便携式全液压钻机与立轴式钻机在袁广-良畈矿区的应用探讨.pdf

价值工程表1各钻机性能设备参数表项目设备类型与参数立轴式（XY-4）便携式全液压（EP600PLUS）给进能力最高转速/（rmin）给进行程/（m）提升力/kN给进力/kN20001.83503011001.807035施工能力钻孔直径/mm钻进深度/m取心直径/mm钻杆类型（HTW/NTW/BTW）200/600/80071/56/42直连式薄壁钻杆HQ/NQ/BQ200/400/60066.7/49.9/38Q系列绳索取心钻杆0 引言2020 年 10 月，湖北省自然资源厅关于印发 省自然资源厅保障建筑石料供应能力提升三年行动方案的通知，通知提出为缓解全省建筑石料供应压力，加大矿业权投放，以便满足全省重点工程和民生需求，为湖北疫后重振和高质量发展提供坚强保障1。受政策红利期影响，黄石地区加大了对非金属勘查项目的投资力度，新上了大批非金属勘查项目。其中笔者单位承担了 湖北省阳新县袁广-良畈矿区石灰岩矿勘探 项目的实施，该项目位于湖北省黄石市阳新县，勘查经费2093 万元。本文通过对该项目的地质岩心钻探工作进行系统分析，归类总结了便携式全液压钻机和立轴式钻机在该项目的施工情况，为后续开展同类型非金属岩心钻探工作，提供设备选型参考和施工依据。1 项目概况1.1 地形地貌袁广-良畈矿区位于阳新县东北 52毅，直距约 20km，距黄石市东南 130毅，直距约 40km。隶属阳新县富池镇和陶港镇管辖。地理坐标：东经 115毅20忆14义115毅22忆35义，北纬29毅56忆45义29毅58忆50义，面积约 4.87 平方公里。矿区属山地-丘陵地貌，山脉总体呈近东西走向，海拔标高 89418.6m，相对高差一般 100320m，矿区内植被很发育。1.2 地层岩性矿区内出露地层有志留系中统坟头组（S2f）、泥盆系中-上统云台观组（D2-3y）、石炭系中统大埔组（C2d）、石炭系中统黄龙组（C2h），二叠系下统栖霞组（P1q）、二叠系下统茅口组（P1m）、二叠系上统龙潭组（P2l）、三叠系下统大冶组（T1d）。钻探揭露岩性主要为：砂岩、石英砂岩、白云岩、白云质灰岩、灰岩、含燧石结核灰岩、长石石英砂岩、角砾岩等，岩石的可钻性级别均在 58 级之间，地层较完整、风化程度较弱，岩溶较发育。2 钻探设备2.1 项目投入的钻探设备情况该矿区结合钻探工作量、设计孔深、工期要求及场地条件等因素，投入两种类型的钻探设备，分别为：立轴式钻机 4 台（XY-4）、便携式全液压钻机 2 台（EP600PLUS），各类型钻机主要性能参数详见表 1。2.2 便携式全液压钻机工作原理及特点该类型钻机主要由动力部分、控制系统以及执行单元要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要作者简介院张云（1986-），男，湖北黄石人，高级工程师，本科，学士，研究方向为工程地质、地质钻探。便携式全液压钻机与立轴式钻机在袁广 良畈矿区的应用探讨Application of Portable Full Hydraulic Drill and Vertical Shaft Drill in Yuanguang-Liangfan Mining Area张云淤于ZHANG Yun曰吴丹淤于WU Dan曰王润伦淤WANG Run-lun曰吴明淤WU Ming（淤湖北省地质局第一地质大队，大冶435100；于湖北省地质局第一地质大队地质技术研发中心，大冶435100）（淤The First Geological Brigade of Hubei Geological Bureau，Daye 435100，China；于Geological Technology Research and Development Center，the First Geological Brigade of Hubei Geological Bureau，Daye 435100，China）摘要院随着便携式全液压钻机在地质岩心钻探项目中的应用越来越广泛，但其与传统立轴式钻机缺少对比与分析，无法更好地指引地质岩心钻探项目的钻机选型与实施。本文通过对比总结便携式全液压钻机与立轴式钻机在袁广-良畈矿区非金属勘查项目中的施工应用，系统分析了两种类型的钻机在350m以内浅-中深钻孔为主的非金属勘查项目中施工表现，总结了两类钻机各自的优缺点，为后续开展类似项目提供参考依据。Abstract:With the increasingly widespread application of portable full hydraulic drilling rigs in geological core drilling projects,theylack comparison and analysis with traditional vertical axis drilling rigs,which cannot better guide the selection and implementation ofdrilling rigs in geological core drilling projects.This article compares and summarizes the construction applications of portable full hydraulicdrilling rigs and vertical axis drilling rigs in the non-metallic exploration project of Yuanguang Liangfan mining area.It systematicallyanalyzes the construction performance of two types of drilling rigs in non-metallic exploration projects mainly consisting of shallow tomedium deep drilling within 350m,summarizes the advantages and disadvantages of each type of drilling rig,and provides a reference basisfor similar projects in the future.关键词院便携式全液压钻机；立轴式钻机；地质岩心钻探；台月效率Key words:portable fully hydraulic drill；vertical shaft drill；geological core drilling；efficiency unit per month中图分类号院P634.3+1文献标识码院A文章编号院1006-4311（2023）23-120-03doi:10.3969/j.issn.1006-4311.2023.23.039Value Engineering表5直孔钻孔斜偏差统计表钻机型号EP600PLUS型便携式全液压钻机XY-4型立轴式钻机钻孔孔号5号孔6号孔7号孔8号孔9号孔10号孔11号孔12号孔单孔孔斜偏差（毅）110.810.60.50.90.7每百米孔斜偏差（毅/每百米）0.380.400.300.380.210.100.220.47单类型每百米孔斜偏差（毅/每百米）0.360.25平均每百米孔斜偏差（毅/每百米）0.31表4斜孔孔斜偏差统计表钻机型号EP600PLUS型便携式全液压钻机XY-4型立轴式钻机钻孔孔号1号孔2号孔3号孔4号孔13号孔14号孔15号孔单孔孔斜偏差（毅）1.62.110.60.732.8每百米孔斜偏差（毅/每百米）0.460.620.360.220.421.450.82单类型每百米孔斜偏差（毅/每百米）0.410.90平均每百米孔斜偏差（毅/每百米）0.62注：每百米孔斜偏差=（设计倾角-终孔倾角）/终孔深度伊100.表3直孔钻探效率渊台月效率冤统计表钻机型号EP600PLUS型便携式全液压钻机XY-4型立轴式钻机钻孔孔号5号孔6号孔7号孔8号孔9号孔10号孔11号孔12号孔单孔台月效率m/（台 月）798.60 450.00 890.00 880.00 399.71 438.93 352.74 603.19三部分组成，其中动力部分为电动机或柴油机，控制系统集成于操作台内，执行单元由动力头、升降油缸、卷扬机、泥浆泵等组成，通过各执行元件相互配合而完成钻进、取心工作。钻机是以柴油机或电动机提供输出动力，驱动液压泵产生液压力，液压力再经控制单元分配传递到钻进单元，驱动液压动力头和油缸，从而带动钻具旋转和钻进。该类钻机主要有以下特点：淤模块化轻量化设计，大量采用了航空铝材，重量轻，最大一个模块约 170 公斤，易于拆卸、搬迁及安装2。于机台占地面积小，可减少基础工程施工量，绿色环保3，减少了对生态环境的破坏，符合绿色勘查倡导的理念。盂使用薄壁系列钻具加薄壁金刚石钻头，切削速度快，钻进效率高，可降低钻探成本。2.3 立轴式钻机工作原理及特点该类型钻机最主要的结构形式是回转器上有一根较长的立轴，在钻进中可起到良好的导正和固定钻具方向的作用。立轴式回转器传动部件结构紧凑，加工、安装定位精度高，润滑及密封条件好，主动钻杆与回转器输出轴同心度高，钻机导向性能较好，可以高速旋转，转速最高可达2000r/min，适合高速回转又利于保证开孔质量。该类型钻机主要有以下特点：淤钻机具有较高的立轴转速，转速调节范围广，有八档正转速度和两档反转速度。于结构简单，布局合理，手柄集中，操作灵活可靠，且机架坚固，重心低，高转速时稳定性好。盂钻机采用单独驱动，动力可根据需要选配电动机（30kW）或高速柴油机（2000r/min，5060 马力）。3 钻探施工情况3.1 两种类型钻机钻探情况袁广-良畈矿区通过 EP600PLUS 型便携式全液压钻机和 XY-4 型立轴式钻机累计完成岩心钻孔 15 个，完成钻探总工作量 4013.08m。经过统计，EP600PLUS 型便携式全液压钻机完成岩心钻孔 8 个，累计完成钻探工作量 2292.70m，其中直孔 4个共计 1044.7m，斜孔 4 个共计 1248m；XY-4 型立轴式钻机完成岩心钻孔 7 个，累计完成钻探工作量 1720.38m，其中完成直孔 4 个共计 1007.34m，斜孔 3 个共计 713.04m。3.2 施工数据统计结果3.2.1 斜孔钻探效率统计结果两种类型钻机共完成斜孔 7 个，其中 85毅斜孔 1 个共计 165.5m，75毅斜孔 6 个共计 1795.54m，各钻孔台月效率详见表 2。通过统计，可知 EP600PLUS 型便携式全液压钻机施工斜孔的台月效率为 674.59m/（台 月），XY-4 型立轴式钻机施工斜孔的台月效率为 372.02m/（台 月），该矿区斜孔的平均台月效率为 520.63m/（台 月）。该矿区便携式全液压钻机在施工斜孔时的钻探效率是立轴式钻机钻探效率的 1.81 倍，是矿区所有斜孔平均钻探效率的 1.30 倍4。3.2.2 直孔钻探效率统计结果两种类型钻机共完成直孔 8 个共计 2052.04m，各钻孔台月效率详见表 3。通过统计，可知 EP600PLUS 型便携式全液压钻机施工直孔的台月效率为 704.29m/（台 月），XY-4 型立轴式钻机施工斜孔的台月效率为 425.64m/（台 月），该矿区斜孔的平均台月效率为 533.00m/（台 月）。该矿区便携式全液压钻机在施工斜孔时的钻探效率是立轴式钻机钻探效率的 1.66 倍，是矿区所有斜孔平均钻探效率的 1.32 倍。3.2.3 钻孔孔斜偏差统计结果该项目施工钻孔 15 个，为了加强数据的可比较性，分别将直孔与斜孔终孔时的倾角数据分别进行了统计，统计结果详见表 4 和表 5。通过统计可知，EP600PLUS 型便携式全液压钻机施工的斜孔每百米的孔斜偏差约XY-4 型立轴式钻机斜孔每百米的孔斜偏差，EP600PLUS 型便携式全液压钻机施工的直孔每百米的孔斜偏差跃XY-4 型立轴式钻机直孔每百表2斜孔钻探效率渊台月效率冤统计表钻机型号EP600PLUS型便携式全液压钻机XY-4型立轴式钻机钻孔孔号1号孔2号孔3号孔4号孔13号孔14号孔15号孔单孔台月效率m/（台 月）583.33 620.00 602.14 1182.86 331.00 652.11310.04注：台月效率=总进尺/施工总天数伊30，其中施工总天数=辅助时长（天）+钻探时长（天）.价值工程米的孔斜偏差。3.2.4 复绿林地面积数据统计结果通过统计各个钻孔完工后复绿林地面积（仅为钻机平台区域的面积，不含施工便道的林地复绿面积）数据可知，EP600PLUS 型便携式全液压钻机完成的 8 个钻孔共复绿林地面积为 420m2，平均每孔复绿林地面积为 52.5m2，XY-4 型立轴式钻机完成的 7 个钻孔共复绿林地面积为550m2，平均每孔复绿林地面积为 78.6m2，便携式全液压钻机平均每孔复绿面积仅为立轴式钻机平均每孔复绿林地面积的 66.7%，若考虑立轴式钻机相对于便携式全液压钻机，其修路搬家需要破坏更大的林地面积，该类型钻机的复绿面积将更大。4 分析探讨与结论淤根据上述钻探效率统计的相关结果分别可得钻孔孔深与钻探效率关系以及钻机类型与钻探效率关系。通过分析可知，随着钻孔孔深的增加，钻探效率呈递减趋势，且便携式全液压钻机钻探效率递减速率更快，这主要是因为随着钻孔孔深的增加，提钻与下钻的次数及每次提下钻时间逐渐增加，导致辅助时间增加而引起的钻探效率逐渐减小，同时便携式全液压钻机因其工作原理的原因，其提钻与下钻的辅助时间比立轴式钻机的辅助时间增速快5。该项目中便携式全液压钻机的平均钻探效率比立轴式钻机的平均钻探效率高，且同类型钻机直孔的平均钻探效率比斜孔的平均钻探效率高。这主要是因为便携式钻机部件模块化，搬迁方便，修路等辅助时间短，其采用的薄壁系列钻具加薄壁金刚石钻头，切削速度快，环状间隙小且行程长，倒钻频次少，堵芯概率相对较低，其钻进效率相对于立轴式钻机要高6。因此，从钻探效率方面来分析，可得出如下结论：1）该类地质条件、地形地貌条件以及设计孔深范围的项目，便携式全液压钻机比立轴式钻机更合适；2）在同等环境或条件且不限制钻机钻进能力的情况下，随着设计孔深的逐渐加深，立轴式钻机的优势越来越明显，且在大于某一临界设计孔深时，其钻探效率将比便携式全液压钻机的钻探效率高，即立轴式钻机更适合深孔，便携式全液压钻机更适合浅孔。于根据上述钻孔孔斜偏差统计的相关结果可得钻孔类型与平均孔斜偏差关系。通过分析可知，立轴式钻机在施工斜孔时的孔斜偏差大于便携式全液压钻机，这主要是因为立轴式是通过调节回转器角度，其倾斜方向与机身长轴方向相互垂直，而便携式全液压钻机是通过调节液压油缸角度，其倾斜方向与机身长轴方向相互平行，因此在施工斜孔时，便携式全液压钻机的稳定性更好。立轴式钻机施工直孔时的孔斜偏差小于便携式全液压钻机，这主要是因为立轴式钻机机身质量比便携式全液压钻机机身质量大且重心低，其在施工直孔时相比较于便携式全液压钻机稳定性更好。同时，根据两种钻机的参数，虽然均可施工45耀90毅的孔，但考虑制造倾斜度的方式原理来分析，随着钻孔倾斜角度逐渐增大，便携式全液压钻机的优势就越来越明显。因此，从钻孔孔斜精度要求方面来分析，可得出如下结论：便携式全液压钻机比立轴式钻机更适合施工斜孔，尤其是大角度斜孔，立轴式钻机比便携式全液压钻机更适合施工直孔。盂通过对上述各钻孔复绿林地面积数据的统计分析可知，便携式全液压钻机各个部件总占地较小，且不需要专门组装钻塔，其施工机场的占地面积比立轴式钻机的占地面积小，且便携式全液压钻机各部件易于拆卸且人工搬运强度小，其不需要专门修路，其对林地的破坏面积比液压式钻机要小许多7。因此，从绿色勘查的角度来分析，可得出如下结论：便携式全液压钻机比立轴式钻机更适合绿色勘查要求高的钻孔或项目。榆该项目各钻孔均未出现孔内事故，除了钻探机班技术水平以外，还主要是因为场区地质条件较为简单，但若场区地质条件较为复杂时，钻孔孔内事故的概率将会增大8，在处理孔内事故方面，由于立轴式钻机扭矩比便携式全液压钻机的扭矩大，且立轴式钻机提、下大钻所消耗的时间比便携式全液压钻机要短（且钻孔越深越有优势），立轴式钻机更适合处理孔内事故9。因此，从场区地质条件复杂程度与孔内事故处理能力方面来分析，可得出如下结论：立轴式钻机比便携式全液压钻机更适合复杂地层。5 结语通过总结比较袁广-良畈矿区的便携式全液压钻机和立轴式钻机的各项施工结果指标，我们可以认识到，在进行岩心地质钻探施工时，钻机的选型应从钻孔孔深孔斜等设计参数、地质条件的复杂程度、地形地貌条件以及对绿色勘查的要求等多种因素进行综合考虑，没有最好的钻探设备，只有最合适的钻探设备10。当前，国家正在不断提升战略性矿产资源的保障能力，加大战略性矿产资源的勘查力度，为保障国家能源资源安全，我们应以新一轮找矿突破战略行动为契机，在钻探设备的研究方面提升科技创新能力，为地质找矿奠定良好的硬件基础。参考文献院1湖北省自然资源厅关于印发 省自然资源厅保障建筑石料供应能力提升三年行动方案 的通知J.湖北省人民政府公报，2020（23）：44-46.2孔二伟，张锋，李大鹏，等.便携式全液压钻机在地质勘查中的应用J.西部探矿工程，2021，33（01）：71-74.3陈明军.便携式钻机在绿色勘查中的应用J.低碳世界，2018（09）：45-46.4安峰.HC600型全液压动力头便携式钻机钻头优选与钻机高效利用J.甘肃科技，2017，33（06）：112-114.5刘岩，孙军盈，吕祥利，等.XD 800型便携式全液压钻机在小兴安岭矿区的试验与应用J.地质装备，2018，19（02）：3-5.6刘蓓，张晨，杨可，等.便携式全液压钻机在秦岭地区地质钻探中的应用J.钻探工程，2021，48（11）：93-102.7杨英，李中明.绿色勘查岩心钻探泥浆不落地系统的研究以便携式全液压钻机为例J.科技创新与生产力，2022（03）：70-71，75.8董高林.浅谈便携式全液压钻机在洛南景村-三要一带萤石矿岩心钻探中的应用J.甘肃科技，2020，36（05）：47-49.9庞少青，李国东.全液压动力头钻机存在的问题分析及改进建议J.探矿工程（岩土钻掘工程），2014，41（02）：64-66.10马骥.关于岩心钻机的现状及发展趋势的分析与思考J.地质装备，2013，14（02）：11-14.