張榮，劉濤

(1.連云港黃海機(jī)械股份有限公司，江蘇 連云港 222000； 2.中國(guó)人民解放軍68612部隊(duì)，寧夏 銀川 750021)

深孔鉆探配套鉆機(jī)及其應(yīng)用

張榮1，劉濤2

(1.連云港黃海機(jī)械股份有限公司，江蘇 連云港 222000； 2.中國(guó)人民解放軍68612部隊(duì)，寧夏 銀川 750021)

根據(jù)我國(guó)深部找礦要求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了幾種新型深孔巖心勘探技術(shù)裝備，主要適用于地質(zhì)、冶金、煤炭、水文、工程等行業(yè)，以金剛石和硬質(zhì)合金鉆進(jìn)為主的鉆探施工，也適用于工程地質(zhì)勘探、地質(zhì)科探特殊孔勘探，淺、中層石油和天然氣開(kāi)采、礦山坑道通風(fēng)、排水、水文水井鉆進(jìn)以及大口徑基礎(chǔ)樁工程施工等。本文主要介紹了幾種鉆機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)、主要參數(shù)、以及應(yīng)用情況。

深孔；鉆探；立軸式；巖心鉆機(jī)；應(yīng)用

0 引言

隨著淺層礦藏的枯竭，向地球深處勘探資源成為地質(zhì)勘探的趨勢(shì)，鉆探工藝所要求的深度在不斷的加深，鉆探設(shè)備的性能也在相應(yīng)的提高，鉆機(jī)的鉆進(jìn)深度也在不斷調(diào)整。近年來(lái),我公司自主設(shè)計(jì)并制造的幾種立軸式巖心鉆機(jī)，可滿(mǎn)足2000m以上深層巖心鉆進(jìn)的需要，其孔徑大，結(jié)構(gòu)合理，性能廣泛，可靠性強(qiáng)，標(biāo)準(zhǔn)化通用化程度高，使用范圍廣，廣泛用于以合金、金剛石為主進(jìn)行巖心鉆探，也可用于工程地質(zhì)勘察、水文水井鉆進(jìn)，淺層石油和天然氣開(kāi)采、礦山坑道通風(fēng)、排水以及大口徑基礎(chǔ)工程施工,滿(mǎn)足了深孔的鉆探工藝需要。

深孔的鉆探工藝要求對(duì)鉆機(jī)的性能提出了較高的要求。首先，要有較高的提升力，其卷?yè)P(yáng)機(jī)單繩最大提升力在130kN以上；立軸最大提升力在300kN以上；其次，需要大扭矩，立軸低速最大扭矩在9440N·m以上，同時(shí)轉(zhuǎn)速要有多擋變化(一般十級(jí))，對(duì)孔內(nèi)變化的適應(yīng)性更高；最后要使用方便，能夠及時(shí)的對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行各種調(diào)整，以應(yīng)對(duì)孔內(nèi)復(fù)雜的情況。

下面分別介紹我公司深孔用立軸巖心鉆機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)和主要應(yīng)用領(lǐng)域。

1 技術(shù)特點(diǎn)

1.1 HXY-8型巖心鉆機(jī)

HXY-8型鉆機(jī)是為滿(mǎn)足用戶(hù)的迫切要求在嚴(yán)格貫徹執(zhí)行國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)而成的一種大孔徑的深孔巖心鉆機(jī)。

主要具有以下特點(diǎn)：

(1)鉆機(jī)具有10級(jí)轉(zhuǎn)速級(jí)別。

(2)設(shè)計(jì)功率大。采用東風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)變速器和離合器，換擋輕巧、容易，噪音低，配件易購(gòu)，維護(hù)方便。

(3)采用腳踩式離合操縱裝置，具有操控輕便，可靠性高等特點(diǎn)。

(4)立軸通徑大，雙油缸給進(jìn)，行程長(zhǎng)。

(5)卡盤(pán)夾持力大，鉆機(jī)采用雙聯(lián)齒輪油泵組合供油，適應(yīng)多種鉆進(jìn)工藝，有利于提高鉆進(jìn)效率。

(6)卷?yè)P(yáng)機(jī)橫置設(shè)計(jì)，方便排繩，提升力大，并配有防振儀表。

(7)具有加壓、減壓鉆進(jìn)和稱(chēng)重的功能。

HXY-8型巖心鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)參見(jiàn)表1。

1.2 HXY-8B型巖心鉆機(jī)

該鉆機(jī)以HXY-8型鉆機(jī)為原型，配備大通徑轉(zhuǎn)盤(pán)，可實(shí)現(xiàn)深孔大扭矩傳動(dòng)。該轉(zhuǎn)盤(pán)還配有與石油鉆卡瓦、鉆鋌相通用的半傳扭套，可直接使用三片式或多片式卡瓦。該機(jī)型大部分零部件與HXY-8機(jī)型通用，壽命長(zhǎng)且配件更換方便，既可以滿(mǎn)足常規(guī)鉆探需要，又可以使用轉(zhuǎn)盤(pán)，進(jìn)行大通徑的鉆探。其他技術(shù)特點(diǎn)與HXY-8型鉆機(jī)相同，主要技術(shù)參數(shù)參見(jiàn)表2。

表1 HXY-8型鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

表2 HXY-8B型鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

1.3 HXY-9型巖心鉆機(jī)

該鉆機(jī)為滿(mǎn)足更深層鉆探需要，突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思維，通過(guò)機(jī)、液、氣的組合使用，擴(kuò)寬了產(chǎn)品的實(shí)用性，提高了產(chǎn)品的可靠性。鉆機(jī)既適合以合金、金剛石巖心鉆進(jìn)，也可用于工程地質(zhì)勘察、水文水井鉆進(jìn)、基礎(chǔ)樁工程施工，可拆性強(qiáng)。全機(jī)可分解成多個(gè)整體部件，便于運(yùn)輸和搬遷，適用于多種復(fù)雜環(huán)境下工作。

圖1 HXY-9型巖心鉆機(jī)

主要具有以下特點(diǎn)：

(1)鉆機(jī)具有較多的轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)和合理的轉(zhuǎn)速范圍，在鉆進(jìn)時(shí)選擇速度更合理，更符合鉆探工藝的要求。

(2)設(shè)計(jì)功率大，采用法士特車(chē)用離合器及變速箱，扭矩大，操縱輕巧，維護(hù)方便。

(3)立軸低速扭矩大，立軸通徑大，雙油缸給進(jìn)，卡盤(pán)采用大碟簧卡緊、液壓松開(kāi)、三卡瓦自動(dòng)定心式卡盤(pán)，夾持力大，雙液壓卡盤(pán)。

(4)采用雙聯(lián)齒輪油泵組合供油，適應(yīng)多種鉆進(jìn)工藝，有利于提高鉆進(jìn)效率。

(5)卷?yè)P(yáng)機(jī)橫置設(shè)計(jì)，方便排繩，提升力大，并配有防振儀表。卷?yè)P(yáng)機(jī)操作機(jī)構(gòu)采用杠桿氣動(dòng)制動(dòng)與杠桿手動(dòng)剎車(chē)相結(jié)合，提升靠快速氣動(dòng)制動(dòng)，剎車(chē)靠杠桿手動(dòng)制動(dòng)。

(6)具有加壓、減壓鉆進(jìn)和稱(chēng)重的功能。

(7)卷?yè)P(yáng)機(jī)裝有水剎車(chē)裝置，水剎車(chē)上設(shè)有排水閥，控制水量流出的大小，可使水剎車(chē)產(chǎn)生不同的制動(dòng)力矩，控制卷?yè)P(yáng)機(jī)的急速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而調(diào)節(jié)鉆具下降的速度，使下鉆平穩(wěn)安全，防止事故的發(fā)生，并延長(zhǎng)剎車(chē)帶的壽命。

(8)壓梁采用一級(jí)軸承油循環(huán)潤(rùn)滑，具有潤(rùn)滑效果好、增加軸承壽命、散熱快等優(yōu)點(diǎn)。

(9)采用腳踩式離合操縱裝置，具有操控輕便，可靠性高等特點(diǎn)。

HXY-9型巖心鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)參見(jiàn)表3。

1.4 HXY-9B型巖心鉆機(jī)

該鉆機(jī)以HXY-9型鉆機(jī)為原型，在深孔或大口徑鉆進(jìn)時(shí)，為獲得更大的扭矩設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)盤(pán)部分，在轉(zhuǎn)盤(pán)上部的孔口增加一個(gè)補(bǔ)心。另外，還帶一組喇叭口補(bǔ)心，以備石油鉆桿時(shí)用，立軸下部(去掉下卡盤(pán))通過(guò)萬(wàn)向節(jié)與轉(zhuǎn)盤(pán)聯(lián)接。

該機(jī)型大部分零部件與HXY-9機(jī)型通用，壽命長(zhǎng)且配件更換方便，既可以用于常規(guī)鉆探需要，又可以使用轉(zhuǎn)盤(pán)，滿(mǎn)足大通徑的鉆探需求。

其他技術(shù)特點(diǎn)均與HXY-9型鉆機(jī)相同，主要技術(shù)參數(shù)參見(jiàn)表4。

表3 HXY-9型鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

表4 HXY-9B型鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

3 施工案例

以上幾種鉆機(jī)在深孔鉆探施工中因其方便靈活的操控性和可靠的性能得到了用戶(hù)的認(rèn)可。多種型號(hào)的鉆機(jī)分別被用于國(guó)內(nèi)深孔鉆探施工工地，包括山東萊州科學(xué)鉆探、四川汶川地震帶斷裂帶科學(xué)鉆探、甘肅金昌金川科學(xué)鉆探等，在使用過(guò)程中用戶(hù)也提出了一些可行的建議，如一些關(guān)鍵的零部件的使用壽命還有進(jìn)一步提高的空間，為我公司進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品性能指明的方向。

圖2 HXY-8B型鉆機(jī)在四川汶川地震帶斷裂帶科學(xué)鉆探施工工地

2.1 山東萊州科學(xué)鉆探施工工地

山東黃金地勘公司為了研究三山島金礦集區(qū)深部地質(zhì)及成礦規(guī)律，開(kāi)展了“膠西北金礦集區(qū)超深深部綜合地質(zhì)研究與資源預(yù)測(cè)”重大科研項(xiàng)目。為了配合該科研項(xiàng)目的實(shí)施，在山東萊州西嶺金礦區(qū)設(shè)計(jì)了三個(gè)巖金勘探科學(xué)鉆孔，其中ZK96-5孔設(shè)計(jì)孔深4000m，設(shè)計(jì)鉆孔傾角90°，終孔口徑75mm，是設(shè)計(jì)孔深最大的鉆孔，堪稱(chēng)“中國(guó)巖金勘查第一深鉆。工程于2010年9月18日開(kāi)鉆，歷時(shí)985天，于2013年5月29日順利終孔，終孔孔深為4006.17m，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)固體礦產(chǎn)勘查小口徑巖心深部鉆探先河。

圖3 HXY-9B型鉆機(jī)在山東萊州科學(xué)鉆探施工工地

該超深孔鉆進(jìn)選用了鉆進(jìn)能力為4200m的HXY-9B型。由于是我國(guó)的第一臺(tái)設(shè)計(jì)能力超過(guò)4000m的立軸式巖心鉆機(jī)，鉆進(jìn)過(guò)程中與山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院合作，針對(duì)鉆機(jī)在鉆探生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)鉆機(jī)的一些部件進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)和優(yōu)化，使其能適應(yīng)小口徑深孔鉆進(jìn)工藝。

2.2 甘肅金昌金川科學(xué)鉆探施工工地

金川科學(xué)鉆探所屬的SinoProbe“大陸科學(xué)鉆探選址與科學(xué)鉆探實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目，要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一就是對(duì)重要礦產(chǎn)資源集聚區(qū)的成礦背景、成礦條件和成礦前景進(jìn)行研究。從這個(gè)方面來(lái)看，金川無(wú)疑是最佳鉆探地點(diǎn)之一。

作為中國(guó)三大多金屬共生礦之一，金川銅鎳礦集區(qū)以鎳礦為主，其硫化鎳儲(chǔ)量居世界第三位，并伴生有銅、鉑、鈷等18種有色和稀有金屬。金川的鎳、鈷、鉑產(chǎn)量居全國(guó)第一，是中國(guó)鉑金屬的主要產(chǎn)地。

此外，金川銅鎳硫化物礦集區(qū)具有特殊的大地構(gòu)造位置和地質(zhì)背景，這使其成為了地球科學(xué)深部鉆探試驗(yàn)最佳的天然場(chǎng)所。同時(shí)，該地地質(zhì)應(yīng)力場(chǎng)集中，巖石類(lèi)型種類(lèi)繁多，也是科學(xué)深部鉆探技術(shù)與鉆具試驗(yàn)的最佳場(chǎng)所。

從鉆探項(xiàng)目正式啟動(dòng)前的2009年，大量工作就逐步展開(kāi)，各合作機(jī)構(gòu)各司其職。中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院負(fù)責(zé)開(kāi)展地球物理工作，長(zhǎng)安大學(xué)承擔(dān)地質(zhì)研究工作，而金川集團(tuán)公司則負(fù)責(zé)淺部鉆探。

在進(jìn)行了大量研究之后，2011年4月，金川銅鎳礦集區(qū)科學(xué)鉆探選址現(xiàn)場(chǎng)論證會(huì)在金川召開(kāi)，確定將在二礦區(qū)8行上盤(pán)開(kāi)孔，鉆孔深度范圍控制在2000～2500m。

金川鉆探項(xiàng)目由山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院承擔(dān)施工，選用HXY-9型鉆機(jī)，2014年8月，項(xiàng)目順利竣工并通過(guò)專(zhuān)家組的評(píng)審驗(yàn)收。鉆探終孔孔深2185.56m，終孔頂角8°，巖心采取率為96.29%。

在1910m左右深處，研究人員發(fā)現(xiàn)了熱液型黃銅礦、紫硫鎳礦和磁黃鐵礦。

金川鉆探項(xiàng)目的順利實(shí)施，對(duì)探查金川銅鎳硫化物礦床的成礦深度及其深部和外圍的資源潛力，并通過(guò)科學(xué)深鉆研究建立具有我國(guó)理論知識(shí)體系和創(chuàng)新性的鎂鐵——超鎂鐵巖漿銅鎳礦床的成礦機(jī)制、成礦過(guò)程以及成礦模式，具有重要的意義。

圖4 HXY-9型鉆機(jī)在甘肅金昌金川科學(xué)鉆探施工工地

《地質(zhì)裝備》征稿啟事

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2014-07-28

張榮(1988- )，男(漢族)，湖北荊州人，2010年畢業(yè)于雞西大學(xué)(現(xiàn)黑龍江工業(yè)學(xué)院)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，連云港黃海機(jī)械股份有限公司工程師，從事立軸式巖心鉆機(jī)、全液壓式巖心鉆機(jī)等地勘設(shè)備的研發(fā)工作，江蘇省連云港市海州開(kāi)發(fā)區(qū)新建東路1號(hào)，Tel：0518-85383040，13815664723，E-mail：zhangyun12369874@163.com。

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1009-282X(2015)05-0015-04