FYD2200型全液压动力头钻机的研制及应用.pdf

2 0 0 9 年增刊探矿工程(岩土钻掘工程)4 5F Y D 一2 2 0 0 型全液压动力头钻机的研制及应用朱恒银1，刘跃进2(1 安徽省地矿局3 1 3 地质队，安徽六安市2 3 7 0 1 0；2 中国地质装备总公司，北京l O O l 0 2)摘要：通过对深部钻探地质岩心钻机国内外现状分析，提出了F Y D 一2 2 0 0 型分体塔式全液压动力头钻机的研制指导思想、设计方案路线，介绍了研制钻机的结构特点、主要技术参数及使用效果。关键词：分体塔式全液压动力头钻机；结构特点；应用效果中图分类号：1：6 3 4 3+1文献标识码：A文章编号：1 6 7 2 7 4 2 8(2 0 0 9)S 1 0 0 4 5 0 41概述国务院颁布的关于加强地质工作的决定，吹响了我国新一轮地质矿产勘查工作的号角。地质找矿的深度已从过去浅部、中深部转向深部(1 0 0 0 m 以深)。在深部找矿工作中，主要是以三大专业为技术支撑，即“地质出思路，物探圈靶区，钻探作验证”，其中钻探技术在深部找矿中显得更为重要。但就目前我国深部岩心钻探总体技术来说，钻探技术装备水平还难以满足深孔钻进要求。主要表现在：钻孔事故率、报废率高，钻探设备机械化、智能化程度低，导致钻进效率低，辅助时间长，对深部找矿有较大的制约作用。为了加快我国深部找矿步伐，更好、更快、更有效地取得地质找矿成果，加强推广应用国内外先进技术，强化关键技术自主创新。2 0 0 8 年安徽省地矿局3 1 3 地质队提出了“深部矿体勘探钻探技术方法的研究”项目。经论证获得立项，作为安徽省重点科研项目，F Y D 一2 2 0 0 型全液压动力头钻机的研制是该项目的一个组成部分。该钻机由安徽省地矿局3 1 3 地质队与中国地质装备总公司共同研制，张家口探矿机械厂制造。该新型钻机2 0 0 9年6 月份已获得国家实用新型专利(专利证书号：Z L2 0 0 820 0 4 1 7 8 3 8)，现已投入安徽省霍邱铁矿深部勘探施工中使用，并取得了良好的应用效果。2 钻机研制指导思想和方案设计原则2 1地质岩心钻机国内外现状分析目前我国岩心钻探领域普遍应用的钻机从传动方式和结构形式上看主要有两种，即机械立轴式和全液压桅杆动力头式。国内比较成熟的岩心钻机是X Y 系列立轴式钻机，深部钻机主要有X Y 一5 型、X Y 一6 B 型、H X Y 一6 B 型、H X Y 一8 型和H X Y 一8 B 型。全液压动力头钻机生产尚属起步阶段，近年来，部分厂家生产投放市场主要产品有：H C D 一5 U 型、Y D X 一3 型和X D 系列型等。钻机钻进能力N 口径最大孔深为1 5 0 0 m。国外生产的岩心钻机多为全液压动力头钻机，主要生产国有：美国、加拿大、澳大利亚、瑞典、德国等，钻机能力N 口径最深达2 5 0 0 m。根据目前国内外不同结构形式岩心钻机性能分析，立轴式钻机主要特点是：运输拆卸方便，维护保养简单，高塔长立根提下钻，减少辅助时间，机械效率高，功率消耗少、价格低等。不足之处是：钻进过程给进行程短，只能在0 5 1 O m 之问，钻进时需经常停机倒杆，工作时震动大，噪声大，转速变速范围窄，钻机智能化、数字化程度低；全液压动力头钻机主要特点是：钻机均采用整体车载，安装方便节约时间，机械化程度高，全液压马达驱动噪声小，振动小，可实现无级收稿1 3 期：2 0 0 9-0 8 3 0作者简介：朱恒银(1 9 5 5 一)，男(汉族)，安徽舒城人，安徽地矿局3 1 3 地质队副队长、副总工、教授级高级工程师，中国地质大学(武汉)客座教授，安徽省学术和技术带头人，享受国务院特殊津贴，探矿工程专业，从事特种钻探施工技术研究与应用；刘跃进(1 9 5 8 一)，男(汉族)，河北蠡县人，中国地质装备总公司总工程师、教授级高级工程师，享受国务院特殊津贴，勘探机械专业，从事钻探设备开发，北京市朝阳区望京西园2 2 1 号博泰大厦五层，0 1 0 6 4 8 4 3 7 0 2。y u e j i n l 1 2 6 c o r n。探矿工程(岩土钻掘工程)2 0 0 9 年增刊变速，智能化操作，无倒杆钻进，钻进行程可达35 m，节约钻进过程辅助时间。不足之处是：钻机结构多采用桅杆式，桅杆高度只有6 1 2 m，不能长立根提下钻(立根长度限于6 9 m)，不适合于深部孔钻探提下钻，无钻塔露天作业，工作环境差，钻机整体性太强，不适宦丘陵，山区和农耕地中搬迁运输。另外，深孔钻机进口价格昂贵，维护难度大等。综上所述，为能满足深孔岩心钻探装备要求，必须设计具有我国特色的适用性强的新型钻机。2 2 钻机研发指导思想根据目前国内外岩心钻机的市场及技术调研情况，确定F Y D 一2 2 0 0 型钻机的研发指导思想是：应用国内外成熟的先进技术，吸收同领域前沿科学，实行产学研用联合机制，研发出符合我国国情，力求适应性、可靠性强，价格低，易推广应用，并具有先进性，创新性，有自主知识产权的新型深孔钻机。2 3 钻机总体设计技术路线通过目前国内外岩心钻探立轴式钻机及全液压动力头钻机结构性能利弊分析，取其各自优点，将全液压动力头钻机整体(车载)式设计为分体式；在提升桅杆式设计基础上增加钻塔配置，实现长立根提下钻；两种动力配置方式(电动机和柴油发电机)；实现主要钻进参数数字化显示。3F Y D-2 2 0 0 型钻机结构及主要技术参数3 1 钻机主要结构F Y D 一2 2 0 0 型全液压动力头钻机分体模块设计，整套钻机分为主机、动力站、钻塔、泥浆泵等四大独立部件组成，钻机的结构布局见图l，钻机主机外貌见图2。3 2 钻机主要技术参数F Y D 一2 2 0 0 型全液压动力头钻机主要技术参数见表l。3 3 钻机主要结构特点(1)分体模块设计，整套钻机分为主机、动力站、钻塔、泥浆泵等四大独立部件，便于拆装搬迁运输(2)采用重型四角管子钻塔，可提起1 8 m 立根，为钻探施工提供良好的作业环境。图1 钻机布局图图2 钻机主机外貌2 0 0 9 年增刊探矿工程(岩土钻掘工程)4 7裹IF Y D 一2 2 0 0 型全液压动力头钻机主要技术参数钻机能力B Q($5 9)N Q(s 7 6)H Q(5 9 5)P Q(S 1 1 4)(m)3 0 0 0 m2 2 0 0 m1 5 0 0 m9 0 0 m主电机泥浆泵电机辅助电机动力机1 3 2 k W4 5 k W7 5 k W转速(r r a i n“)扭矩N m卡O J k N通径n u n动力头O 一3 6 7 一1 2 0 05 9 6 0 一1 1 6 62 2 0m 1 1 7单绳拉力k N提升速度(m m i n“)主卷扬9 6 1 4 81 2 0 7 8给进起拔力k N给进行程m给进系统1 0 0，2 0 04 8单绳拉力k N最高绳速绳索卷扬(m r a i n 一)容绳量m1 65 5 02 2 0 0主泵流量主泵压力辅泵流量辅泵压力液压系统2 2 1 0 L m i n3 2 M P a9 L m i n3 0 M P a型号最大流量最高压力泥浆泵B W 3 0 0 1 23 0 0 L m l n1 2 M P a高度立根最大负荷钻塔2 4 1 8 m5 0 0 k N主机后移距离m m整机重量k g5 0 01 5 0 0 0(3)给进机构采用油缸链条倍速机构，给进行程长达4 8 m，适用于长度4 5 m 绳索取心钻杆和普通钻杆。(4)动力头回转调速范围宽泛，机械换挡和液压调速结合，可实现O 一1 2 0 0 r r a i n 的无级变速以及动力头转速的精确控制。(5)钻机纵向移车让开孔口距离为5 0 0 m m，同时动力头可沿水平方向移开孑L 口，孔口位置比较宽阔，方便提钻和取心操作。(6)主液压系统采用负载传感控制，操控灵敏，高效节能，其主要元器件与3 0 t 液压挖掘机通用，方便采购与维修。(7)主要钻进参数采集及数字化显示，塔上等关键操作部位图像传输到操作台，作业班长对整个机台的运行状况一目了然。(8)设计有桅杆上段，可实现有塔无塔两用，垂直孑L 斜孔两用。4 生产试验情况F Y D 一2 2 0 0 型全液压动力头钻机于2 0 0 9 年3月下旬研制成功，通过出厂前安装、调试、运行试验，各项技术性能完全达到设计任务书要求。该新型钻机于2 0 0 9 年5 月2 0 日运抵安徽霍邱铁矿周集矿区深部勘探施工现场，投人生产性试验(试验钻机现场见图3)。图3 深部钻探生产实验机台外貌4 1 试验矿区基本概况霍邱周集铁矿深部找矿项目是安徽省国土资源厅重点找矿项目。找矿深度为1 0 0 0 2 0 0 0 m，主要矿物为磁铁矿。矿区地质条件主要为：第四系由粘土、粉质粘土及沙层组成，厚度达2 4 0 m 左右。基岩主要由混合岩化斜长片麻岩、黑云斜长片麻岩、黑云石英片岩及斜长角闪片岩和角闪石英磁铁矿等，岩石可钻性级别8 1 0 级。4 2 试验钻孔技术设计参数钻孔设计孔深1 5 0 0 m，倾角9 0。，终孔口径西9 5 m m，钻孔0 2 5 0 m 不取心，2 5 0 1 5 0 0 m 取心率为1 0 0。4 3 钻孔施工工艺(1)钻孔结构：开孔孔径为2 0 0 m m，钻进至2 4 7 8 3 m 下人中1 4 6 m m 套管；后换径中1 3 0 m m 钻进至2 5 6 m 下入西1 2 7 m m 套管；再用中1 1 0 r a m 钻进至2 8 2 5 2 m 下人中1 0 8 m m 套管；然后采用t I a 9 5 m m至终孔。(2)钻进方法：0 2 4 7 8 3 m 采用垂2 0 0 m m 牙轮钻头钻进；2 4 7 8 3 2 5 6 m 采用中1 3 0 m m 单管金刚石取心钻进；2 5 6 2 8 2 5 2 m 采用m l l O m m 单管金刚石取心钻进；2 8 2 5 2 m 至终孔采用(I)9 5 m m 绳索取心金刚石钻进。(3)钻进参数：第四系钻进：钻压2 0 k N，转速1 0 0 r m i n，泵量2 0 0 L m i n；基岩绳索取心钻进：4 8探矿工程(岩土钻掘工程)2 0 0 9 年增刊钻压1 5 2 0 k N，转速5 0 0 6 0 0 r m i n，泵量1 2 0 59 0 L m i n。(4)钻进冲洗液：第四系采用K H m 低固相泥浆钻进，基岩绳索取心钻进采用低固相+P H P(水解聚丙烯酰胺)+G S P(广谱护壁剂)。4 4 生产试验效果F Y D 一2 2 0 0 型钻机于2 0 0 9 年5 月2 0 日运抵施工试验现场，5 月2 3 日投入正式使用。试验孔段为2 8 2 5 2 m 至孔深1 2 0 0 m，全部采用中9 5 m m 绳索取心金刚石钻进。钻进最高时效为9 m，平均时效1 5 m，最长提钻间隔为9 6 h。钻孔取心岩心平均采取率达9 8。由于该孔是深部钻探研究综合试验孔，孔中试验项目较多，占用大量辅助时间，所以，在钻机台月效率方面未作重点要求。通过F Y D 一2 2 0 0 型钻机生产试验表明，钻机结构设计布局合理，动力头运行平稳；采用长行程设计不仅用于绳索取心钻杆亦可用于普通4 5 m 长钻杆使用，钻进无需倒杆，减少辅助时间，利于取心和穿过复杂地层；钻机实行分体塔式结构改变了车载、桅杆式结构深孔钻探存在的弊端，可适应于山区、丘陵、道路较差的地区施工；钻机操作系统实现了工作参数数字化。塔上塔下操作视频可视化及钻探现场网络远程监控(钻机视频操作台见图4)。便于现场安全操作和管理者远程决策和指挥。图4F Y D 一2 2 0 0 型钻机操作台存在问题及改进措施通过生产试验发现了该钻机设计上存在一些不足和需要改进的地方主要有：(1)现有钻机未配备钻杆孔口拧卸装置，提下钻效率较低，劳力强度大，需要进一步研究绳索取心钻杆拧管装置。(2)绳索取心绞车应增加排绳、测深、测速等功能。(3)钻机应增加钻进时扭矩、泥浆泵流量等参数显示。6 结语F Y D 一2 2 0 0 型钻机的研发是集国内外岩心钻机的优点而设计的，符合我国国情，具有机械化、智能化程度高，适用性、可靠性强，整机配套价格低廉(只有国外同类性能钻机价格的三分之一)，钻机分体式设计，维修、运输方便，因此，在我国深部地质找矿钻探领域具有良好的推广应用前景。参考文献：1 刘跃进，岩心钻探设备的现状与发展 J 探矿工程(岩土钻掘工程)，2 0 0 7，(1)2 朱恒银等，深部找矿中加强钻探技术工作几点认识 J 探矿工程(岩土钻掘工程)，2 0 0 7，(s 1)3 张伟，关于我国地质岩心钻机发展方向的分析 J 探矿工程(岩土钻掘工程)，2 0 0 8，(8)4 熊伟等，C S l 4 型全压动力头钻机的生产应用效果及分析 J 探矿工程(岩土钻掘工程)，2 0 0 9，(4)