FD-600型全液压动力头反循环连续取样钻机的研制与应用

２０１８年３月

探矿工程(岩土钻掘工程)

)ExlorationEnineerinRock&SoilDrillinndTunnelinpgg(gag

Vol．４５No．３

Mar．２０１８:６２－６７

FD６００型全液压动力头反循环

连续取样钻机的研制与应用

刘智荣１,伍晓龙２,王庆晓２

()西北综合勘察设计研究院,陕西西安７中国地质科学院勘探技术研究所,河北廊坊０１．１０００３;２．６５０００、摘要:文章结合国内外C为满足国内对空气反循环连续取样(心)冲击SR取心技术的现状和所生产钻机的特点,回转、定向钻进等多种高效钻探工艺对钻机的需要,从钻机整体结构设计、整体布局进行详细考量,采用质量可靠的液压件、动力机等外购件,摒弃传统钻机设计周期长、动力小、机械化程度低、对地形和钻探工艺适应性低等特点,研制出了一台高效、可靠、机械化程度较高的FD６００型全液压动力头式反循环取样钻机.在３次野外生产试验中充分体现出了优越性,可满足砂金勘探、工程施工等取心钻探的要求.关键词:全液压动力头钻机;履带式;空气反循环;连续取样;潜孔锤;多工艺钻进

()中图分类号:P６３４．３＋１　　文献标识码:A　　文章编号:１６７２－７４２８２０１８０３－００６２－０６

:AbstractCombininiththestatusquoofCSRcorinechnoloothinChinaandabroadaswellasthecharacＧgwgtgyb

,teristicsofdrilliniroductioninordertomeetthedrillinieuirementsinChinaformatchinirreversegrgpgrgrqga),,,circulationcontinuoussamlincorinimactrotarrillindirectionaldrillinndotherefficientrocessesanpg(gpydggap

,’;,C,LandDesinXianShaanxi７１０００３,China２．TheInstituteofExlorationTechniuesAGSanfanebeigpqggH

)０６５０００,China

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(LIUZhiＧronWUXiaoＧlonWANGQinＧxiao１．NorthwestResearchInstituteofEnineerinInvestiationsgggg,g,gefficientandreliablehihＧdereemechanizationFD６００tehdraulicpowerheadreversecirculationsamlinrillggypypgd

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:;c;a;c;DKeordsfullhdraulicpowerheaddrillrawlerteirreversecirculationontinuoussamlinTHyyppgyw;mhammerultiＧrocessdrillinpg

随着社会的进步及全球人口的增加,人类对矿产资源的需求量将会进一步增加.与人类生存有密切关系的矿产资源的供给与补充对人类未来能否更好地生存显得尤为重要.近几年随着国家勘探任务的增加,各种先进的技术装备与工艺,在我国得到了大量的应用与推广,如金刚石绳索取心方法等,但CSR钻探方法在我国一直未得到广泛的应用与推

广.C一方面SR钻探技术未能在我国推广的原因,是我国在地质方面没有统一的标准,另一方面我国还没有一系列的专门用于CSR钻探方法的钻探设备与钻具.因此为丰富我国的钻探技术方法,更好

的为地质找矿服务,进行反循环取样钻探装备及钻探工艺技术研究,研制一整套专门用于CSR钻探技的重大技术问题.在«国务院关于加强地质工作的勘探技术研究所顺应国家政策,立项开展空气反循产品化,无论是提升我国的钻探技术水平还是满足资源勘探的迫切需求都是非常必要的;对缓解目前、资源短缺制约我国经济发展的“瓶颈”发现新的矿产地、拓展新的找矿空间实现资源可持续发展意义术的钻探设备与钻具,使之系列化,是当前必须解决(]决定»国发[出台之后,中国地质科学院２００６４号)环取样钻探装备及钻探工艺技术研究,使之系列化、

　收稿日期:２０１７－１１－１６;修回日期:２０１８－０２－０７

()中国地质调查局地质调查项目“空气反循环取样钻探技术示范应用推广”编号:　基金项目:１２１２０１１３０９６８００勘探科研项目研发工作,河北省廊坊市金光道７７号,wxl１９８７５１６＠１６３．com.

刘智荣,男,汉族,高级工程师,主要从事基础工程设计与施工及钻探新技术、新工艺、新设备的开发研究工作,陕西省西　作者简介:１９６７生,

安市习武园９号,伍晓龙,男,汉族,机械设计制造及其自动化专业,从事岩心钻探设备设计制造及国家地质dm０４０９１９＠１２６．com;１９８７年生,gy

　第４５卷第３期　　刘智荣等:FD６００型全液压动力头反循环连续取样钻机的研制与应用　６３

重大.

１　研究现状１．１　国外研究现状

液压件类型及质量的影响,钻机在使用过程中各动作的控制精度低,操作性差,液压元件易漏油、损坏,维修成本大等缺点,使得钻机整体质量不是很高.２　研究的内容

、为满足空气反循环连续取样(心)冲击回转、定向钻进等多种高效钻探工艺钻进的需要,研制了全液压动力头式反循环取样钻机.FD６００型高效、

主要研究内容有:

美国首先在砂金矿的勘探２０世纪７０年代初,

工作中应用C通过大量试验,成功解决了SR技术,常规钻探方法在砂金矿勘探中取样难、采样质量低的难题,且大大提高了效率,降低了成本,因此被推广并应用于其他固体矿产勘探.８０年代后期,CSR钻探在美国、加拿大、法国等西方工业发达国家得到广泛应用,其矿产勘探工作量的比重超过成的工作量已超过金刚石钻探工作量.由此可知６０％,

完,SR钻探工艺在国外特别是西方发达国家是一套技术成熟并已经得到全面推广的钻探工艺技术.随着同,钻探设备类型RC钻探技术的发展,

根据地质条件的不、钻具组合得到不断发展与完善.现在加拿大深能力VPR２H公司都大量生产反循环取样钻机DRLLSYSTEMS公司、美国公司、法国,钻机钻系列化.０这些钻机都采用全液压顶驱式０~１０００m,

产品都已经标准化(动力头钻、模块化、机),其设计为模块化、全液压、多功能,代表了最新的发展潮流.具有长行程给进、无塔升降钻具、无级调速、机械化程度高、配套器具齐全、生产效率高等优点,其特点是回次进尺长、自动化、机械化程度高.如００A０TVL钻机等AS的.

R５０\\R２２０钻机,加拿大的CSR通过调查与研究不难发现,国外装备的整体现状与发展趋势主要有以下特点RC钻探机械

:(机都采用全液压顶驱式(动力头钻机),具有回次进１)钻尺长、自动化、机械化程度高;(能,除应用于反循环中心取样工艺外２)钻,机大多数能进行具备一机多水井施工,适合空气正反循环、气举反循环等水井施工工艺;(３))愈,便于变形设计派生产品来愈多地采用拼装式设计(Comp

oＧ列化entD.

esig

n,便于产品系．２　国内研究现状我国曾在EMS公司及８美０年代中期从加拿大国SR１００IDRLLSYSＧ０NAGVER型S钻OL机L及TRAHND公司分别引进了C１００型钻机,分别在山东、宁夏等地进行了试验并取得了良好

的效果[１３]

m全液压反循环中心取样钻机.地矿部在“八五”期,

但由于受当时我国间研制了一台３００

((１)钻机整体布局模块化结构设计;(２

)(３)钻机动力头结构设计钻机给进、提升机构结构设计;;(４

)(５(６

)钻机桅杆部分结构设计)钻机液压系统原理设计;底盘结构设计;;(７８

))卸扣机构及孔口结构设计钻机行走机构及其它辅助结构设计;;辅助工具的结构设计(９

)钻机配套钻杆;

(双壁钻杆)、钻具(潜孔锤)及能指标(１０,)并对钻机进行合理的修改与完善进行野外实际生产试验,检验钻机各项性,使其适合相应的钻探工艺,进而达到高效生产的目的.３　FD６００型钻机结构及性能特点３．１　钻机主要结构设计

３．１．１　钻机整体结构

钻机整体结构见图车、主桅杆、桅杆支座、给进机构１.该钻、动力头机主要、液压系统由塔顶吊、

底盘、行走机构、操作台、卸扣夹持器等模块化部件组成.动力系统配有柴油机,行走机构通过无线遥控履带行走,可适应多种工作环境.

３．１．２　钻机液压系统

钻机液压系统见图转变量马达、主控制阀等部位液压元件均采用优质２.主要元件如液压泵、回进口件,其他各元件也都采用国内名牌厂家元件,确保系统元件质量.液压油泵采用负荷敏感泵,该泵能够对系统的流量压力需求的变化做出正确响应,减小功率损失,满足工作需求;回转变量马达能够对动力头的输出转速从满足各工况对转速的需求０~１４;０r主阀采用负荷敏感阀可/min实现无级调速,

对各主要动作实行精确控制,满足多个主要动作在同负载下工作等特点,增加钻进过程的安全性.C１n１T６４探矿工程(岩土钻掘工程)　　２０１８年３月　

１—塔顶吊车;２—回转式减速器;３—桅杆;４—支腿油缸;５—行走履带;６—给进滑轮;７—发动机;８—动力头总成;９—液压油泵;１０—

吊车卷扬机;１１—给进油缸;１２—底盘;１３—夹持器;１４—孔口板

图１　FD６００型钻机结构示意图

１—液压泵及油箱;２—先导阀组;３—主阀组;４—回转马达;５—给进油缸阀组;６—卷扬机阀组;７—辅助阀组;８—行走阀组;９—行走马达;１０—辅助阀组

图２　液压原理图

３．１．３　钻机动力头结构

动力头作为钻机的核心部件之一,其主要功能是为孔内钻杆和钻具回转提供所需的转矩和转速,实现孔底钻头通过连续旋转破碎岩石并连续延伸钻孔的目的.本动力头设计包含水龙头、传动机构、气盒子等.采用一级齿轮传动,通过变量回转马达＋减速器直接驱动小齿轮,结构简单可靠;各齿轮、轴承等受力零件通过SolidWorks进行分析计算均满３．２　钻机主要特点()模块化设计.各部件组装、分解简便,衍生１系列产品快,设计工作量小,生产周期短.

(动力强.配备康明斯１２)９４kW６缸发动机,足强度要求,结构如图３所示.

１—回转马达;２—减速器;３—水龙头总成;４—齿轮箱总成;

５—气盒子

图３　动力头结构图

采用全液压驱动,保证施工所用动力充足.

(机械化程度高,辅助时间少,劳动强度低.３)

　第４５卷第３期　　刘智荣等:FD６００型全液压动力头反循环连续取样钻机的研制与应用　６５

配备塔顶工具绞车,方便起吊钻具、加装钻杆等;配有孔口卸扣器,便于卸开钻杆,避免因长时工作的钻杆连接扣预紧力过大,出现卸不开的现象;钻塔采用长的立根;配有行走履带,开钻速度快.

,整体结构,给进行程长(一次可提升６m６９００mm)()操作安全简便,事故率低.各动作采用液压４

阀直接控制,便于操作;无主动钻杆,配有快速提升机构,在遇见卡钻、埋钻等事故时,加快处理速度;钻机电、液仪表齐全,可实时观察设备运行情况,在关５　钻具研制

针对钻机结构,我们为该钻机配备有如下主要钻具:

()加长型保护接头,能够保护钻机主轴丝扣的１

同时方便加接钻杆.

.打压密封性达到１mm,０MPa

()气盒子,实现气路转换,打压试验达到５２.MPa()长６m,壁厚９３Ø８９mm外平双壁钻杆,􀆰３５

键部位如液压油箱、柴油箱安装自动报警装置,便于保护发动机和液压系统,减少人为事故的发生.减压钻进(５)适应性和安全性强、自重钻进、称重、.快速给进提升等工作状液压系统中设计有加、态;底盘上安装有泡沫泵,可进行空气泡沫钻进,注油器能够润滑锤体内部,实现锤的高效钻进;桅杆角度可调,能钻进层,不同钻孔和钻探工艺需要４５°~９０°的孔;从而可满足不同地,同时配备的无线遥控控制可变速履带行走系统,增加钻机对地形的适应性及操作、准件(、６通用零部件)运输人员的安全性.

标准化程度高,利于组织生产.在钻机设计中大量选用标,降低成本,便于维修.

环钻进(７)、工艺适应性强空气反循环潜孔锤钻进.该钻机能够适应泥浆正循、空气牙轮钻进、气举反循环钻进等工艺,各工艺变换较快.

　FD(６００(１)型钻机主要技术参数

(２(３)钻进能力:Ø８９mm双壁钻杆钻进)提升能力扭矩:１０００:３６００m;

０N５０k􀅰Nm;;(４)(５)转速:０~１４２r/min;(６(７)钻进倾角:４５°

;)桅杆结构::６K型;

给进行程９００mm;

(８９))柴油机功率系统压力:３１:１９M４kPa

;W＠２５００r/min;mm,((容绳量１０)工具３５m卷扬;:提升力２０kN,钢丝绳直径１２宽(１１１２);)行走方式外形尺寸::１履带式０􀆰５m×;×高)

２􀆰２m×３􀆰３m(长×(１３)总质量:１４t

.(４)该类型潜孔锤能量消耗低KFQC３３５、KFQC３４５型中空式气动潜孔锤.,冲击能量大,能量传递效率高;排屑能力强,钻进效率高;结构比较简

单,维护保养方便.两种潜孔锤的参数如表　１所示.

表１所采用的潜孔锤的技术参数潜孔锤型号外径/钻孔直径/风压/Kmm９０

９５mm

~１０５MPa

(/

m

３􀅰

风量min－１)

KFFQQCC３３３４５５

１０５１１０~１３０

００􀆰􀆰７７~~２２􀆰􀆰１１

４５􀆰􀆰２７~~１１１４􀆰􀆰７７

为更好的配合钻机试验,我们也配备了一些辅助型钻具,如:交叉接头、正循环潜孔锤、正循环封堵器、牙轮钻头等,确保钻机配套工艺试验顺利进行,又能满足多种工艺的钻进,真正检验钻机的各项性能指标.

６　野外生产试验的野外实际生产试验主要分为FD６００型全液压动力头反循环连续取样钻机２０１３年１１月—２０１３个阶段,第一阶段

１４年０—１１月在河北邢台朱庄水库;第二阶段２０１４年月在黑龙江黑河１月在新疆哈密红石矿区;第三阶段２０１５年４—５.共完成钻探工作量的数据介绍如下１７００m.

.现就各个阶段试验情况和取得６．１　第一阶段(

河北邢台)本次试验(见图及钻机和钻具匹配的合理性４)主要验证钻机的整体性能以.试验过程主要以空气反循环潜孔锤钻进、空气反循环牙轮钻进为主.开孔时采用深度４３mØ,１之后下６８mm正循环气动潜孔锤钻进,钻进KFQC３４５型冲击器进行空气反循环钻进Ø１４６mm套管,

下完套管后采用.钻具

组合为:气盒子３４５型冲击器＋Ø＋Ø８１９mm外平双壁钻杆２０mm冲击锤头＋K.钻FQ进C到１５４􀆰８７m后由于地下水量过大,潜孔锤工作效率严４６６探矿工程(岩土钻掘工程)　　２０１８年３月　

重下降甚至出现不工作情况而改为空气反循环牙轮Ø８９mm外平双壁钻杆＋空气反循环导流罩接头＋Ø１１４mm三牙轮钻头.当钻进到孔深２６５􀆰２０m时空压机的风量随着钻孔深度的加深而不能将孔底的岩屑及时排出,若继续进行施工,岩粉会沉积越来越多,稍一停滞则会造成岩粉埋钻事故.最后我们mm外平双壁钻杆＋气水混合器＋Ø８９mm外平双采用气举反循环钻进,钻具组合为:气盒子＋Ø８９钻进.空气反循环牙轮钻进钻具组合为:气盒子＋

证钻进和钻具完善后的整体性能,试验过程主要以空气反循环潜孔锤钻进为主,完成１０个设计钻孔,开孔时均采用Ø１６８mm正循环气动潜孔锤钻进,

钻进至基岩后下入Ø后采用K１４６mm套管,FQC外平双壁钻杆＋KFQC３５５型冲击器＋Ø１２０mm冲击器锤头.共完成１完成的最大孔０个设计钻孔,内完成,充分体现了该种工艺的优越性并对钻机进气盒子＋Ø３５５型冲击器钻进.钻具组合为:８９mm

深１最小孔深８每个钻孔均在１１５􀆰２m,４􀆰５m,０h

壁钻杆轮钻头＋空气反循环牙轮钻接头.从孔深２６５􀆰２０m一直＋Ø钻进１１至４终mm三牙孔深度７２􀆰３５m(设计孔深４００m)

.图４　河北邢台朱庄水库试验场景

．２　第二阶段(

新疆哈密)本次试验(见图夹持器、水龙头以及双壁钻具改进后的性能５)主要验证钻机改进后.托试验架、过程主要以空气反循环潜孔锤钻进为主,完成设计钻孔,开孔时均采用Ø１６８mm正循环气２个动潜孔锤钻进,钻进至基岩后下入型冲击器钻进Ø.１４钻６具mm套管,后采用KFQC３４５组合为:气盒子器＋Ø＋Ø８９２０mm外平双壁钻杆mm冲击锤头.共＋K完F成Q孔C深３４２５型冲击２４􀆰３５m１钻孔两个.

２５􀆰７８和

图５　新疆哈密红石矿区试验

．３　第三阶段(

黑龙江黑河)该次试验(见图６)是在前两次试验的基础上验

行了充分的考验.

图６　黑龙江黑河矿区试验

上述孔锤钻进,３次试验地层均以岩石为主,刚好适合潜

若采用常规岩心钻机进行取心施工,施工条件要求较高,需要有泥浆池、周围有水源,在无水源地需要拉水或是打水井,施工场地的移位较繁琐、施工效率低.施工过程中针对不同地层,需要配备不同的泥浆,取心工艺单一,在钻遇破碎、坍塌、涌水裂隙发育等地层时,解决方式只能是提高泥浆性能、水泥封孔,严重时只能下套管处理,这样出现钻探事故可能性较大,若采用反循环连续取样钻机,只需配备空压机和双璧钻具即可,开孔辅助时间短,对施工场地的要求简单,气候适应性强,施工过程中减少泥浆对孔壁的冲刷,降低埋钻、卡钻尤其是涌水对施工的影响,同时可以根据地层情况随时更换钻具组合,实现多工艺空气钻进,满足取心要求的同时,施工效率高.

　试验中遇到的问题及改进

过程中对细节部分注意不够(１

)钻机托架耳板断裂.,再加上焊接质量问题主要是由于图纸绘制.对托架进行重新改进设计加工后,使其在给进提升过程中更加可靠.

(２

)夹持器在夹持钻杆时壳体变形严重.主要４６２７６　第４５卷第３期　　刘智荣等:FD６００型全液压动力头反循环连续取样钻机的研制与应用　６７

是由于液压系统压力和夹紧油缸过大,夹持器结构受力不均匀.重新设计夹持器,选用较小的夹紧油缸,对其受力采用S增强olidWorks软件进行分析,受力薄弱和变形部位,使其在夹紧钻杆时避免了夹持器壳体的变形、损坏.

()水龙头密封不严,在遇到含水量大的地层３时,会使得返上来的水从芯管漏出,进入动力头箱体内.为了解决这一问题,我们对芯管结构进行了改进,并对水龙头上各个零件加工的精度进行严格要()钻机在施工过程中会用到潜孔锤,由于潜孔３

锤在破碎岩石的过程中产生的震动会通过钻具直接传至钻机,导致钻机上各螺栓连接松动,严重时会产生事故,应加强各螺栓的防松,增加机械防松措施,避免在施工中由于潜孔锤震动剧烈而使螺栓松开,频繁预紧螺栓,损坏螺纹扣或产生事故.

()在钻机设计前,应当对所要配套的工艺进行４

充分的认识和了解,以便在施工过程中能够更好的和相应工艺进行配套,满足多工艺钻进.求,选用不同材料的密封圈进行打压试验对比,经过反复试验,选用合适材料的密封圈,确保其在施工过程中的可靠性.

在动力头设计过程中(４

)动力头主轴上锥扣断裂,为减小动力头体积.究其原因主要是,减小主轴尺寸,且需满足反循环工艺要求,使主轴内孔太大,导致壁厚太薄.改变内孔直径后,问题消失.方便(,５后将其做成两半式)钻机孔口板原为整体式,在加装和拆卸钻具,在试验过程中很不、起下钻或临时增大钻孔直径时,体现出了优越性.机部件更便于维修(６

)钻机底盘进一步优化设计制造与布局、安装.,使钻质量(,７加装更)履带底盘行走马达及其减速机构总成提高加可靠的刹车器,最好有多重刹车系统,以保证在陡峭的山坡上行走与停留更加安全.　结语

设计要在强度和可靠性允许范围内设计精巧(１)钻机的整体结构布局合理,对各个零部件的、便捷.

量严格要求(２

)钻机各个零部件在加工制造的过程要对质,避免在施工过程中由于加工质量问题产生安全隐患.

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