一種新型坑道水平繩索取芯鉆具的設(shè)計(jì)

彭得利

（天津華北地質(zhì)勘查局核工業(yè)二四七大隊(duì)，天津 301800）

目前坑道水平鉆具普遍存在投送效率低、不易提鉆等共性問題，因此研制出一種坑道水平孔繩索取芯的新型鉆具?，F(xiàn)場試驗(yàn)證明，該鉆具成功解決了坑道鉆具普遍存在的投送效率低、不易提鉆、內(nèi)管到位無法確定等問題，大大提高了工作效率，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

1 該新型坑道繩索取芯鉆具由外管總成和內(nèi)管總成組成

（1）外管總成由扶正器、彈卡室、座環(huán)、外管、內(nèi)管扶正器、下擴(kuò)孔器和鉆頭組成，并直接與鉆桿相連，通過鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)施工。

（2）內(nèi)管總成由絞鏈?zhǔn)矫^機(jī)構(gòu)、彈卡定位機(jī)構(gòu)、泵送機(jī)構(gòu)、到位報(bào)信機(jī)構(gòu)、巖心堵塞報(bào)警機(jī)構(gòu)、單動(dòng)機(jī)構(gòu)、內(nèi)管保護(hù)機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、內(nèi)管、卡簧擋圈、卡簧、卡簧座組成。（圖1）。

圖1 內(nèi)管總成

鉸鏈?zhǔn)矫^機(jī)構(gòu)：為了防止提取出來的內(nèi)管總成卸巖心過程中從打撈器中脫落，造成鉆具損傷甚至人員傷亡等事故，設(shè)計(jì)了鉸鏈?zhǔn)矫^機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)撈矛頭可在其轉(zhuǎn)動(dòng)平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)180°，可有效避免撈矛頭從打撈器中脫出，同時(shí)具有自動(dòng)回位的功能，避免由于撈矛頭在孔內(nèi)出現(xiàn)歪斜，而不能打撈的問題發(fā)生，有效提高打撈成功率。

彈卡定位機(jī)構(gòu)：它是由扶正器、彈卡鉗、彈卡彈簧、彈卡室等零件組成。當(dāng)內(nèi)管總成在鉆桿柱內(nèi)下降時(shí)，彈卡彈簧使彈卡鉗向外張開一定角度，并沿鉆桿內(nèi)壁向下滑動(dòng)。當(dāng)內(nèi)管總成到達(dá)外管總成中的彈卡室部位時(shí)，彈卡鉗在彈卡彈簧的作用下繼續(xù)向外張開，使兩翼貼附在彈卡室的內(nèi)壁上。由于彈卡室內(nèi)徑較大，而其上端的彈卡擋頭內(nèi)徑較小，所以在鉆進(jìn)過程中可防止內(nèi)管總成上串，達(dá)到定位作用。

目前鉆具都是通過提拉外部的回收管，利用回收管向上的提升力，使彈卡鉗收回，但是一旦下部巖心將彈卡鉗與彈卡擋頭頂死，該機(jī)構(gòu)就很難進(jìn)行提升，極有可能造成內(nèi)管總成不能順利拉出。為了避免鉆進(jìn)過程中，由于巖心的作用導(dǎo)致彈卡鉗卡死，而造成的提鉆困難的問題，設(shè)計(jì)了新型彈卡機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)將提升力直接作用于彈卡鉗上，有效的避免了因?yàn)閺椏ㄋ蓝荒芴徙@的問題。（圖2）。

圖2 彈卡機(jī)構(gòu)

泵送機(jī)構(gòu)：由彈卡架連接體、泵送閥片、調(diào)整墊片、懸掛環(huán)壓蓋及泵送閥堵組成，在進(jìn)行水平鉆孔施工時(shí)，一般采用外徑為70.1mm，內(nèi)徑為60mm的鉆桿進(jìn)行施工，根據(jù)流量計(jì)算公式，當(dāng)流量一定時(shí)，截面積越小流速越大，同時(shí)又不能將鉆桿內(nèi)孔完全封死而造成泵壓過大，所以采用外徑為59mm的泵送閥片，這樣既能保證流速，確保內(nèi)管總成能夠快速到達(dá)孔底，同時(shí)又不會造成因?yàn)楸脡哼^大，而損壞泥漿泵，同時(shí)泵送閥片采用可擠壓的新型聚氨酯材料，在使用過程中，可根據(jù)泵送閥片的磨損情況，調(diào)節(jié)彈卡架連接體與懸掛環(huán)壓蓋之間的間隙，從而擠壓泵送閥片，使泵送閥片的外徑進(jìn)一步的膨脹，從而確保內(nèi)管總成能夠保持穩(wěn)定的投送效率。

圖3 到位報(bào)警機(jī)構(gòu)

到位報(bào)信機(jī)構(gòu)：目前國內(nèi)部分鉆具具備到位報(bào)信機(jī)構(gòu)，但是因?yàn)椴僮鬟^于麻煩，所以在實(shí)際施工中，有經(jīng)驗(yàn)的鉆探班長基本都自行拆除該機(jī)構(gòu)，并且完全憑借以往的經(jīng)驗(yàn)來判斷內(nèi)管總成是否到位，雖然也能夠順利的完成繩索取芯，但是由于水平鉆孔是通過水泵將內(nèi)管總成送到相應(yīng)位置，所以很難通過以往的經(jīng)驗(yàn)判斷內(nèi)管總成是否到位，當(dāng)前部分鉆探班長主要是通過增加泵送時(shí)間，來確保內(nèi)管總成到位，即增加了輔助時(shí)間，又降低了效率。

此次改進(jìn)的到位報(bào)信機(jī)構(gòu)，是通過在提拉內(nèi)管總成時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位，同時(shí)到位后泵壓信號更明顯，為操作人員判斷內(nèi)管總成是否到位提供了重要依據(jù)，該機(jī)該構(gòu)由泵送機(jī)構(gòu)里的閥堵和閥套等零件組成。當(dāng)內(nèi)管總成在鉆桿柱內(nèi)由沖洗液壓送時(shí)，閥堵在關(guān)閉位置，泵送閥片堵住沖洗液，在沖洗液壓力下迫使內(nèi)管到達(dá)外管中的預(yù)定位置，內(nèi)管總成的懸掛環(huán)座落在外管中的座環(huán)上，把沖洗液的通道完全堵塞，此時(shí)彈卡鉗進(jìn)入彈卡室并張開，閥堵在回收管及沖洗液的雙重作用下向下滑出閥圈，水路通道打開。在實(shí)際使用中，鉆具到位后，水泵泵壓在瞬間增大后回歸正常泵壓，這一信號，可有效反應(yīng)鉆具已經(jīng)到位，避免了因內(nèi)管總成不到位而造成的巖心無法提取的問題。（圖3）。

巖心堵塞報(bào)警機(jī)構(gòu)：該機(jī)構(gòu)由內(nèi)管帽、芯軸、壓縮彈簧、報(bào)警閥片等零件組成。鉆進(jìn)過程中，當(dāng)發(fā)生巖(礦)心堵塞或巖(礦)心裝滿內(nèi)管時(shí)，巖(礦)心對內(nèi)管產(chǎn)生的頂推力壓縮彈簧，使內(nèi)管帽向上移動(dòng)壓縮報(bào)警發(fā)片，將水路堵塞，從而造成泵壓升高，告誡操作者應(yīng)停止鉆進(jìn)、撈取巖心。

內(nèi)管保護(hù)機(jī)構(gòu)：它是由軸承座、壓縮彈簧等件組成，又稱緩沖機(jī)構(gòu)。切斷巖芯是通過提升鉆桿來實(shí)現(xiàn)的。采取巖心時(shí)，拔斷巖心的力使軸承座壓縮彈簧向下移動(dòng)，內(nèi)管及卡簧座隨之下移至鉆頭臺階上，從而拔斷巖心的力由鉆頭傳遞到外管，以保護(hù)內(nèi)管不受損壞。

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)：由調(diào)節(jié)螺母、芯軸等組成此機(jī)構(gòu)。內(nèi)外管組裝在一起時(shí)，如果卡簧座與鉆頭內(nèi)臺階之間的間隙不合適，則可以通過調(diào)節(jié)芯軸的相互移動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足要求后，用調(diào)節(jié)螺母鎖緊，以防松動(dòng)。

2 新型坑道水平繩索取芯鉆具的使用

①施工錢前配備相關(guān)的附屬工具，如250泥漿泵、水平鉆進(jìn)專用水接頭、絞車、鉆具打撈器等。②安裝外管總成，根據(jù)組裝圖，將絲扣連接部位緊固到位，同時(shí)將外管總成內(nèi)的座環(huán)以及懸掛環(huán)安裝到正確位置。③安裝內(nèi)管總成，檢查內(nèi)管總成上部的軸承是否轉(zhuǎn)動(dòng)靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，然后將內(nèi)管與上部總成連接，并安裝卡簧座、卡簧擋圈、卡簧。④在鉆進(jìn)開始前將內(nèi)管總成放入鉆桿內(nèi)，打開水泵，觀察水泵泵壓儀表，當(dāng)儀表指針突然增大后又返回原位，說明鉆具總成到位報(bào)警機(jī)構(gòu)已經(jīng)打開，鉆具已經(jīng)到達(dá)相應(yīng)位置，可以開始正常鉆進(jìn)。⑤當(dāng)完成單桿進(jìn)尺后，開始投送打撈器，通過水泵將打撈器送到相應(yīng)位置，并確保打撈器與內(nèi)管總成相連，然后通過絞車將內(nèi)管總成拉出，完成一次繩索取芯。

3 實(shí)驗(yàn)效果

為了驗(yàn)證該套鉆具的性能，在招金集團(tuán)棗子溝金礦進(jìn)行了實(shí)地試驗(yàn)，甲方要求完成進(jìn)水平孔一個(gè)，設(shè)計(jì)孔深為400m，設(shè)計(jì)孔徑為75mm，取芯率要求90%。施工中首先采用單管鉆進(jìn)行開孔，施工深度為5m，隨后采用新型繩索取芯鉆具進(jìn)行取芯，在孔深達(dá)到100m時(shí)，經(jīng)過現(xiàn)場記錄內(nèi)管總成投送時(shí)間為3分鐘～5分鐘即可送到，同時(shí)在內(nèi)管總成到位后，泥漿泵泵壓瞬間提升到4Mpa后，立即回歸正常，隨即判斷內(nèi)管總成已經(jīng)到位，開始正常鉆進(jìn)，并順利提取出巖心，在提取巖心的過程中并沒有出現(xiàn)因?yàn)閺椏ㄣQ與彈卡擋頭頂死而出現(xiàn)的不易提鉆的問題，在施工孔深達(dá)到110m時(shí)，投送速度下降，分析原因確定為，因?yàn)槟p泵送閥片的外徑減小，造成投送速度減慢，提鉆后對泵送閥片進(jìn)行壓緊調(diào)節(jié)，將泵送閥片的外徑調(diào)節(jié)至59mm，再次投送時(shí)，投送速度回歸正常，在孔深施工深度達(dá)到200時(shí)，對泵送閥片進(jìn)行了更換，投送到孔底的時(shí)間為6分鐘～11分鐘，投送效率較高，該孔終孔深度為405m，取芯率達(dá)到了92%，成功完成了預(yù)定孔深400m，取芯率90%的目標(biāo)，同時(shí)整體施工時(shí)間為8天，通過試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了新型坑道水平鉆具的施工效率較高，并且有效解決了泵送效率低、鉆具不易提取、內(nèi)管總成到位不確定等問題，并成功實(shí)現(xiàn)了2500m水平進(jìn)尺。