便携式全液压钻机在地质勘查中的应用_孔二伟.pdf

2021年第1期西部探矿工程 * 收稿日期 2019-08-13修回日期 2020-04-09 第一作者简介 孔二伟 （1987-） ， 男 （汉族） ， 河南济源人， 工程师， 现从事岩芯钻探技术质量管理工作。 便携式全液压钻机在地质勘查中的应用 孔二伟*1， 2， 张锋 1， 2， 李大鹏1， 2， 李金朋1， 2 （1.河南省地质矿产勘查开发局第四地质勘查院， 河南 郑州 450001; 2.河南省小口径钻探工程技术研究中心， 河南 郑州 450001） 摘要 为推进绿色勘查、 绿色发展， 做到 “既要绿水青山又要金山银山” ， 我院引进便携式全液压钻 机在豫西地区各矿区进行钻探施工。对便携式全液压钻机概况、 优势及实际应用进行总结， 并对其 应用效果进行分析、 总结， 同时提出了便携式全液压钻机的改进建议。 关键词 绳索取芯； 便携式全液压钻机； 绿色勘查； 岩芯钻探 中图分类号 P634 文献标识码 B 文章编号 1004-5716202101-0071-04 党的十九大报告中提到 “加快生态文明体制改革， 建设美丽中国” ， 提出了 “推进绿色发展” ， 如何做到 “既 要绿水青山又要金山银山” ， 这对钻探生产工作提出了 新的要求。因XY系列钻机在施工过程中不能实现绿 色勘查， 我院为满足绿色勘查的要求而引进两台便携 式全液压钻机， 先后在瓦川、 栗树沟、 蔡家沟南阳山、 红土岭、 观音峪矿区开展钻探施工工作， 各矿区钻孔设 计孔深在 130～410m 之间， 平均设计孔深在 240m 左 右。 1便携式全液压钻机概况 便携式全液压钻机是以 “轻便、 快捷、 可靠” 为设计 理念； 以 “去任何您需要去的地方” 为设计目标； 以模块 化、 轻量化、 集成化为设计工艺； 以高效率、 低扭阻、 长 寿命思路整合钻具； 以达到在难进入区域、 陡切割地形 和零散初探项目中实现快速钻探， 通过整合综合资源， 优化钻探装备， 从而打造出高效率、 高可靠性、 高性价 比的钻机。 1.1便携式全液压钻机主要特点 （1） 轻便灵活 模块化、 轻便化设计， 机架材料采用 航空铝材， 机身轻便， 最重模块4个人即可完成搬运； 桅 杆式钻架， 无需钻塔， 可实现45～90任意角钻进。 （2） 移位快、 进尺快、 台效高 对施工基础工程要求 低， 钻机进场只需修 1m 左右宽道路即可， 所需场地 4.5m4.5m即可， 占地较小， 大大减少了基础工程的投 入； 使用液压快速接头插接， 易于快速拆卸、 搬运、 安装， 钻机从终孔到再次开钻仅需1d时间即可； 进尺快， 台月 效率高于立轴式钻机， 降低了工期风险和人力成本。 （3） 适用性好， 安全性强 钻机主要部件为国外进 口， 国内组装， 稳定可靠； 钻进效率高， 事故少； 高集成 液压系统， 稳定可靠。 （4） 成本降低 钻机采用模块化， 钻机 “低成本、 高 台效、 易搬迁” ， 能够做到 “降本增效” 。 （5） 技术含量高， 采取率高 钻机使用高强度、 高精 密薄壁钻杆、 钻具系统， 能在破碎地层、 基岩风化层和 土层中具有同样的高采取率， 钻进时冲洗液不循环重 复利用， 能够提高冲洗液携带岩屑、 维护孔壁稳定的作 用， 且不受钻孔漏失的影响。 1.2便携式全液压钻机主要性能参数 便携式全液压钻机由四部分组成， 分别为 钻机主 要部件、 冲洗液循环系统、 薄壁钻具、 辅助材料， 钻机主 要由操作台、 液压油箱、 柴油机 （三台） 、 柴油箱、 钻机底 座、 钻架、 泥浆泵、 卷扬机组成。 便携式全液压钻机施工能力及钻机其他性能参数 见表1。 2便携式全液压钻机应用 2.1瓦川矿区应用情况 2.1.1地理位置及地层情况 瓦川矿区位于河南省洛宁县， 矿区东邻洛宁县至 三门峡省级公路， 县城和各乡镇之间均有公路相通， 且 连接成网， 交通便利。施工钻孔钻遇地层主要岩性为 安山岩、 安山玢岩。 2.1.2钻孔结构、 钻进方法、 钻进技术参数 71 2021年第1期西部探矿工程 钻孔结构 直接采用NTW （75mm） 系列金刚石 绳索取芯钻具开孔， 施工至完整基岩后无需起出NTW 钻杆， 直接使用HQ （89mm） 系列套管靴89mm 钻杆扩孔至完整基岩， 89mm钻杆直接充当套管使 用， 如钻孔下部出现较严重的坍塌、 掉块， 可直接续接 89mm 钻 杆 扩 孔 至 完 整 地 层 位 置 ， 随 后 使 用 NTW 系列钻具施工至终孔。所有施工钻孔结构 均为91mm～75mm两级结构。 钻进方法 金刚石绳索取芯钻进技术。 钻进技术参数 便携式全液压钻机在钻进参数选 取方面与立轴式钻机及普通全液压钻机有所不同， 主 要区别有 ①无钻压调节阀， 只有加压、 减压、 浮动三个 档位， 通过控制钻进速度来调节钻压。②泵量调节为 无极变速调节， 可根据钻进需要泵量随时进行调节， 在 一定程度上节约了钻井冲洗液， 并可减少对孔壁的冲 刷。③转速调节通过选用不同转速马达以及调整柴油 机转速来控制转速， 从而达到调节转速的效果。钻进 技术参数选取见表2。 孔深 （m） 0至完整基岩 完整基岩至220 钻头规格 HQ NTW 钻压 （kN） 5～10 7～14 转速 （r/min） 500～800 700～900 泵量 （L/min） 35～45 25～40 表22号机瓦川矿区钻进技术参数一览表 设备名称 施工能力 动力部分 最大扭矩 钻进角度 给进行程 提升力 给进力 动力头最高转速 机台面积 最重模块/钻机总重 1号钻机 HQ NTW BTW 73.5kW （24.5kW3） 650Nm 45～ 90 1.8m 6.3t （单油缸） 3.2t （单油缸） 1500r/min （顶驱式） 4m4m 150kg （操作台） /1.2t 96/63.5 （mm） 75.7/56 （mm） 60/42 （mm） 150m 350m 600m 2号钻机 HQ NTW BTW 70.5kW （23.5kW3） 650Nm 45～ 90 1.8m 5t （单油缸） 3t （单油缸） 1300r/min （顶驱式） 4m4m 180kg （柴油机） /1.15t 96/63.5 （mm） 75.7/56 （mm） 60/42 （mm） 100m 300m 600m 表1钻机各项性能简表 因便携式全液压钻机水泵精度较高， 无法泵送固 相冲洗液， 在冲洗液选取方面受到一定限制， 只能选用 无固相或低固相冲洗液， 且冲洗液无法循环利用， 从孔 内返出后直接排掉。 2.1.3应用情况 2号钻机自2017年3月5日～5月31日在瓦川矿区 进行施工， 施工钻孔6个， 钻探工作量1060.65m， 平均 台月效率为953.55m/台月， 平均小时效率为2.62m/ h， 施工钻孔效率详见表3。 2.2蔡家沟南阳山矿区应用情况 2.2.1地理位置及地层情况 蔡家沟南阳山矿区位于河南省卢氏县， 矿区邻 近卢氏县至洛南县省级公路， 县城和各乡镇之间均有 公路相通， 交通情况良好。施工钻孔钻遇地层主要岩 性为片岩、 片麻岩、 大理岩、 伟晶岩、 角闪岩、 矽卡岩等。 2.2.2应用情况 自2017年8月22日～12月9日， 1号钻机、 2号钻 机同时在蔡家沟南阳山矿区进行施工， 共完成钻孔 11 个 ， 钻 探 工 作 量 2818.11m， 平 均 台 月 效 率 为 994.54m/台 月， 平均小时效率为2.27m/h。 自2017年10月22日～12月26日， 蔡家沟南阳 山矿区有5台XY系列钻机施工， 共完成钻孔11个， 钻 72 2021年第1期西部探矿工程 探 工 作 量 2909.02m， 施 工 钻 孔 平 均 台 月 效 率 为 724.82m/台 月， 平均小时效率为1.79m/h。施工钻孔 效率详见表4。 2.3应用效果分析 2.3.1便携式全液压钻机优点 （1） 对两台便携式全液压钻机所施工的34个钻孔、 8230余米钻探工作量进行分析、 总结， 我院应用便携式 全液压钻机平均台月效率达到938.72m/台 月， 平均小 时效率达到2.38m/h， 应用效果良好。 （2） 便携式全液压钻机部件模块化、 重量轻、 搬迁方 便， 搬迁及安装时间只需1d； 对搬迁道路要求低， 钻机场 地仅为4.5m4.5m， 搬迁道路及机场的修建依靠人工即 可完成； 搬迁、 安装、 施工过程安全风险小， 减少了劳动 强度； 减少了对环境的破坏， 增强对钻孔的适应性。 （3） 便携式全液压钻机非常适合在钻孔较浅、 搬迁 频繁、 修路修机场困难的矿区施工， 相较于立轴式钻机 生产成本降低， 且生产效率较高。通过钻月效率对比 能够直观体现出便携式全液压钻机搬迁安装方便、 生 产效率高的优点。钻机钻月效率对比见表5。 通过钻机钻月效率数据的对比可看出， 两台便携 式全液压钻机平均钻月效率相较于立轴式钻机钻月效 率高出199.5m/台 月。 2.3.2台月效率与孔深的关系 将所有施工钻孔按照终孔孔深划分， 对比分析可得 出， 便携式全液压钻机采用NTW口径终孔钻孔效率最 高区域为150～175m， 钻孔孔深超过250m时， 钻孔效率 会出现明显下降， 台月效率下降272.47m/台 月， 同比下 降26， 小时效率下降0.73m/h， 同比下降27。钻孔效 率出现降低的原因主要有以下几个方面 ①钻孔孔深超 过200m时， 随着钻杆重量的增加、 孔内阻力的增大， 转 速逐渐降低， 导致小时效率降低。②随着钻孔孔深的增 加， 辅助时间增长， 导致台月效率降低。 2.3.3存在问题 （1） 便携式全液压钻机所采用的泥浆泵只能泵送 无固相或低固相泥浆， 且泥浆无法循环使用， 在遇到复 杂地层及在缺水地区施工时， 钻机适应性降低。 （2） 受夹持器最大加持直径限制， 1号钻机能够通过 108mm套管， 但无法夹持， 2号钻机无法通过108mm 套管， 限制了钻孔结构， 且在需要使用108mm套管扩 孔起出89mm套管时带来不便。 3结论与建议 （1） 便携式全液压钻机具有效率高、 搬迁快、 对地 层适应性强、 对环境破坏小等特点， 是对施工环境适应 能力很强的钻机， 非常适合在钻孔较浅、 搬迁频繁、 修 路困难的矿区施工。 （2） 从钻探钻孔施工延伸至地质坑槽、 探槽作业， 使用微小型便携式钻机施工几米至几十米的钻孔能够 达到 “以钻代槽” 的效果， 在减少环境破坏的同时达到 地质工作目的。 （3） 从环境保护方面及进一步拓宽施工领域， 建议 对便携式全液压钻机增加电动机， 从而能满足坑内钻 探需要， 增强便携式全液压钻机对不同施工地点的适 应能力， 真正实现绿色钻探。 （4） 建议对泥浆泵进行改进， 使泥浆泵能泵送固相 泥浆， 实现冲洗液循环利用， 增强对地层及施工地区的 适应性。 参考文献 [1]杨培智，郑明珠.EP600便携式全液压钻机在广西良结新寨 矿区钻探中的应用[J].科技经济导刊，2016 （7） 87-88. [2]宋端正.HC600型全液压动力头便携式钻机在陇东南山区 生产应用效果及经济性分析[J].探矿工程岩土钻掘工程， 孔号 ZK1901 ZK7002 ZK1102 ZK1902 ZK1502 ZK2301 小计 孔深 （m） 132.27 220.77 167.07 171.27 219 150.27 1060.65 用时 （h） 159 147 127 119 155 104 纯钻进时间 （h） 42.17 72 76.17 69.33 90 62.33 台月效率 （m/台 月） 598.96 1081.32 947.17 1036.26 1017.29 1040.33 953.55 小时效率 （m/h） 3.14 3.07 2.19 2.47 2.43 2.41 2.62 设计倾角 （） 90 90 90 90 90 90 90 表32号钻机洛宁矿区施工钻孔效率表 73 2021年第1期西部探矿工程 2013，40448-50. [3]陈磊，董昌波.HC-600型便携式钻机在山区的钻探施工技术 [ J ].新疆有色金属， 2018 （4） 26-27，30. [4]陈明军.便携式钻机在绿色勘查中的应用[J].低碳世界，2018 945-46. [5]候俊卿， 马贵世， 阮向农， 等.MK3-15 Wagon Wheel便携式 钻机在中东地区的应用与改进[J].物探装备，20183161- 164. [6]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，20176112-114. [7]安峰.冲洗液循环系统在HC-600型全液压动力头便携式钻 机上的试用[J].甘肃科技，2017526-28，100. 孔号 ZK0601 ZK0001 ZK1001 ZK1901 ZK2303 ZK2300 小计 ZK0901 ZK0501 ZK2301 NZK7201 NZK7601 小计 ZK3901 ZK1301 ZK1303 ZK3903 小计 ZK2101 NZK0607 ZK1903 NZK1006 ZK4501 小计 ZK4101 NZK2101 小计 孔深 （m） 260.45 270.35 259.17 227.97 220.47 221.37 1459.78 350.71 336.47 342.05 178.80 150.30 1358.33 180.91 186.94 351.37 396.75 1115.97 244.71 211.74 301.70 206.31 240.26 1204.72 350.34 237.99 588.33 用时 （h） 256 296 240 152 184 160 392 224 272 112 72 1072 144 204 480 336 272 192 264 192 248 360 288 纯钻进时间 （h） 129.95 174.58 168.33 99.92 102.67 107.58 183.25 130.67 145.08 57.58 43.50 74.33 123.92 267.67 183.08 128.67 117.33 122.08 133 132.17 250.50 183 台月效率 （m/台 月） 732.52 657.61 777.51 1079.86 862.71 996.17 851.06 644.16 1081.51 905.43 1149.43 1503.00 1056.71 904.55 659.79 527.06 850.18 735.40 647.76 794.03 822.82 773.66 697.53 747.16 700.68 594.98 647.83 小时效率 （m/h） 2.00 1.55 1.54 2.28 2.15 2.06 1.93 1.91 2.57 2.36 3.11 3.46 2.68 2.43 1.51 1.31 2.17 1.86 1.90 1.80 2.47 1.55 1.82 1.91 1.40 1.30 设计倾角 （） 75 75 75 75 75 75 75 75 75 75 70 75 80 75 75 75 90 75 90 90 75 75 岩矿芯采取率 （） 98.1 98.42 98.88 98.96 98.54 98.64 98.59 96.6 98.7 98.44 98.04 98.06 97.97 98.3 97.31 95.95 98.97 97.63 97.74 98.92 97.94 98.92 97.7 98.24 97.65 97.74 97.7 施工 钻机 1号 钻机 2号 钻机 XY-4T XY-4 XY-44 表4蔡家沟南阳山矿区施工钻孔效率表 钻机 钻月效率 （m/台 月） 1号钻机 593 2号钻机 686 立轴式钻机 440 表5便携式全液压钻机与立轴式钻机钻月效率对比表 74