉆探工作。顯示屏的參數(shù)變化是鉆孔工作的體現(xiàn)，通過實際在施工過程總結與驗證，得出以下關系：

(1)泵壓數(shù)值上升，巖心管堵或鉆頭消耗盡，進行取心或提鉆換鉆頭。

(2)鉆壓數(shù)值上升，扭矩數(shù)值不變或上升，巖石變硬，減慢進尺。

(3)鉆壓數(shù)值上升，扭矩數(shù)值下降，巖心管堵需取心。

(4)鉆壓數(shù)值上升，扭矩數(shù)值下降，泵壓數(shù)值上升，需磨巖心，否則巖心管打撈不動。

(5)鉆壓數(shù)值下降，扭矩數(shù)值下降，巖石變軟，可適當加快進尺。

(6)泵壓數(shù)值不穩(wěn)，鉆壓扭矩數(shù)值正常，巖心管不進，推磨巖心。

圖3 鉆進過程各參數(shù)顯示

3 鉆機的優(yōu)勢

(1)傳統(tǒng)的立軸鉆機鉆進過程中是依靠鉆頭的磨削來進行的，通常鉆機通過鉆桿來向鉆頭傳遞推進動力，因此鉆機對鉆桿質量有較高的要求。

頂驅鉆進主要是靠鉆桿的自身質量來提供推進動力，游車大鉤提供提吊力使施工的全過程保持孔底受力均勻，鉆桿力的傳送比立軸鉆機要小得多，只要鉆桿螺紋固定部分不出現(xiàn)磨損，就能保證施工順利進行。對鉆桿的磨損較小，延長鉆桿使用周期，減少換鉆桿與接箍等工作，提高鉆進效率。

(2)傳統(tǒng)鉆機鉆進行程一般在50～100 cm，XY-4型鉆機行程50 cm(見圖4)，XY-8型鉆機行程為100 cm，加鉆桿長度為3 m，鉆探過程中巖心管3 m，要倒桿3～6次，頻繁取心作業(yè)。

頂驅鉆機鉆進行程達到22 m(見圖5)，在地層完整的情況下可以采用較長的鉆具和巖心管，減少輔助時間。除了取心和加鉆桿，在鉆進過程中連續(xù)鉆進，不用倒桿，使巖心不間斷的進入巖心管，避免人為拔斷巖心，減少取心次數(shù)。

圖4 XY-4型鉆機行程圖5頂驅鉆機行程

(3)傳統(tǒng)鉆塔的游動滑輪的凈空間1 m，并且塔上沒有監(jiān)控設備，操作靈敏度低，容易與天車相碰。鉆機與鉆桿連接處需要人工卸扣。

頂驅鉆機鉆塔采用加高和大跨距設計，實現(xiàn)游車大鉤與天車的4 m凈空間，并裝有監(jiān)控攝像頭，實現(xiàn)畫面監(jiān)控(見圖6)，塔頂裝有防碰繩，避免游車與天車碰撞。背鉗采用了卡盤式，靠油壓夾緊和松開，運轉平穩(wěn)。

(4)傳統(tǒng)鉆機鉆進的方式是機械式加壓，對于司鉆者經驗要求較高，必須對電流變化、機械聲音的變化做出快速準確的判斷。

頂驅鉆機通過VFD房(見圖7)實現(xiàn)精確自動恒壓鉆進和恒速鉆進，變頻調節(jié)，更加靈敏。參數(shù)設置預警，當達到預警數(shù)值，鉆機運行自動停止，大大減少事故發(fā)生，保障設備和人員的安全。司鉆根據(jù)地層與孔深情況，對參數(shù)進行調節(jié)，適合深孔及復雜地層的施工。

(5)以往鉆機操作環(huán)境差，處于露天狀態(tài)，冬寒夏暑，鉆進時精神高度集中，機械噪聲很大，深孔時提下鉆過程勞動強度高。

圖6 監(jiān)控畫面

圖7 VFD房

頂驅鉆機操作在司鉆房進行(見圖8)，司鉆房采用了防傾翻和防落物設計，操作方式為手柄以及按鍵，并安裝有空調，操作舒適安全，視野開闊，人性化設計，減輕勞動強度。該鉆機安裝有輔助剎車和電磁剎車，在深孔提下鉆安全性高。降低施工風險，保障工程順利進行，效益提升。

圖8 司鉆房

(6)傳統(tǒng)鉆機孔內發(fā)生事故，往往是根據(jù)經驗判斷分析，然后制定處理方案，缺乏真實可靠的依據(jù)，往往會參雜操作人員個人推斷，導致制定處理方案不合理。在很多時候會走冤枉路，甚至事故越處理越復雜。

頂驅鉆機具有對運行參數(shù)與鉆進工藝參數(shù)實現(xiàn)實時存儲、記錄和查詢。當事故發(fā)生時調取歷史工作曲線進行分析(見圖9)，對事故的分析更具有依據(jù)性、客觀性、準確性。

圖9 鉆進歷史曲線

4 應用效果

在鉆進過程中總進尺1426.06 m，總臺時為2016 h，平均鉆進時效0.71 m，臺月效率509.30 m，純鉆進時間44.72%，由于第一次使用操作學習和保養(yǎng)時間占31.21%，其他時間24.07%。該礦區(qū)同期開動XY-8型鉆機、阿特拉斯CS4002型鉆機各一臺，在此對其月孔深進行比較(見表2)。因阿特拉斯CS4002型鉆機為柴油發(fā)電機組提供動力，該頂驅鉆機與XY-8型鉆機由工業(yè)網(wǎng)電提供動力，對后兩臺鉆機進行了能耗比較，圖10為能耗柱狀圖。

XD-30DB型鉆機進尺效率與XY-8型鉆機、阿特拉斯CS4002型鉆機相比，淺孔階段沒有優(yōu)勢，隨著鉆孔的加深，其鉆進效率優(yōu)于XY-8型鉆機、阿特拉斯CS4002型鉆機。能耗方面在同等施工條件下，該鉆機的變頻驅動的能耗低于XY-8型鉆機，降低了施工成本。

表2 不同型號鉆機孔深比較

圖10 能耗比較

5 結論和建議

(1)在此次施工過程中事故為零。

(2)XD-30DB型鉆機具有長距離行程，遇破碎地層下鉆受阻的情況下，可以長距離正劃眼、倒劃眼，操作靈活，處理事故平穩(wěn)。

(3)泵量參數(shù)是根據(jù)沖洗液泵變頻電機的轉速來轉化的，但在實際工作過程中，沖洗液泵的泵量與活塞、吸水龍頭上水情況有很大關系，顯示數(shù)值有誤差。在施工過程水量過低會加速鉆探的消耗；水泥封孔時，計算送水量偏差，達不到預期封孔效果。

(4)稱重傳感器在高溫條件下產生氣體，稱重數(shù)據(jù)誤差較大，影響對孔底受力的判斷。

(5)鉆孔出現(xiàn)掉塊卡鉆，鉆進過程頂驅擺動明顯，缺少穩(wěn)定裝置。

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