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(jī)械有限公司,湖南衡陽 421002;2.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)大隊(duì),山東煙臺(tái) 264000)

0 引言

立軸式巖心鉆機(jī)是目前我國(guó)地質(zhì)鉆探工程中應(yīng)用最廣泛的裝備,型號(hào)從XY-1到XY-9DB,鉆孔深度不斷提高,鉆機(jī)性能也不斷提升[1]。無論哪種型號(hào)的立軸式鉆機(jī),其主要功能都是帶動(dòng)鉆具向地層深部鉆進(jìn)。有許多專家學(xué)者對(duì)立軸式巖心鉆機(jī)進(jìn)行了研究和改進(jìn)[2-6],使巖心鉆機(jī)系列化產(chǎn)品的性能和功能都不斷升級(jí)。

鉆機(jī)性能直接影響鉆探工程的效率、質(zhì)量、成本及施工安全等,因此提高鉆機(jī)性能,增加純鉆進(jìn)時(shí)間占比,可以一定程度上提高鉆探質(zhì)量和效率。為了提高鉆探施工效率,本文采用加長(zhǎng)巖心鉆機(jī)給進(jìn)機(jī)構(gòu)的行程,同時(shí)也增加取心長(zhǎng)度的方法,可有效減少一個(gè)鉆進(jìn)回次的倒桿次數(shù),防止巖心堵塞,提高巖心采取率和鉆進(jìn)工作效率。

1 常見的給進(jìn)機(jī)構(gòu)

鉆機(jī)給進(jìn)機(jī)構(gòu)主要有測(cè)量鉆具重量、起拔鉆桿、加減壓、調(diào)節(jié)給進(jìn)速度等功能。

1.1 立軸式巖心鉆機(jī)給進(jìn)

立軸式巖心鉆機(jī)的給進(jìn)裝置是與回轉(zhuǎn)器緊密結(jié)合成為一體,如圖1所示,它由回轉(zhuǎn)箱體、液壓卡盤、橫梁、立軸、給進(jìn)液壓缸等部件組成?；剞D(zhuǎn)箱體兩側(cè)對(duì)稱安裝了兩個(gè)給進(jìn)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(dāng)給進(jìn)液壓缸的活塞和活塞桿在液壓驅(qū)動(dòng)力下做上下運(yùn)動(dòng)時(shí),通過橫梁帶動(dòng)液壓卡盤和立軸也做上下運(yùn)動(dòng),從而帶動(dòng)鉆桿運(yùn)動(dòng),向下為鉆進(jìn),向上為提出,可以實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的給進(jìn)、倒桿或提升等動(dòng)作。

圖1 立軸式巖心鉆機(jī)給進(jìn)Fig.1 The feeding of spindle core drilling machine

1.2 全液壓鉆機(jī)給進(jìn)

全液壓鉆機(jī)是指鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)、給進(jìn)以及升降鉆具等機(jī)構(gòu)均用液壓驅(qū)動(dòng),帶可移動(dòng)回轉(zhuǎn)器的鉆機(jī)。大多數(shù)全液壓鉆機(jī)采用液壓缸給進(jìn)機(jī)構(gòu)或液壓缸—鏈條給進(jìn)機(jī)構(gòu)[7]。

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

圖2 全液壓鉆機(jī)液壓缸給進(jìn)Fig.2 Cylinder feeding of full hydraulic drill

圖3是液壓缸—鏈條給進(jìn)示意圖,給進(jìn)液壓缸通過兩組動(dòng)滑輪和上下兩個(gè)定滑輪,分別帶動(dòng)上下兩根鏈條,移動(dòng)式動(dòng)力頭固定在上下兩根鏈條上。當(dāng)給進(jìn)液壓缸作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),拉動(dòng)鏈條使動(dòng)力頭向上或向下運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)鉆桿給進(jìn)、倒桿或提升,并實(shí)現(xiàn)加減壓給進(jìn)。

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

1.3 頂驅(qū)鉆機(jī)給進(jìn)

頂驅(qū)鉆機(jī)的頂驅(qū)裝置直接從井架空間上部旋轉(zhuǎn)鉆具,以升降機(jī)控制動(dòng)力頭和鉆桿給進(jìn)和提升[8]。圖4是頂驅(qū)鉆機(jī)給進(jìn)的示意圖,鉆桿通過頂驅(qū)與鋼絲繩和升降機(jī)相連,控制升降機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向,使頂驅(qū)向上或向下運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)鉆桿給進(jìn)、倒桿或提升和減壓給進(jìn)。

圖4 頂驅(qū)鉆機(jī)給進(jìn)Fig.4 Feeding of top drive drill

綜合以上幾種鉆機(jī)給進(jìn)方式,立軸鉆機(jī)給進(jìn)行程因受制于立軸和給進(jìn)液壓缸行程的限制,上下運(yùn)動(dòng)距離有限,向上運(yùn)動(dòng)距離過大會(huì)使回轉(zhuǎn)器的穩(wěn)定性變差,立軸跳動(dòng)大。給進(jìn)行程一般控制在400～600 mm之間。因給進(jìn)行程短,倒桿次數(shù)多,在鉆進(jìn)時(shí)需要頻繁地反復(fù)松緊卡盤對(duì)主動(dòng)鉆桿倒桿,影響鉆進(jìn)效率,增加了倒桿輔助時(shí)間。全液壓鉆機(jī)和頂驅(qū)鉆機(jī)采用移動(dòng)式動(dòng)力頭與長(zhǎng)行程軌道,可提供超長(zhǎng)行程給進(jìn)、掃孔等鉆探工藝要求,給進(jìn)行程一般都達(dá)到2500～3500 mm,但由于鉆機(jī)售價(jià)昂貴,投入成本高,配套要求較高,對(duì)操作人員和維護(hù)人員的要求也高,因此普及率較低。

2 巖心鉆機(jī)長(zhǎng)行程給進(jìn)的探索

目前立軸式巖心鉆機(jī)應(yīng)用廣泛,經(jīng)過長(zhǎng)期的實(shí)踐積累和不斷發(fā)展,它的優(yōu)點(diǎn)主要有結(jié)構(gòu)成熟,性能穩(wěn)定,可靠性高,維護(hù)、保養(yǎng)及使用均相對(duì)簡(jiǎn)單。施工單位對(duì)于立軸式巖心鉆機(jī)熟悉程度和接受程度相對(duì)較高,能較快處理現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備故障,因此立軸式巖心鉆機(jī)在市場(chǎng)仍具有強(qiáng)大的生命力。

隨著鉆探工藝的進(jìn)步,施工單位對(duì)立軸式巖心鉆機(jī)提出了更高的要求,衡陽中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司(下文簡(jiǎn)稱“我公司”)在提高產(chǎn)品質(zhì)量,完善立軸式巖心鉆機(jī)的機(jī)構(gòu),擴(kuò)大其使用范圍等方面不斷改進(jìn)優(yōu)化,成功研制出一款以履帶底盤為載體,塔機(jī)一體式,帶導(dǎo)向塔長(zhǎng)行程給進(jìn)鉆機(jī),并根據(jù)客戶要求對(duì)立軸式巖心鉆機(jī)進(jìn)行了智能化改造提升。

為解決傳統(tǒng)立軸式巖心鉆機(jī)給進(jìn)行程短、倒桿次數(shù)操作頻繁等缺點(diǎn),我公司開發(fā)了XY-6DH型帶導(dǎo)向鉆塔的長(zhǎng)行程給進(jìn)巖心鉆機(jī),如圖5所示。XY-6DH型鉆機(jī)是在XY-6型鉆機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)提升,主要增加了長(zhǎng)行程導(dǎo)向鉆塔、動(dòng)力頭箱、傳動(dòng)軸和長(zhǎng)行程給進(jìn)液壓缸等。

圖5 帶導(dǎo)向鉆塔長(zhǎng)行程給進(jìn)鉆機(jī)Fig.5 Long-stroke feeding drill with guided drilling tower

XY-6DH型鉆機(jī)的主要工作原理是由電動(dòng)機(jī)動(dòng)力從變速箱經(jīng)過分動(dòng)箱到回轉(zhuǎn)箱體,回轉(zhuǎn)箱體將轉(zhuǎn)速和扭矩傳遞給傳動(dòng)軸,再通過動(dòng)力頭箱中的齒輪傳遞給鉆桿。給進(jìn)液壓缸的缸體安裝在導(dǎo)向鉆塔底部,活塞桿與動(dòng)力頭箱體相聯(lián),當(dāng)給進(jìn)液壓缸工作,活塞桿伸出,動(dòng)力頭箱向上運(yùn)動(dòng);活塞桿縮進(jìn),動(dòng)力頭箱向下運(yùn)動(dòng),從而帶動(dòng)鉆桿升降,實(shí)現(xiàn)加減壓給進(jìn),鉆機(jī)給進(jìn)行程達(dá)到了3500 mm。

鉆機(jī)導(dǎo)向鉆塔高5700 mm,由28號(hào)型鋼組成,前后兩側(cè)面設(shè)有導(dǎo)向面板,以保證動(dòng)力頭箱上下運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)和順利。導(dǎo)向鉆塔利用鉆塔撐桿與鉆機(jī)機(jī)架形成三角形連接,增加了導(dǎo)向鉆塔的穩(wěn)定性。長(zhǎng)行程導(dǎo)向鉆塔如圖6所示。

圖6 長(zhǎng)行程導(dǎo)向鉆塔Fig.6 Long-stroke guided drilling tower

動(dòng)力頭箱安裝在導(dǎo)向鉆塔中間位置,箱體上裝有導(dǎo)向滑輪,分布在導(dǎo)向鉆塔前后的導(dǎo)向面板上,可以起到動(dòng)力頭箱在旋轉(zhuǎn)時(shí)的反扭和上下運(yùn)動(dòng)時(shí)的導(dǎo)向等作用。動(dòng)力頭箱內(nèi)部設(shè)有齒輪傳動(dòng)組,為改善箱體齒輪和軸承的潤(rùn)滑,設(shè)計(jì)了獨(dú)立的潤(rùn)滑系統(tǒng)。

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

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

帶導(dǎo)向鉆塔的長(zhǎng)行程給進(jìn)巖心鉆機(jī)不但具有立軸鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)成熟、性能穩(wěn)定可靠、性價(jià)比高、操作簡(jiǎn)單、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)具有長(zhǎng)行程給進(jìn)鉆機(jī)的優(yōu)勢(shì),動(dòng)力箱體給進(jìn)行程大幅度提升,倒桿次數(shù)明顯減少,縮短了輔助時(shí)間,提高了純鉆進(jìn)時(shí)間,工作效率明顯提高。該巖心鉆機(jī)的研制是結(jié)合了市場(chǎng)需要和客戶需求,不斷地優(yōu)化完善,豐富了巖心鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和功能,是對(duì)傳統(tǒng)巖心鉆機(jī)改造升級(jí)、功能提升的又一次嘗試,是一次巖心鉆機(jī)發(fā)展思路的新探索。

3 結(jié)語

在鉆機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)XY-6DH 型鉆機(jī)進(jìn)行的加載試驗(yàn)(圖7)表明,鉆機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)都達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)向鉆塔穩(wěn)定可靠,動(dòng)力頭箱的給進(jìn)行程和倒桿速度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖7 鉆機(jī)加載試驗(yàn)Fig.7 Loading test of drilling machine

隨著廣大地質(zhì)工作者對(duì)鉆探技術(shù)和鉆探工藝的不斷追求、不斷探索、不斷創(chuàng)新,鉆探設(shè)備將向?qū)I(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(dòng)。