馬曉鵬， 王偉杰， 田國(guó)亮， 李 寬

(山東省第六地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 威海 264200)

0 引言

我國(guó)礦產(chǎn)資源種類豐富，為大力發(fā)展“攻堅(jiān)找盲”的探礦戰(zhàn)略思想，在招遠(yuǎn)市欒家河金礦區(qū)開(kāi)展深部金礦勘查，該礦區(qū)鉆孔設(shè)計(jì)孔深都在2000 m以深，XY-6B型鉆機(jī)、XY-8型鉆機(jī)及阿特拉斯CS4002型等鉆機(jī)數(shù)量已不能滿足生產(chǎn)需求，我院為滿足實(shí)際生產(chǎn)需要引進(jìn)了XD-30DB型頂驅(qū)變頻鉆機(jī)在該礦區(qū)進(jìn)行生產(chǎn)施工。

1 XD-30DB型鉆機(jī)基本情況

XD-30DB型鉆機(jī)是一種AC-VFD-AC交流變頻電驅(qū)動(dòng)全數(shù)字控制的頂驅(qū)式巖心鉆機(jī)?？墒┕?71 mm、4000 m以淺的取心礦產(chǎn)勘探孔。鉆機(jī)整體情況見(jiàn)圖1。

1.1 鉆機(jī)主要特點(diǎn)

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

(2)轉(zhuǎn)速、扭矩、拉力、速度等控制性能好，輸出環(huán)境良好，能夠過(guò)載保護(hù)，回轉(zhuǎn)及給進(jìn)無(wú)級(jí)調(diào)速，精確控制鉆壓，根據(jù)地層條件選擇鉆進(jìn)參數(shù)，可以滿足深孔鉆探要求。

(3)鉆機(jī)工作過(guò)程所有動(dòng)作由電控組件或數(shù)字化操作完成，操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度低，操作人員數(shù)量少，改善了勞動(dòng)環(huán)境。

圖1 XD-30DB型鉆機(jī)外形

(4)鉆機(jī)主要執(zhí)行模塊均采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，包括回轉(zhuǎn)、提升、給進(jìn)、打撈等。動(dòng)力提供為工業(yè)網(wǎng)電或柴油發(fā)電機(jī)組。

(5)鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)與鉆進(jìn)工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、傳輸、記錄、查詢和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

(6)與立軸傳動(dòng)鉆機(jī)相比，傳動(dòng)效率高、能耗小、傳動(dòng)鏈簡(jiǎn)化，安裝和拆卸簡(jiǎn)單，檢修方便，維護(hù)保養(yǎng)便利。

(7)頂驅(qū)長(zhǎng)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(nèi)裝有防碰繩和導(dǎo)向繩，提高了鉆塔的安全性和穩(wěn)定性。

1.2 鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

(1)鉆進(jìn)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(qū)：驅(qū)動(dòng)形式為交流變頻直驅(qū)，電機(jī)額定功率110 kW(55 kW×2)，轉(zhuǎn)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(pán)式剎車和安全制動(dòng)。

2 鉆機(jī)使用情況

2.1 地理交通情況

鉆機(jī)生產(chǎn)區(qū)位于山東省招遠(yuǎn)市阜山鎮(zhèn)欒家河礦區(qū)，位于招遠(yuǎn)市北20 km，水旺莊西2 km。向北可到龍口、蓬萊，向東可到煙臺(tái)、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(dá)到設(shè)計(jì)孔深。礦區(qū)東部1426.06 m以淺主要是二長(zhǎng)花崗巖，塊狀構(gòu)造，較完整，破碎帶不發(fā)育。其可鉆性為8～10級(jí)，局部研磨性特強(qiáng)。

2.3 鉆孔結(jié)構(gòu)

施工鉆孔位于招遠(yuǎn)欒家河礦區(qū)，孔號(hào)108ZK3，設(shè)計(jì)孔深2600 m，該孔采用XD-30DB型頂驅(qū)鉆機(jī)，該區(qū)地層比較簡(jiǎn)單，構(gòu)造較為完整，采用繩索取心鉆探方法，鉆孔采用二開(kāi)結(jié)構(gòu)。鉆孔結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

2.4 鉆進(jìn)過(guò)程

第一階段，2017年5月6日開(kāi)孔鉆進(jìn)，用?114 mm鉆桿、?122 mm外徑鉆頭繩索取心鉆進(jìn)，鉆至86 m，下?108 mm技術(shù)套管。因開(kāi)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(wàn)分子量的陰離子型聚丙烯酰胺(簡(jiǎn)寫(xiě)APAM)，循環(huán)方式為正循環(huán)。鉆進(jìn)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(jié)構(gòu)示意

第二階段，2017年7月31日因礦區(qū)處于環(huán)境保護(hù)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(kuò)孔器和鉆頭。沖洗液配比：1 m3清水+2 kg防卡護(hù)壁潤(rùn)滑劑+2 kg磺化褐煤樹(shù)脂+3 kg羧甲基纖維素。測(cè)試沖洗液性能指標(biāo)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(dòng)切力2～3 Pa。循環(huán)方式為正循環(huán)，若遇漏失地層時(shí)加入20～30 kg 803堵漏劑。鉆進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 不同孔深鉆進(jìn)參數(shù)

該鉆孔主要為二長(zhǎng)花崗巖，鉆進(jìn)過(guò)程中鉆壓變化平穩(wěn)。當(dāng)遇到漏失地層時(shí)，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(jī)轉(zhuǎn)速降低才能夠保證正常鉆進(jìn)，在此過(guò)程要及時(shí)進(jìn)行堵漏。在鉆進(jìn)過(guò)程中要及時(shí)調(diào)整送鉆速度，保證各項(xiàng)參數(shù)平穩(wěn)的施工。

2.5 參數(shù)變化關(guān)系

司鉆房為頂驅(qū)鉆機(jī)的智能操作控制中心，鉆機(jī)的各個(gè)動(dòng)作都是在司鉆房里下達(dá)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的。司鉆房里由兩個(gè)電控柜和一個(gè)控制電腦顯示屏等部分組成，通過(guò)調(diào)節(jié)顯示屏參數(shù)(見(jiàn)圖3)來(lái)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(guò)實(shí)際在施工過(guò)程總結(jié)與驗(yàn)證，得出以下關(guān)系：

(1)泵壓數(shù)值上升，巖心管堵或鉆頭消耗盡，進(jìn)行取心或提鉆換鉆頭。

(2)鉆壓數(shù)值上升，扭矩?cái)?shù)值不變或上升，巖石變硬，減慢進(jìn)尺。

(3)鉆壓數(shù)值上升，扭矩?cái)?shù)值下降，巖心管堵需取心。

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

(5)鉆壓數(shù)值下降，扭矩?cái)?shù)值下降，巖石變軟，可適當(dāng)加快進(jìn)尺。

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

圖3 鉆進(jìn)過(guò)程各參數(shù)顯示

3 鉆機(jī)的優(yōu)勢(shì)

(1)傳統(tǒng)的立軸鉆機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中是依靠鉆頭的磨削來(lái)進(jìn)行的，通常鉆機(jī)通過(guò)鉆桿來(lái)向鉆頭傳遞推進(jìn)動(dòng)力，因此鉆機(jī)對(duì)鉆桿質(zhì)量有較高的要求。

頂驅(qū)鉆進(jìn)主要是靠鉆桿的自身質(zhì)量來(lái)提供推進(jìn)動(dòng)力，游車大鉤提供提吊力使施工的全過(guò)程保持孔底受力均勻，鉆桿力的傳送比立軸鉆機(jī)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(jìn)行。對(duì)鉆桿的磨損較小，延長(zhǎng)鉆桿使用周期，減少換鉆桿與接箍等工作，提高鉆進(jìn)效率。

(2)傳統(tǒng)鉆機(jī)鉆進(jìn)行程一般在50～100 cm，XY-4型鉆機(jī)行程50 cm(見(jiàn)圖4)，XY-8型鉆機(jī)行程為100 cm，加鉆桿長(zhǎng)度為3 m，鉆探過(guò)程中巖心管3 m，要倒桿3～6次，頻繁取心作業(yè)。

頂驅(qū)鉆機(jī)鉆進(jìn)行程達(dá)到22 m(見(jiàn)圖5)，在地層完整的情況下可以采用較長(zhǎng)的鉆具和巖心管，減少輔助時(shí)間。除了取心和加鉆桿，在鉆進(jìn)過(guò)程中連續(xù)鉆進(jìn)，不用倒桿，使巖心不間斷的進(jìn)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(jī)行程圖5頂驅(qū)鉆機(jī)行程

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

頂驅(qū)鉆機(jī)鉆塔采用加高和大跨距設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)游車大鉤與天車的4 m凈空間，并裝有監(jiān)控?cái)z像頭，實(shí)現(xiàn)畫(huà)面監(jiān)控(見(jiàn)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(pán)式，靠油壓夾緊和松開(kāi)，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

(4)傳統(tǒng)鉆機(jī)鉆進(jìn)的方式是機(jī)械式加壓，對(duì)于司鉆者經(jīng)驗(yàn)要求較高，必須對(duì)電流變化、機(jī)械聲音的變化做出快速準(zhǔn)確的判斷。

頂驅(qū)鉆機(jī)通過(guò)VFD房(見(jiàn)圖7)實(shí)現(xiàn)精確自動(dòng)恒壓鉆進(jìn)和恒速鉆進(jìn)，變頻調(diào)節(jié)，更加靈敏。參數(shù)設(shè)置預(yù)警，當(dāng)達(dá)到預(yù)警數(shù)值，鉆機(jī)運(yùn)行自動(dòng)停止，大大減少事故發(fā)生，保障設(shè)備和人員的安全。司鉆根據(jù)地層與孔深情況，對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，適合深孔及復(fù)雜地層的施工。

(5)以往鉆機(jī)操作環(huán)境差，處于露天狀態(tài)，冬寒夏暑，鉆進(jìn)時(shí)精神高度集中，機(jī)械噪聲很大，深孔時(shí)提下鉆過(guò)程勞動(dòng)強(qiáng)度高。

圖6 監(jiān)控畫(huà)面

圖7 VFD房

頂驅(qū)鉆機(jī)操作在司鉆房進(jìn)行(見(jiàn)圖8)，司鉆房采用了防傾翻和防落物設(shè)計(jì)，操作方式為手柄以及按鍵，并安裝有空調(diào)，操作舒適安全，視野開(kāi)闊，人性化設(shè)計(jì)，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。該鉆機(jī)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(fēng)險(xiǎn)，保障工程順利進(jìn)行，效益提升。

圖8 司鉆房

(6)傳統(tǒng)鉆機(jī)孔內(nèi)發(fā)生事故，往往是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷分析，然后制定處理方案，缺乏真實(shí)可靠的依據(jù)，往往會(huì)參雜操作人員個(gè)人推斷，導(dǎo)致制定處理方案不合理。在很多時(shí)候會(huì)走冤枉路，甚至事故越處理越復(fù)雜。

頂驅(qū)鉆機(jī)具有對(duì)運(yùn)行參數(shù)與鉆進(jìn)工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、記錄和查詢。當(dāng)事故發(fā)生時(shí)調(diào)取歷史工作曲線進(jìn)行分析(見(jiàn)圖9)，對(duì)事故的分析更具有依據(jù)性、客觀性、準(zhǔn)確性。

圖9 鉆進(jìn)歷史曲線

4 應(yīng)用效果

在鉆進(jìn)過(guò)程中總進(jìn)尺1426.06 m，總臺(tái)時(shí)為2016 h，平均鉆進(jìn)時(shí)效0.71 m，臺(tái)月效率509.30 m，純鉆進(jìn)時(shí)間44.72%，由于第一次使用操作學(xué)習(xí)和保養(yǎng)時(shí)間占31.21%，其他時(shí)間24.07%。該礦區(qū)同期開(kāi)動(dòng)XY-8型鉆機(jī)、阿特拉斯CS4002型鉆機(jī)各一臺(tái)，在此對(duì)其月孔深進(jìn)行比較(見(jiàn)表2)。因阿特拉斯CS4002型鉆機(jī)為柴油發(fā)電機(jī)組提供動(dòng)力，該頂驅(qū)鉆機(jī)與XY-8型鉆機(jī)由工業(yè)網(wǎng)電提供動(dòng)力，對(duì)后兩臺(tái)鉆機(jī)進(jìn)行了能耗比較，圖10為能耗柱狀圖。

XD-30DB型鉆機(jī)進(jìn)尺效率與XY-8型鉆機(jī)、阿特拉斯CS4002型鉆機(jī)相比，淺孔階段沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，隨著鉆孔的加深，其鉆進(jìn)效率優(yōu)于XY-8型鉆機(jī)、阿特拉斯CS4002型鉆機(jī)。能耗方面在同等施工條件下，該鉆機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)的能耗低于XY-8型鉆機(jī)，降低了施工成本。

表2 不同型號(hào)鉆機(jī)孔深比較

圖10 能耗比較

5 結(jié)論和建議

(1)在此次施工過(guò)程中事故為零。

(2)XD-30DB型鉆機(jī)具有長(zhǎng)距離行程，遇破碎地層下鉆受阻的情況下，可以長(zhǎng)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(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)轉(zhuǎn)化的，但在實(shí)際工作過(guò)程中，沖洗液泵的泵量與活塞、吸水龍頭上水情況有很大關(guān)系，顯示數(shù)值有誤差。在施工過(guò)程水量過(guò)低會(huì)加速鉆探的消耗；水泥封孔時(shí)，計(jì)算送水量偏差，達(dá)不到預(yù)期封孔效果。

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

(5)鉆孔出現(xiàn)掉塊卡鉆，鉆進(jìn)過(guò)程頂驅(qū)擺動(dòng)明顯，缺少穩(wěn)定裝置。

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