新型車裝鉆機的研制及工程應用

譚春亮，宋殿蘭，劉家榮，林廣利

(北京探礦工程研究所，北京100083)

新型車裝鉆機的研制及工程應用

譚春亮*，宋殿蘭，劉家榮，林廣利

(北京探礦工程研究所，北京100083)

介紹了新型車裝鉆機的結構、主要技術參數和特點。詳細探討了與該鉆機配套的鉆具及取樣工藝，總結了該設備在我國西部荒漠戈壁、高原草原等地區應用取得的經驗成果，提出使用過程中的注意事項，為我國西部地區找礦突破提供技術支撐。

車裝鉆機；荒漠戈壁；取樣工藝；空氣鉆進

位于我國西部的荒漠戈壁覆蓋區、高寒凍土草原區等特殊地質地貌區，既是找礦技術的難點也是未來幾年找礦突破的重點，這些地區多處在國家重點成礦區帶或整裝勘查區域內，急需要一套科學、快速、有效的勘查技術方法，實現地質填圖、快速異常查證。鉆探作為一種最直接、最有效的技術手段，緊密與地質找礦突破行動結合，從鉆探工藝、鉆探設備等多方面入手完善創新。北京探礦工程研究所作為科技創新與技術支撐單位緊跟行業需求，在以往工作的基礎上，針對整裝勘查區內特殊景觀區遇到的復雜地層成孔取樣效率低、孔位搬遷困難等難題，研制了一套新型車裝式鉆探設備，通過優化組合、應用示范建立了一套完整成熟的淺層鉆進工藝方法，顯著提高了我國西部困難景觀區復雜地層的鉆探取樣效率和質量，對地質鉆探技術水平的提高起到積極的促進作用。

1　車裝設備

1.1設備概況（圖1）

圖1　車裝鉆機結構

設備由鉆機主體、承載底盤、空氣壓縮機、泥漿泵等主要部件構成，鉆機主體包括動力頭、夾持器、桅桿、給進系統、液壓系統等部件。

鉆機主要特點：

（1）車裝式：六驅車底盤裝載，移動方便，通行能力強，結構形式適用于幅員遼闊的西北部；

（2）動力集中：鉆機、空氣壓縮機、泥漿泵的動力均取用車底盤動力，減少了動力源的重復供給，減輕了設備自重，結構緊湊，整裝勘查；

（3）高效鉆進：設備采用液壓馬達—鏈輪給進、實現動力頭的快速升降，鉆機行程6m、采用空氣鉆進工藝，效率可達到15m/h以上；

（4）模塊化設計：便于故障檢測與維修，全液壓動力頭式鉆機，頂驅式結構，鉆進過程集中手柄操控，方便擰、卸鉆桿及處理孔內復雜情況；

（5）自動化程度高：動力頭可以抬頭，配合卡盤夾持器，實現自動擰卸鉆桿，輔助鉆進時間少，3個技術工人可以工作，適用于大面積的工程勘查、物探成孔、化探取樣。

1.2主要參數

該鉆機以解決淺覆蓋區的鉆探為主，根據實際工作需要確定鉆機參數（表1）。

1.3關鍵部件

1.3.1動力頭（圖2）

動力頭采用雙馬達驅動，這種驅動方式結構緊湊，輸出扭矩大。雙液壓馬達輸出扭矩經齒輪傳動，驅動中心管和鉆具旋轉。

表1　車裝鉆機主要技術參數

圖2　動力頭結構圖

為滿足雙壁鉆桿空氣反循環鉆進工藝需求，動力頭采用通孔式結構。

1.3.2夾持器（圖3）

圖3　夾持器結構圖

為了保證設備工作過程中的安全，防止跑鉆，夾持器采用常閉式結構，對稱布置，蝶形彈簧卡緊，液壓松開?？ㄍ呖筛鶕ぷ餍枰鹧b或更換，最大通過孔徑為116mm，可通過套管，結構安全可靠，軸向距離短，對中性好。

1.3.3給進系統（圖4）

空氣鉆進具有高效快速鉆進的特點，給進方式是影響效率的重要環節。對比分析包括油缸給進、倍速給進在內的多種給進方式，綜合分析體積、重量、可靠性等多種因素，最終確定采用鏈輪馬達給進。

給進方式簡單可靠，同時可以有效地減輕給進系統的重量和體積，實現快速提升和慢速給進的功能。鉆進過程中根據地層情況需要隨時調整鉆壓。因此，設備選用了低轉速、大扭矩馬達，且安裝了自鎖機構。

圖4　給進機構結構圖

1.3.4桅桿滑架部分

桅桿為鉆機支撐部件，全長8m，由槽鋼及角鋼焊接而成，鉆機每次最長可提取6m長的鉆桿。采用П型結構，便于加工，保證工作狀態平穩。

2　鉆探工藝及方法

我國西部多為地表無水、地下淺部漏水的地區，如果采用液體作為循環液的鉆探方式,僅供水的費用將占總施工費用的1/3。目前西部許多取芯鉆探，施工過程中需要配備專門的施工供水車,有的要到離工地幾十公里以外尋求水源,但仍難以滿足生產需要。相比之下，空氣作為無處不在的特殊介質，為人類在無水地區實施鉆探活動提供了物質保障，完善和推廣適于西部地區應用的空氣鉆探技術顯得尤為重要。

該機型以空氣循環鉆進為主，兼顧螺旋鉆進、合金鉆進、頂部沖擊鉆進等多種工藝。

（1）較完整地層采用合金鉆頭+空氣正循環回轉鉆進，遇到硬巖更換潛孔錘；

（2）破碎地層，采用雙壁鉆桿配貫通式潛孔錘（雙壁合金鉆頭）+空氣反循環鉆進，實現中心取樣。

（3）針對厚沙漠覆蓋層，采用根管鉆進（孔壁支護）+空氣正循環鉆進。

幾種工藝方法的配合實施，解決了我國西部干旱缺水景觀區無法高效鉆進的難題。

3　工程應用及取得的經驗

3.1工程效果

采用該鉆機具2013年在青海省野馬泉礦區、新疆哈密大南湖礦區進尺3200m，整體平均鉆進效率15m/h，最高效率23m/h，巖芯（樣）采取率達到95%以上，得到了合作單位的一致認可（圖5）。

圖5　野外現場工作照片

3.2取得的經驗

空氣鉆進施工過程中經常遇到問題是“混樣”、“卡鉆”、“氣流不暢”等現象，針對這些現象，我們總結了一些經驗方法，以供參考：

（1）對于化探取樣，樣品與層位的對應是非常重要的，也就是我們通常說的不混樣，為此，在長期的工作中，我們總結出了一套行之有效的方法：首先對于化探取樣通常是1m取1～2個樣，樣品的收集要放到鉆桿鉆進的中段進行，也就是加鉆桿后兩頭不取，取中間段；再就是在加鉆桿停鉆時，讓空壓機繼續工作1～2min，用以沖洗孔壁。這些措施保證了取樣的準確度。

（2）鉆進過程中要及時的監控收集裝置氣流的變化，當發現氣流不暢或卡鉆現象時要及時地調整空壓機供給，同時上下滑動鉆具保證鉆孔的通暢。減慢下鉆速度、震動鉆桿、反沖擊也有助于解卡。

潛孔錘鉆進各種不正常的現象，在工藝設備參數配合合理的情況下，多是由于孔內殘渣未及時排出所致，因此保證孔內通暢，破碎巖渣能夠及時地排出孔外是一個重要條件?？妆诓环€定掉塊，探頭等也是造成卡鉆的因素，這些需要設備操作者能夠總結地層情況，對不正常的現象能夠及時地做出判斷，通過調整設備參量、工藝器具予以解決。

4　結論

通過在青海、新疆地區的充分試驗，驗證了新型車裝設備在相似景觀區取樣的可行性和有效性，試驗取得了較好的社會效益和經濟效益，為今后該產品及工藝在我國西部干旱缺水地區的廣泛推廣提供了強有力的例證。新型車裝鉆機主要有如下特點：

（1）鉆機設備本體和底盤動力集成化，合理分配動力，實現了整裝勘查的目的,整體性能達到了國內領先水平。

（2）鉆機率先在淺層鉆探取樣中實現了小口徑中心取樣技術。采用貫通式潛孔錘匹配外平雙壁鉆桿，使鉆桿鉆具對孔的破壞減少，既提高了取樣效率，又減少了事故率。

（3）鉆機結構簡單、性能可靠、操作簡單、維修方便、易損件少、可拆裝性強,適合我國西部荒漠戈壁等交通不便地區的野外地質勘察取樣鉆進,是我國西部缺水地區地質取樣的首選設備。

（4）采用該取樣鉆機具,可成功代替槽(井)探傳統取樣和人工挖掘取樣,滿足地質大調查的勘察取樣要求,可顯著提高地質調查取樣的速度和質量,是特殊地貌地質填圖、物探成孔、化探取樣、環境監測等領域必不可少的技術手段。

[1]王達.西部特殊景觀區鉆探取樣技術展示[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2005（1）：1-5.

[2]武毅.遙感、物探、鉆探技術在西部嚴重缺水地區地下水勘查中的集成化研究[R].2006.

[3]徐小兵,余秀明.淺析高海拔地區鉆探設備及工藝的適應性[J].湖南有色金屬,2006(2)：60-63.

P634.3

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1004-5716(2015)07-0031-03

2014-07-24

項目來源：中國地質調查局技術方法類工作項目“青海祁漫塔格成礦帶金屬礦地質礦產調查”,項目編號：12120113031900。

譚春亮（1979-），男(漢族)，山東德州人，高級工程師，現從事鉆探機械產品的研發推廣工作。