巖心鉆機長行程的探索與應用

盧春陽,李明星,歐喜生,王魯朝,陳衡,何秋明

(1.衡陽中地裝備探礦工程機械有限公司,湖南衡陽 421002;2.山東省地質礦產勘查開發(fā)局第三地質大隊,山東煙臺 264000)

0 引言

立軸式巖心鉆機是目前我國地質鉆探工程中應用最廣泛的裝備,型號從XY-1到XY-9DB,鉆孔深度不斷提高,鉆機性能也不斷提升[1]。無論哪種型號的立軸式鉆機,其主要功能都是帶動鉆具向地層深部鉆進。有許多專家學者對立軸式巖心鉆機進行了研究和改進[2-6],使巖心鉆機系列化產品的性能和功能都不斷升級。

鉆機性能直接影響鉆探工程的效率、質量、成本及施工安全等,因此提高鉆機性能,增加純鉆進時間占比,可以一定程度上提高鉆探質量和效率。為了提高鉆探施工效率,本文采用加長巖心鉆機給進機構的行程,同時也增加取心長度的方法,可有效減少一個鉆進回次的倒桿次數(shù),防止巖心堵塞,提高巖心采取率和鉆進工作效率。

1 常見的給進機構

鉆機給進機構主要有測量鉆具重量、起拔鉆桿、加減壓、調節(jié)給進速度等功能。

1.1 立軸式巖心鉆機給進

立軸式巖心鉆機的給進裝置是與回轉器緊密結合成為一體,如圖1所示,它由回轉箱體、液壓卡盤、橫梁、立軸、給進液壓缸等部件組成?；剞D箱體兩側對稱安裝了兩個給進液壓缸,液壓缸體固定在箱體上,活塞桿與橫梁固定,液壓卡盤夾持鉆桿。當給進液壓缸的活塞和活塞桿在液壓驅動力下做上下運動時,通過橫梁帶動液壓卡盤和立軸也做上下運動,從而帶動鉆桿運動,向下為鉆進,向上為提出,可以實現(xiàn)鉆機的給進、倒桿或提升等動作。

圖1 立軸式巖心鉆機給進Fig.1 The feeding of spindle core drilling machine

1.2 全液壓鉆機給進

全液壓鉆機是指鉆機的回轉、給進以及升降鉆具等機構均用液壓驅動,帶可移動回轉器的鉆機。大多數(shù)全液壓鉆機采用液壓缸給進機構或液壓缸—鏈條給進機構[7]。

圖2是單液壓缸給進示意圖,給進液壓缸的缸筒倒裝在給進滑板的中心,動力頭通過箱體與給進滑板固定,給進液壓缸的活塞桿軸向被固定在鉆塔的下部。當壓力油通入給進液壓缸時,使得液壓缸筒帶動給進滑板和動力頭在鉆塔滑架上作向上或向下運動,帶動鉆桿給進、倒桿或提升,并實現(xiàn)加減壓給進。

圖2 全液壓鉆機液壓缸給進Fig.2 Cylinder feeding of full hydraulic drill

圖3是液壓缸—鏈條給進示意圖,給進液壓缸通過兩組動滑輪和上下兩個定滑輪,分別帶動上下兩根鏈條,移動式動力頭固定在上下兩根鏈條上。當給進液壓缸作往復運動時,拉動鏈條使動力頭向上或向下運動,帶動鉆桿給進、倒桿或提升,并實現(xiàn)加減壓給進。

圖3 全液壓鉆機液壓缸—鏈條給進Fig.3 Cylinder-chain feeding of full hydraulic drill

1.3 頂驅鉆機給進

頂驅鉆機的頂驅裝置直接從井架空間上部旋轉鉆具,以升降機控制動力頭和鉆桿給進和提升[8]。圖4是頂驅鉆機給進的示意圖,鉆桿通過頂驅與鋼絲繩和升降機相連,控制升降機的轉動方向,使頂驅向上或向下運動,實現(xiàn)鉆桿給進、倒桿或提升和減壓給進。

圖4 頂驅鉆機給進Fig.4 Feeding of top drive drill

綜合以上幾種鉆機給進方式,立軸鉆機給進行程因受制于立軸和給進液壓缸行程的限制,上下運動距離有限,向上運動距離過大會使回轉器的穩(wěn)定性變差,立軸跳動大。給進行程一般控制在400～600 mm之間。因給進行程短,倒桿次數(shù)多,在鉆進時需要頻繁地反復松緊卡盤對主動鉆桿倒桿,影響鉆進效率,增加了倒桿輔助時間。全液壓鉆機和頂驅鉆機采用移動式動力頭與長行程軌道,可提供超長行程給進、掃孔等鉆探工藝要求,給進行程一般都達到2500～3500 mm,但由于鉆機售價昂貴,投入成本高,配套要求較高,對操作人員和維護人員的要求也高,因此普及率較低。

2 巖心鉆機長行程給進的探索

目前立軸式巖心鉆機應用廣泛,經(jīng)過長期的實踐積累和不斷發(fā)展,它的優(yōu)點主要有結構成熟,性能穩(wěn)定,可靠性高,維護、保養(yǎng)及使用均相對簡單。施工單位對于立軸式巖心鉆機熟悉程度和接受程度相對較高,能較快處理現(xiàn)場設備故障,因此立軸式巖心鉆機在市場仍具有強大的生命力。

隨著鉆探工藝的進步,施工單位對立軸式巖心鉆機提出了更高的要求,衡陽中地裝備探礦工程機械有限公司(下文簡稱“我公司”)在提高產品質量,完善立軸式巖心鉆機的機構,擴大其使用范圍等方面不斷改進優(yōu)化,成功研制出一款以履帶底盤為載體,塔機一體式,帶導向塔長行程給進鉆機,并根據(jù)客戶要求對立軸式巖心鉆機進行了智能化改造提升。

為解決傳統(tǒng)立軸式巖心鉆機給進行程短、倒桿次數(shù)操作頻繁等缺點,我公司開發(fā)了XY-6DH型帶導向鉆塔的長行程給進巖心鉆機,如圖5所示。XY-6DH型鉆機是在XY-6型鉆機的基礎上進行改進提升,主要增加了長行程導向鉆塔、動力頭箱、傳動軸和長行程給進液壓缸等。

圖5 帶導向鉆塔長行程給進鉆機Fig.5 Long-stroke feeding drill with guided drilling tower

XY-6DH型鉆機的主要工作原理是由電動機動力從變速箱經(jīng)過分動箱到回轉箱體,回轉箱體將轉速和扭矩傳遞給傳動軸,再通過動力頭箱中的齒輪傳遞給鉆桿。給進液壓缸的缸體安裝在導向鉆塔底部,活塞桿與動力頭箱體相聯(lián),當給進液壓缸工作,活塞桿伸出,動力頭箱向上運動;活塞桿縮進,動力頭箱向下運動,從而帶動鉆桿升降,實現(xiàn)加減壓給進,鉆機給進行程達到了3500 mm。

鉆機導向鉆塔高5700 mm,由28號型鋼組成,前后兩側面設有導向面板,以保證動力頭箱上下運動的平穩(wěn)和順利。導向鉆塔利用鉆塔撐桿與鉆機機架形成三角形連接,增加了導向鉆塔的穩(wěn)定性。長行程導向鉆塔如圖6所示。

圖6 長行程導向鉆塔Fig.6 Long-stroke guided drilling tower

動力頭箱安裝在導向鉆塔中間位置,箱體上裝有導向滑輪,分布在導向鉆塔前后的導向面板上,可以起到動力頭箱在旋轉時的反扭和上下運動時的導向等作用。動力頭箱內部設有齒輪傳動組,為改善箱體齒輪和軸承的潤滑,設計了獨立的潤滑系統(tǒng)。

傳動軸是一根長5000 mm經(jīng)改制的六方主動鉆桿,用于傳遞轉速和扭矩,并輔助動力頭箱的導向。上端有傳動軸承座與導向鉆塔相聯(lián),以保證傳動軸的穩(wěn)定性。

為節(jié)省安裝空間,給進液壓缸采用兩根伸縮式套筒二級缸組成,起到升降鉆桿和加減壓鉆進作用。為縮短倒桿時間,提高鉆進效率,液壓系統(tǒng)采用雙液壓泵合流技術,有效提高了倒桿速度。

帶導向鉆塔的長行程給進巖心鉆機不但具有立軸鉆機的結構成熟、性能穩(wěn)定可靠、性價比高、操作簡單、易于維護等優(yōu)點,同時具有長行程給進鉆機的優(yōu)勢,動力箱體給進行程大幅度提升,倒桿次數(shù)明顯減少,縮短了輔助時間,提高了純鉆進時間,工作效率明顯提高。該巖心鉆機的研制是結合了市場需要和客戶需求,不斷地優(yōu)化完善,豐富了巖心鉆機的結構形式和功能,是對傳統(tǒng)巖心鉆機改造升級、功能提升的又一次嘗試,是一次巖心鉆機發(fā)展思路的新探索。

3 結語

在鉆機試驗臺上對XY-6DH 型鉆機進行的加載試驗(圖7)表明,鉆機的各項參數(shù)都達到了設計標準,導向鉆塔穩(wěn)定可靠,動力頭箱的給進行程和倒桿速度均達到設計要求。

圖7 鉆機加載試驗Fig.7 Loading test of drilling machine

隨著廣大地質工作者對鉆探技術和鉆探工藝的不斷追求、不斷探索、不斷創(chuàng)新,鉆探設備將向專業(yè)化、現(xiàn)代化、智能化方向發(fā)展,有力支撐新一輪找礦突破戰(zhàn)略行動。