立軸式與全液壓動力頭式地質巖心鉆機使用比較

李紅巖 周家榮

(陜西省地質礦產勘查開發局西安地質礦產勘查開發院，陜西 西安 710100)

引言

目前在地勘單位地質鉆探施工中應用的巖心鉆機主要有兩種，一種是液壓立軸式巖心鉆機，另一種是全液壓動力頭式巖心鉆機。目前液壓立軸式鉆機還是地勘單位地質鉆探的主力機型。全液壓動力頭鉆機目前在世界發達國家已經基本全部取代了立軸式鉆機，我國也在這兩年開始快速的裝備地勘單位，許多地勘單位已擁有了一定數量的全液壓動力頭鉆機。由于鉆機的使用效果將直接影響地質勘探工作的效率、質量和成本。本文通過對本單位XY系列立軸式鉆機和YDX系列全液壓動力頭鉆機在淺部、中深部勘探施工使用中表現出的效果及性能對比，簡述兩種鉆機的特點。

1、地質巖心鉆機的發展及應用情況

我國于上世紀六十年代研制成功了液壓立軸式巖心鉆機，在此之前我國使用的液壓立軸式巖心鉆機主要來源于蘇聯和瑞典進口，目前國內地質巖心鉆機市場使用的主要機型仍以立軸式鉆機為主。全液壓動力頭鉆機從上世紀七十年代在國外推出以來，發展迅速，目前在發達國家立軸式巖心鉆機已經被全液壓動力頭鉆機所取代。我國在上世紀八十、九十年代開始嘗試研制全液壓動力頭鉆機，并做出了樣機，但主要由于當時我國的液壓技術水平低，導致鉆機性能不佳，沒能進一步推廣。本世紀開始以來，我國的鉆機研制單位開始了新一輪全液壓動力頭鉆機研制攻關后，取得了成功，開始裝備地勘單位。在我國全液壓動力頭鉆機以其所具有的獨特優點一經問世，在市場上就受到了廣泛的關注和歡迎，現我國全液壓動力頭鉆機已出口到澳大利亞、俄羅斯和伊朗等國家。雖然全液壓動力頭鉆機在我國的推廣應用表現出良好的勢頭，但這種鉆機目前在我國地質鉆探市場上的使用份額比立軸式鉆機還是要小得多。但從長遠來看，全液壓動力頭鉆機的發展方向，必定會成為地質巖心鉆機市場的主角。但另一方面又必須看到，在固體礦產鉆探這一重要領域，不僅目前市場占有的主要機型仍為立軸式鉆機，而且從一些公司生產的不同類型鉆機更新年限的統計資料看，立軸式鉆機在該領域內的有效使用至少仍要保持15年。

2、兩種鉆機在結構、傳動方式及特性上的對比

XY系列立軸式鉆機（圖一）特點：為機械傳動液壓給進方式鉆機，鉆機拆卸方便，維護保養簡單，高塔長立根提下鉆，減小輔助時間，機械效率高，功率消耗少，價格低等。不足之處：給進行程短，需經常停機倒桿，震動大，噪音大，轉速變速范圍窄，鉆機智能化，數字化程度差。整機搬遷、安裝不便。

YDX系列全液壓動力頭鉆機（圖二）特點：是一種用油壓驅動和控制所有運轉部件的鉆機，這類鉆機借高壓變量油泵和變量油馬達可實現無級變速，相對于立軸式鉆機簡化了傳動機構，去掉了齒輪變速箱，減輕了鉆機重量，又充分利用動力。動力頭鉆機采用整體車載、模塊化設計，安裝方便，開機準備時間短，機械化程度高，全液壓馬達驅動噪音小，震動小，轉速變速范圍寬，動力頭轉速可精確控制，可實現無極化變速，智能化操作，同時比立軸式鉆機，取心作業的效率及安全性大大增加。

3、兩種鉆機在實際鉆探工作中效果對比

對我單位長年使用的xy-5立軸式鉆機（圖一）和YDX-1800（圖二）全液壓鉆機，在淺部、中深部勘探施工中的使用情況和施工統計數據比較如下：

（一）、使用情況比較

（1）立軸式鉆機由于采用鉆塔，可長立根

（12～18m）起下鉆，起下鉆速度比動力頭鉆機（立根長度一般為6m）要高得多。在鉆進施工中，起下鉆是一種經常的作業，起下鉆速度對施工效率有明顯的影響作用。但動力頭鉆機采用滑移桅桿式鉆塔，給進行程長，一般為3m左右，比立軸式鉆機的0.5～0.6m要長得多。對于3m進尺，動力頭鉆機可一氣呵成，而立軸式鉆機至少倒桿4次。每次倒桿不僅需多耗時間，還可能造成巖心斷裂，使得倒桿后重新鉆進速度慢，并加大了巖心堵塞的機率。在破碎地層，以上因素的影響尤為明顯。動力頭鉆機在機械鉆速、鉆頭壽命、回次長度和提鉆間隔方面都要優于立軸式鉆機。并且滑移桅桿式鉆塔直接支撐地面，大大增加了鉆機的穩定性。

（2）動力頭鉆機采用模塊化設計，拆卸和組裝方便，并有自行走式底盤設計，鉆塔為滑移桅桿式鉆塔，對鉆塔無需專門拆卸、安裝和搬運鉆塔，可大大減輕勞動強度，明顯節省施工時間并降低人工成本，在不同的交通環境中都表現突出。動力頭鉆機搬遷一般只需要1～2天時間。立軸式鉆機搬遷一次一般需要4～7天。同時由于動力頭鉆機的模塊化設計，其維修性要大大高于立軸式鉆機，只要配件到位，設備部件損壞故障可短時間快速排除。

（二）、統計數據比較

（1）鉆機施工效率

全液壓動力頭鉆機與立軸式鉆機施工效率比較表

表一 全液壓動力頭鉆機與立軸式鉆機施工效率比較表

由表一可看出，兩種鉆機在施工效率方面，動力頭鉆機的優于立軸式鉆機。

（2）兩種鉆機在軟巖層和硬巖層中施工不同深度鉆孔所需的鉆進時間對比（不計鉆機搬遷時間）：

兩種鉆機在軟巖中施工不同深度鉆孔的施工時間比較

表二 兩種鉆機在軟巖中施工不同深度鉆孔的施工時間比較

表三 兩種鉆機在硬巖中施工不同深度鉆孔的施工時間比較

以上數據，可得出以下結論：

（1）立軸式鉆機只是起下鉆時間比動力頭鉆機少，其他所有施工需要的時間均比動力頭鉆機要多。

（2）無論是鉆進軟巖還是硬巖層，動力頭鉆機的鉆進施工時間都明顯少于立軸式鉆機。特別是在軟巖鉆探中，動力頭鉆機節省時間表現的更好，這主要是因為在軟巖中，鉆頭使用壽命更長，提鉆間隔更大，使動力頭鉆機提鉆慢的弱點得到弱化。

（3）兩種鉆機如果考慮鉆機搬遷浪費的時間，動力頭鉆機比立軸式鉆機施工效率更顯優勢。

3、施工質量和施工成本對比

（1）全液壓動力頭鉆機是長行程給進，一個回次鉆進過程中工作平穩，在破碎地層全液壓動力頭鉆機長行程給進可明顯降低破碎地層鉆進的事故率，鉆探施工常遇到孔壁坍塌、超徑造成的埋、卡鉆事故較立軸式鉆機要少。而立軸式鉆機在一個回次中要倒桿4～5次，倒桿時可能造成巖心斷裂，加大巖心堵塞的機率，巖心采取率會因此受到影響。因此動力頭鉆機的巖心采取率和巖心質量要優于立軸式鉆機。

（2）鉆進施工成本是一個受多方面因素影響的復雜問題。但總體講，動力頭鉆機的購置成本比立軸式鉆機要高得多。但由于動力頭鉆機施工效率比立軸式鉆機要高，因此又可帶來施工成本下降。通過使用情況看：動力頭鉆機在淺進尺時，鉆進施工成本要高于立軸式鉆機，但在鉆進一定進尺之后，其鉆進成本與立軸式鉆機鉆進成本相當或更低。

4、鉆機適應性對比

由于不同的鉆進工藝方法對鉆機的轉速有著不同的要求。相比之下，動力頭鉆機的轉速變速范圍寬，轉速可精確控制，能夠進行無級調速，能較好地滿足不同地層的鉆進工藝的要求。同時與立軸式鉆機相比，動力頭鉆機需要的鉆進場地更小，能更方便地施工不同傾角的鉆孔，能更加容易地實現鉆進參數監測和控制。同時由于動力頭鉆機技術程度要遠高于立軸式鉆機，這種鉆機的液壓部件的加工制造較復雜，對使用維修的要求比較高，因此對操作人員的素質及管理要求要高于立軸式鉆機。

結論

通過對XY系列立軸式鉆機和YDX系列全液壓動力頭鉆機的構造特點和在淺部、中深部勘探施工中使用情況等方面的對比，表現出全液壓動力頭鉆機的鉆速效率和孔內事故發生指標及鉆探技術經濟指標、施工質量和適應性、維修性、操控性等方面都要明顯優于立軸式鉆機。特別是對鉆探工程任務量大，需要突擊完成的項目工程時，全液壓動頭鉆機的表現更是大大超前于立軸式鉆機。全液壓動力頭鉆機是一種具有施工效率高、施工質量好、事故率低、鉆機適應性強、輕便、維修性好等優點的鉆機，是我國地質巖心鉆機的發展方向。但在現階段，針對年度鉆探任務很小的勘查項目，從經濟成本因素考慮，使用立軸式鉆機經濟效果要好于全液壓動頭鉆機。對于鉆機深部勘探施工，通過使用分體塔式全液壓動力頭鉆機可完全解決桅桿式鉆塔在鉆探施工中存在的弊端。

[1]張偉.關于我國地質巖心鉆機發展方向的分析.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008,（8）.