柴喜元，譚穎，歐陽志強，周親宗，田愛民

(衡陽中地裝備探礦工程機械有限公司，湖南衡陽 421002)

0 引言

機械傳動立軸式巖心鉆機自二十世紀六十年代研制成功以來，經過長期的實踐應用和不斷改進，結構性能已趨合理完善，具有結構緊湊、傳動可靠、價格便宜、操作維護方便等優(yōu)點，一直是我國地質巖心鉆探的主力機型，市場保有量大，工人熟悉程度高[1]。

但是“十三五”以來，隨著我國地勘單位推進深部找礦，不斷增強深部礦產資源勘查能力，繼續(xù)采取“放大加深”技術路線研制的大型傳統(tǒng)機械立軸式巖心鉆機，在深孔地質巖心鉆探施工中暴露出了許多不足之處，例如：①給進行程短，停機倒桿頻次成倍增加，勞動強度大；②隨著鉆進深度的加深，液壓卡盤夾持力不夠，容易打滑；③深孔段起下鉆勞動量和勞動強度成倍增大[2]，抱閘式卷揚提升力不足，作業(yè)危險性增大，易造成人員疲勞；④鉆進轉速、扭矩調節(jié)范圍窄，不能無級變速，精準調節(jié)[3]；⑤孔內鉆進參數無法實時監(jiān)控，靠經驗“盲打”，事故率高；⑥操作空間狹小，緊挨著孔口和鉆機各運動部件，工作環(huán)境的舒適性、安全性低等。這些不足往往導致深孔地質巖心鉆探施工鉆進效率降低、勞動強度過大、能耗較大、安全隱患增加等諸多問題。同時，隨著經濟社會的發(fā)展，地勘單位對鉆探設備的需求也逐漸從能力的提升轉變?yōu)閷υO備自動化、數字化及安全性的新需求[4]。

為了更好地滿足深孔地質巖心鉆探施工的要求，衡陽中地裝備探礦工程機械有限公司和山東省地礦局第三地質大隊達成合作協(xié)議，對其在用的一臺傳統(tǒng)XY-8型立軸式巖心鉆機進行自動化升級改造。

1 總體方案設計

在保留原XY-8型立軸鉆機機架、底座、分動箱、回轉器等部件的基礎上，應用電、氣、液、數字化等現代工業(yè)信息技術，對其回轉、提升、給進、液壓、操控等系統(tǒng)進行了模塊化設計和自動化升級，增加了司鉆房、VFD房等功能模塊，改造為XY-8TD型變頻電傳動立軸鉆機。如圖1所示，其主要由底座、動力傳動、機架、主絞車、VFD房、分動箱、回轉器、液壓站、司鉆房等部件組成。

1.底座；2.動力傳動；3.機架；4.主絞車；5.VFD房；6.分動箱；7.回轉器；8.液壓站；9.司鉆房圖1 XY-8TD型變頻電傳動立軸鉆機主要組成部件Fig.1 The main components of XY-8TD frequency conversion electric drive spindle drill

1.1 回轉系統(tǒng)

將原立軸鉆機的主電機由普通電機改為75 kW變頻電機，保留原立軸鉆機離合器、變速箱、萬向軸、分動箱傳動鏈。配合變速箱、分動箱常用或特殊工況下的幾個變速擋位[3]，實現立軸回轉擋內無級調速。淺孔鉆進時通過動力頭液壓卡盤，深孔鉆進時通過立軸上下兩端的導向傳扭套，將旋轉扭矩從立軸傳遞給主動鉆桿。采用變頻調速技術可以實現立軸轉速和扭矩的無級調節(jié)，輸出性能參數更加適用于施工工況需要，能夠滿足復雜地層工藝精細化的要求[5]。變頻電機的無級調速和過載特性使工人對鉆進參數的控制更加穩(wěn)定和精準。

1.2 提升系統(tǒng)

去掉原立軸鉆機的卷揚機、水剎車，將抱閘式主卷揚改為變頻電機驅動、液壓盤剎剎車主絞車。傳統(tǒng)抱閘式主卷揚是通過水剎車、抱閘機構進行制動的，人工控制抱閘進行制動，在深孔鉆探施工中，工人勞動強度過大且存在打滑溜鉆等安全隱患。而變頻電機驅動、液壓盤剎剎車主絞車(圖2)，采用變頻電機驅動+能耗制動+盤剎的控制方式，通過變頻器、制動電阻和鉗盤式制動器進行控制和制動，輸出穩(wěn)定、控制精確，可以克服深孔鉆探施工中，抱閘式主卷揚因人力控制能力不夠，易發(fā)生打滑失控的缺點，且能大大減輕工人起下鉆勞動強度。

1.工作鉗；2.送鉆電機；3.制動盤；4.卷筒；5.減速箱；6.安全鉗；7.動力輸入鏈傳動機構圖2 主絞車部件結構圖Fig.2 Structural drawing of main winch components

主絞車具有快速起下鉆具和自動送鉆等功能，由主變頻電機通過原鉆機分動箱、鏈傳動機構驅動主絞車卷筒，實現起下鉆功能，由小功率送鉆電機通過減速箱輸出扭矩和轉速給卷筒，實現自動送鉆。剎車裝置安裝在卷筒一側，由制動盤、工作鉗、安全鉗等組成。工作鉗為液壓夾緊彈簧打開的常開式制動鉗，安全鉗為彈簧夾緊液壓打開的常閉式制動鉗。

1.3 給進系統(tǒng)

保留原立軸鉆機回轉器的“液壓卡盤夾緊+液壓缸加壓”給進系統(tǒng)，通過變頻電驅動主絞車增加自動送鉆模式。淺孔加壓鉆進時，采用“液壓卡盤夾緊+液壓缸加壓”給進系統(tǒng)；深孔減壓鉆進時，拆掉液壓卡盤卡瓦，由主絞車送鉆電機驅動卷筒拖放鉆具，實現長行程恒鉆速或恒鉆壓自動送鉆。既保留了傳統(tǒng)立軸鉆機開孔和淺孔加壓鉆進的優(yōu)點，又解決了在深孔鉆進時，給進行程短、勞動強度大和因鉆具重造成液壓卡盤卡瓦打滑溜鉆等問題。

1.4 液壓系統(tǒng)

傳統(tǒng)立軸鉆機緊湊的液壓系統(tǒng)設計與控制布局與鉆機整體結構高度融合，很大程度降低了設備重量和外形尺寸，但由此也帶來液壓元器件的防護不夠、液壓系統(tǒng)維修空間狹小和操作不夠人性化、安全性低等問題[4]。鑒于以上問題，將原立軸鉆機液壓系統(tǒng)從鉆機主體中分離出來單獨進行模塊化設計，將液壓、電氣元器件均置于液壓站內，液壓系統(tǒng)流量可無級調節(jié)，配置單獨循環(huán)散熱系統(tǒng)[4]，集成了獨立液壓泵系統(tǒng)為主絞車液壓盤剎提供動力，配備高壓蓄能器保證剎車系統(tǒng)在斷電后保持制動能力。獨立的模塊化設計使得整機的操控性更佳，同時為液壓系統(tǒng)的檢查和維修提供了更好的空間。

1.5 操控系統(tǒng)

鉆機各主要工作部件均由變頻電機驅動和液壓操作控制，為實現自動化、數字化司鉆集中精確控制創(chuàng)造了條件。鉆機主要部件均采用獨立的變頻器驅動，所有變頻器、PLC控制柜、供電柜等均集中布置在獨立的VFD房內。通過各種變頻器、傳感器，采用數字控制技術，對各工作部件主電機及鉆進參數進行采集、傳輸、運算，并根據程序控制執(zhí)行單元，將信號反饋到控制系統(tǒng)[1]。

獨立的司鉆房內安裝有觸控屏、操作手柄、手輪、監(jiān)控屏等，所有鉆進動作均通過觸控屏操作界面(如圖3所示)、操作手柄、手輪實現，所有鉆機參數、報警信息、故障信息均可在觸控屏上顯示，鉆塔二層臺等井場關鍵部位均安裝有攝像頭，畫面實時傳輸到司鉆房內監(jiān)控屏上，實現可視化數字化施工，預防和減少孔內事故的發(fā)生，大幅改善了工作環(huán)境，降低了工人勞動強度，提高了工作效率。

圖3 觸控屏操作界面Fig.3 The operation interface of touch screen

2 主要技術參數及特點

2.1 技術參數

XY-8TD型變頻電傳動立軸鉆機主要性能參數如表1所示。該鉆機實現了對鉆進回轉、給進、起下鉆的速度和扭矩的精細化精確控制，能更好地適應深孔地質巖心鉆探復雜多變的地層情況。

2.2 主要特點

(1)在傳統(tǒng)立軸鉆機的基礎上進行升級改造，保留了原立軸鉆機“液壓卡盤夾緊+液壓缸加壓”的給進系統(tǒng)和動力傳統(tǒng)系統(tǒng)，常用或特殊工況下的變速擋位可以實現開孔和淺孔時的加壓鉆進和特殊工況對轉速、扭矩的需求，符合小口徑地質巖心鉆探的施工工藝要求和工人操作習慣。

(2)新研制的變頻電驅動、液壓盤剎式主絞車，大大提升了鉆機起下鉆能力和事故處理能力；實現長行程自動送鉆功能，大幅降低了工人勞動強度，有效避免了深孔鉆進施工時卡瓦打滑和高頻次停機倒桿引起各類事故的發(fā)生。

表1 XY-8TD型變頻電傳動立軸鉆機主要技術參數Table 1 Main technical parameters of XY-8TD frequency conversion electric drive spindle drilling machine

(3)各主要工作部件均采用獨立變頻電機驅動，輸出穩(wěn)定、控制精確，能做到按需輸出功率，能耗低，經濟效益好；具有一定的過載能力，孔內事故處理能力強[1]。

(4)在鉆機上應用變頻電驅動技術，便于數據采集，為鉆進施工中判斷孔內狀況、設備運行狀態(tài)及工藝參數匹配提供了可靠科學依據；具有過載保護和故障報警功能，降低和預防事故的發(fā)生，提升了工作效率和安全性；便于施工過程數據的記錄和追溯，初步實現了自動化、數字化科學鉆探。

(5)獨立的VFD房、司鉆房、液壓站模塊化設計，操作集中，設計更人性化，工作環(huán)境更舒適，勞動強度低，維護檢修方便，作業(yè)環(huán)境得到極大改善。同時，為配置井場實時監(jiān)控、井口卡夾擰卸作業(yè)機械化、泥漿循環(huán)處理等其他功能模塊提供了便利的拓展平臺和擴容空間。

3 工程應用

XY-8TD型變頻電傳動立軸鉆機改制升級完成后，在西藏自治區(qū)甲瑪銅多金屬礦床3000 m科學深鉆項目投入生產應用，圖4為施工現場圖。

圖4 西藏甲瑪3000 m科學深鉆施工現場Fig.4 3000 m scientific deep drilling site in Jiama, Tibet

3.1 工程概況

西藏自治區(qū)甲瑪銅多金屬礦床3000 m科學深鉆項目由中國地質科學院礦產資源研究所組織實施，山東省地礦局第三地質大隊負責鉆探施工。鉆孔位于中金華泰龍甲瑪銅多金屬礦區(qū)內，海拔5100 m。鉆孔設計孔深3000 m，設計開孔頂角3°，終孔直徑≥75 mm?？孜惶幱诟吆０蔚貐^(qū)，對人員、設備和后勤保障提出了更高的要求[6]。

工程采用改進后的XY-8TD型變頻電傳動立軸鉆機，泥漿泵選用衡探BW-300/16型泥漿泵，鉆塔選用K型鉆塔，有效高度31 m，額定負荷900 kN，底座自帶4個水箱，可做泥漿循環(huán)池，實現泥漿不落地，滿足高原鉆探施工環(huán)保要求。同時，配備自制塔衣，能夠滿足高原雨雪天氣及冬季施工需求[6]。

3.2 實鉆情況

自2019年6月22日開工以來，項目施工團隊克服了高寒缺氧與新冠疫情的影響，于2020年10月21日竣工，歷時488天。深鉆鉆探進尺3003.33 m，終孔口徑98 mm，巖心累計采取率高達98.8%，鉆孔質量完全滿足地質設計的要求，實現了青藏高原固礦勘查領域3000 m深鉆零的突破。深鉆實際鉆孔結構如圖5所示。

圖5 實際鉆孔結構Fig.5 Actual drilling hole structure

一開采用直徑175 mm雙管鉆具開鉆，至孔深6.5 m，再采用直徑245 mm鉆頭擴孔，下入直徑219 mm套管，固井。二開采用直徑175 mm金剛石雙管鉆具鉆進至孔深57.49 m，下入直徑168 mm套管。三開采用直徑150/122 mm金剛石繩索取心鉆頭鉆進作業(yè)，鉆進至224.5 m，提前下入直徑140 mm套管，換直徑122 mm金剛石繩索取心鉆具鉆進。四開采用直徑122 mm金剛石繩索取心工藝，順利鉆進至1075.22 m，下入直徑114 mm鉆桿作為套管[6]。五開采用直徑98 mm金剛石繩索取心鉆進工藝，順利鉆進至3003.33 m終孔，完成施工任務。

在實鉆過程中，XY-8TD型變頻電傳動立軸鉆機綜合性能得到了充分驗證，鉆機運轉平穩(wěn)，工作基本正常，傳統(tǒng)立軸鉆機在深孔地質巖心鉆探施工中暴露的問題得到了很好解決。施工人員認為該鉆機總體性能先進，操作簡單，大大降低了勞動強度，安全性高，使用成本低，改善了勞動環(huán)境；鉆機運行參數和孔內鉆進工藝參數能夠實時監(jiān)控和集中顯示，為判斷、預防孔內事故提供了科學依據。

同時，設備在鉆進施工中也出現了一些問題，有待進一步解決。一是送鉆電機電磁牙嵌離合器安裝精度要求高，工作頻繁，易損壞；二是施工現場缺乏電氣技術人員，一些簡單的電氣問題得不到快速解決，影響工作效率。

4 結論

XY-8TD型變頻電傳動立軸鉆機是應用電、氣、液、數字化等現代工業(yè)信息技術對傳統(tǒng)機械立軸式巖心鉆機進行自動化升級的一次探索和嘗試。既保留了傳統(tǒng)機械立軸鉆機的優(yōu)點，又提升了鉆探設備的自動化、數字化水平，能夠滿足深孔地質巖心鉆探施工工藝的需要。將先進信息技術與傳統(tǒng)鉆探設備融合，進行功能創(chuàng)新、結構創(chuàng)新，既符合當前地勘行業(yè)實際情況，又順應鉆探設備向自動化、數字化、智能化方向發(fā)展的趨勢，具有很好的應用前景。