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        鈷結殼基巖的旋轉-沖擊鉆進試驗研究

        2014-07-11 05:54:32李池佳甘海仁
        鑿巖機械氣動工具 2014年3期
        關鍵詞:鉆速結殼基巖

        李池佳,甘海仁,呂 闖

        (長沙礦冶研究院有限責任公司,湖南 長沙 410012)

        0 引言

        海洋富含各種礦產資源, 鈷結殼賦存在水深500-4000m 的海山、島嶼斜坡上,富含鈷、鉑、鎳、錳、銅、鐵、磷、鈦、鋅、鉛等金屬,鈷的平均含量最高,品位高達0.8%-1.2%,最高可達到2%,是多金屬結核中鈷含量的4 倍, 比陸地原生礦高幾十倍,鉑平均含量高于陸地相應礦床的80 倍[1-2]。 這些礦石存在于深海這一極其復雜的環(huán)境之中,若要開采,則海底破碎作業(yè)設備的動力要通過幾千米電纜傳輸,其傳遞功率受到嚴格的限制,故海底破碎設備應具有最高的效率和最節(jié)約的功率。根據以前的對巖石破碎方式的理論研究和試驗證明:旋轉-沖擊鉆進的破碎方式相對于單獨的沖擊、旋轉鉆進破碎具有高效性,且能減少切削刀具所受的作用力和提高切削刀具壽命[3],而對于鈷結殼基巖鉆進破碎方式, 目前國內外研究比較少。本文用旋轉、 沖擊、 旋轉-沖擊三種鉆進破碎方法, 對鈷結殼基巖模擬料進行探索性的鉆進試驗,得出了鈷結殼基巖在給定試驗條件下的鑿巖速度v 和破碎比功, 并對旋轉-沖擊鉆進中旋轉和沖擊功率匹配進行了初步分析,為鈷結殼基巖鉆進方式選擇和設備設計提供依據。

        1 巖石鉆進破巖原理

        巖石鉆進是一種機械破巖方式,廣泛應用于地質、石油、礦山和各種土石方工程,形成巖孔,進行勘探、采油和后續(xù)爆破作業(yè)[4]。其工作原理均是通過鉆頭對巖石進行軸向和切向侵入(加載),使巖石產生裂紋、擴展和破碎,并伴隨著推進和旋轉,形成鉆孔[5]。 巖石鉆進一般有三種鉆進方式:

        (1)旋轉鉆進:用鉆頭切削破碎巖石。適用于軟巖,如錨桿鉆機。

        (2)沖擊鉆進:主要由鉆頭沖擊破碎巖石,鉆頭轉動只起變位作用,如小型鑿巖機。

        (3)旋轉-沖擊鉆進:主要是指在沖擊鉆進的基礎上, 給鉆具施加較大的軸壓力和旋轉扭矩,在沖擊和旋轉剪切的共同作用下, 破碎巖石,鉆進成孔。鉆頭對巖石同時作用切向的旋轉切削力和軸向的沖擊力這兩種載荷,和單一的旋轉鉆進相比,它具有適應硬巖鉆進特色;同時,其鉆進效率又遠高于一般的沖擊鉆進[6-7]。

        2 試驗裝置和方法

        為研究鈷結殼基巖鉆進破碎特性,研制了專用旋轉-沖擊鉆孔破碎器, 建立了鈷結殼基巖鉆進模擬試驗系統(tǒng)。

        2.1 旋轉-沖擊鉆孔破碎器

        圖1 旋轉-沖擊鉆孔破碎器

        旋轉-沖擊鉆孔破碎器見圖1, 主要由沖擊部分和旋轉部分構成,由液壓油驅動。 在沖擊機構中,由液壓油驅動沖擊活塞1 往復運動,對釬尾實施沖擊;旋轉機構由液壓馬達3 通過齒輪副減速,帶動釬桿旋轉。

        2.2 鈷結殼基巖鉆進試驗系統(tǒng)

        海底巖石破碎試驗系統(tǒng)由立式臺架、旋轉沖擊破碎器,推進機構、測試儀表和試驗箱體幾大部分組成,在試驗箱體中旋轉巖石試樣并充注海水,以模擬海底鈷結殼的環(huán)境條件,如圖2 所示。

        旋轉-沖擊鉆孔破碎器12 固結于推進導軌15 上,巖石試樣2 固定于臺架3 下部,由推進缸13 實施推進,對巖石進行鉆孔;在旋轉、沖擊和推進回路上分別設置壓力傳感器10, 檢測三個回路工作時的實時壓力,在釬桿側邊安置有轉速傳感器16 檢測釬桿旋轉轉速, 四個傳感器的信號經放大器7 濾波、放大,接入存儲示波器6 和計算機5 顯示記錄。

        2.3 巖石試件物理性能參數

        本試驗用的巖石是鈷結殼基巖的模擬巖料。根據來自我國富鈷結殼調查區(qū)內的拖網樣品力學性能的測量數據,由長沙礦冶研究院制作鈷結殼基巖的模擬巖料。模擬巖料物理力學性能參數如表1 所示。其單軸抗壓強度與中等硬度煤巖相似[8]。

        圖2 鈷結殼基巖鉆進破碎試驗系統(tǒng)

        表1 模擬巖料物理力學性能參數

        2.4 試驗參數的測量和計算

        試驗直接測量得出的參數如表2 所示。

        試驗除要測量表2 的參數外,還需要在立式沖擊能試驗臺和扭矩測量儀上對旋轉-沖擊鉆孔器進行標定試驗,得出不同沖擊壓力的沖擊能E和沖擊頻率f; 對應不同旋轉進油壓力和流量的旋轉扭矩 T,從而計算出沖擊功率(Np=E·f)、旋轉功率(Nr=T·m/9.55)、破碎比功(a=t(Np+Nr)×103÷0.785d2·h)。

        表2 試驗測量的參數

        3 試驗結果及分析

        試驗分三組,按不同的鉆進方式進行,推力從小到大逐漸改變,以獲取最優(yōu)軸推力和最高鉆速。 試驗用的鉆頭是同一個鉆頭,且所有試驗都是在同一塊模擬料中進行。圖3 為示波器記錄得出的轉速、旋轉壓力、沖擊壓力、推進力的信號曲線。

        圖3 中曲線從上而下分別為轉速(CH4)、旋轉壓力 (CH1)、 沖擊壓力 (CH2)、 推進力(CH3)。

        圖3 鉆孔試驗的示波器記錄圖

        3.1 旋轉鉆進

        表3 旋轉鉆進

        從表3 中數據可以看出:推進壓力選取在2左右比較適合,如果推進力增加過大時,鉆進速度會反而下降;旋轉壓力對鉆進速度的影響很明顯。

        3.2 沖擊鉆進

        因為沖擊鉆進試驗需要鉆頭變位形成鉆孔,所以試驗時亦施加了較小的旋轉壓力,轉速保持在100 r/min 左右。 表4 試驗數據表明,沖擊壓力和功率增大,鉆進速度會增大,同時破碎比功亦相應增大。

        表4 沖擊鉆進

        表5 旋轉-沖擊鉆進試驗

        3.3 旋轉-沖擊鉆進

        從表5 中可以看出, 旋轉-沖擊鉆進較之單一的旋轉或沖擊鉆進,具有最高的鉆速,其鉆速和比功不僅取決于旋轉和沖擊功率,且和它們之間的匹配(旋/沖功率比)相關,在最適宜的匹配具有最大鉆速和最小的比功。圖4 給出了鉆速和比功隨旋/沖功率比r 的變化關系。

        圖5 給出了三種鉆進方式鉆速和比能的分布。

        4 結語

        對目前鈷結殼基巖模擬材料的鉆進試驗表明:

        圖4 鉆速和比功隨旋/沖功率比r 的變化關系

        圖5 三種鉆孔方式的鉆速-比能分布

        (1) 旋轉-沖擊鉆進較之單一的旋轉和沖擊鉆進具有最高的鉆速和最小的破碎比功,是鈷結殼基巖鉆進方式的優(yōu)先選擇。

        (2)在相近工作參數條件下,得出的旋轉鉆進最高鉆速,沖擊鉆進最高鉆速,旋轉-沖擊鉆進最高鉆速為旋轉和沖擊最高鉆速的1.21 倍,這說明旋轉-沖擊鉆進不是旋轉和沖擊鉆進兩者的簡單的線性疊加,存在非線性交互影響,二者具有相互促進作用。

        (3)旋轉-沖擊鉆進因需要切削破碎巖石,亦需和旋轉鉆進相等的較大推力, 在本實驗條件下,試驗中適用推力為2.75 kN。

        (4)旋轉-沖擊鉆進要求旋轉/沖擊功率的合理匹配,對目前較軟的鈷結殼基巖而言,其最佳旋/沖功率比約為3。

        [1]朱堅真.海洋資源經濟學[M].廣東:經濟科學出版社,2007.7.

        [2]陽寧,王英杰.海底礦產資源開采技術研究動態(tài)及前景分析[J].Minning Equipment,2012,1.

        [3]羅橋英.采用沖擊旋轉鉆進提高總體經濟效益[J].江蘇地質,1988.

        [4]袁新梅,孫起昱,王愛芳,等.旋沖鉆井技術及裝備的發(fā)展現狀和展望[J].石油礦場機械,2007,36(3):7-10.

        [5]徐小荷,余靜.巖石破碎學[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1984.

        [6]朱海燕,劉清友等. 沖旋鉆井條件下的巖石破碎機理[J].應用基礎與工程科學學報,2012,20(8).

        [7]楊甘生.沖擊回轉碎巖機理探討[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程),2013,40(2).

        [8]邱長軍.鈷結殼和基巖的特性與模擬研究[D].長沙:中南大學,2002.

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