谈绳索取芯钻探工程的开发与应用
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一
１ ｒｎ ． ｉ、下人一根铲根时间ｌｉ ，以 目前国内立轴岩芯钻机及配备相应的 ５ ａ ｍｎ 钻塔 为例 ，分析提高钻头寿命 的意义。如果能将钻头的平均寿命提 高到 ９ｍ，可 以获得如下综合效果 ：平均钻头寿命６ ｎ，６０ ０ ｏ ０ ｍ钻孔 的提 、下钻 次数为ｌ次，提 、下钻时间约为１５ ｍｎ Ｏ ２０ ｉ；平均钻头寿命提高到９ ｍ，提 、 ０ 下钻次数为７ ，提 、 次 下钻时间８５ ｉ，按照目前立轴钻机平均配备动力 ７ ｍｎ ３ｋ ７Ｗ，提下钻时动力消耗为配备动力的６ ％， 、下钻消耗功率２． Ｗ， Ｏ 提 ２ｋ ２ 每千瓦小时消耗柴油２０ 。从 以上数据可计算 出，当钻头寿命提高Ｎ９ ｍ ０ｇ ０ 时，每个钻孔可节省提 、下钻辅助时间６ ５ ，节省燃料２ 。 ．ｈ ２ ８ 从 孕镶金刚石取芯钻头的制造工艺及工作特性曲线看 ，提高孕镶取 芯钻头的寿命是完全可能的。首先 ，孕镶金刚石钻头在工作 过程就像砂 轮 ，一旦钻头 出刃后 ，其钻进速度 基本保持不变 ，直至钻头胎体磨完 。 冈此 ，增加孕镶金刚石钻头的胎体 高度 ，可 以大幅度提高钻头 的寿命 ， ｌ １ … ＿ 也是较容易实现的 ，关键 是如何设法保证钻头的内 、外径 。关于钻 头保径 ，除了长寿命 的保 径材料外 ，应根据钻 头孑 底的工况 ，通 过将 Ｌ 钻头的内、外径设计成 “ 锥度 ”结构 ，即钻头钻进时内、外径采取 “ 分 层”保径 ，钻头 的内径向上逐渐 “ 变大” ，而钻头外径逐渐 “ 变小” ， 开始正 常钻进时 ，让第一层 内、外保径材料起到保径作用 。随着钻进及 胎体磨损 ，到一定高度时 ，第二层保径 开始工作 。可以根据钻头 的结 构、地层情况等将钻头设计成多层保径结构。为了保证岩芯进入岩芯管 及下步更换的新钻头能够下人孑 内，还要考虑将岩芯 卡簧座的内锥面加 Ｌ 长 ，即卡簧具有更大的径 向变化范围 ，同时钻 头要排 队使用 ，这就既可 以提高钻头寿命 ，又可以解决钻头保径问题。
２ 长 寿命 钻头 的 开发 与应 用 除 了绳 索取芯钻杆 的可靠性外 ，影响绳索 取芯钻探技 术优点 的另 因素是钻头的寿命 ，钻孔越深 、钻头寿命越长 ，就越能体现出绳索取 芯钻探技术 自身的优 点。按照 目前我 国金刚石绳索取芯钻头的平 均寿命 为６ ｍ ０ 、平均孑 深为６ ０ Ｌ ０ ｍ，按钻杆立根长度１ ｍ ２ 、提 出一个立根 的时间
参考 文 献 【】 晓 平 ， 艳 ． 索 取 芯 钻 探过 程 中常 见 问 题 判 断 分析 和 对 策… ． １云 高 绳 大众 科 ຫໍສະໝຸດ 技 ， ０ 。７ ２ ８ ． ０ ０
［】 ２ 肖燕 波， 国平 ， 谭 彭儒 金 ． 轴式 岩心 钻机 设计 开发 的新 思路 【 ． 矿工 程一 立 Ｊ探 Ｊ 岩 土钻掘工程 ， ０ ， ： ． ２ ８ ５０ ０ ３ ９
头 、新 型高效节能 岩芯钻机技 术的应用 ，为指 导钻探施 １ 奠定基础 。 ：
关键 词 钻 探 ｆ ；绳 索取芯 ；岩芯钻机 ： 程 中 图分 类号 Ｔ ８ 文 献标 识码 Ａ Ｄ 文 章 编号 １７— ６ １（ １） １０７一 ｌ ６３９７ 一２ ００ —０ １Ｏ ０ ４
近年来 ，随着我 国国民经济和煤炭事业 的发展 ，煤 田地质勘探施Ｔ 工程量都 比较大。 曰前 ，我 冈绳索取芯钻进施 ＿ 中存在的主要 问题是钻 ］ 杆折 断问题 ，这也是普及绳索取芯钻探技 术的主要障碍。解决这个 问题 的主要方法是改进 材质性能 、强度和钻杆 的结 构尺寸 。要 想在所有地 质找矿取芯钻探施工 中全部采用绳索取芯钻探 ，必须解决钻杆 的可靠性 及寿命 问题 ，让用户 消除断钻杆及出现孔 内事故的畏惧心理。解决绳索 取芯钻杆寿命 及可靠性的主要技术手段是提高材质质量及性能 ；改变钻 杆接头 的结构参数 。如果绳索取芯钻杆性能参数能够达到普通钻杆的性 能，那么绳索取芯钻探技术的普及 应用范 围肯定会进一步增加 。当然 ， 将绳索取 钻杆性能设计达到普通钻杆 的性能 ，势必增 加钻进过程 中功 签 率消耗 ，所 以要分析对 比增加功率 消耗 与提高钻杆可靠性 ，所带来的效 率提高和劳动强度的降低两者哪个综合经济效益更大。
３ 新 型高效 节 能立轴 岩 芯钻 机 的开发 与 应用
【】 继军 ， 琨， 同彤 ． 刚石 绳索 取心钻 杆接 头螺纹 的优 化研究 ＩＩ ３ 苏 殷 郭 金 Ｊ吉林 大学 ．
学 报（ 地球 科学 版） ０ ５ ５ ， ０， ． ２ ０
１提 高绳索 取芯钻杆 螺纹 强度 的可靠性 及增 加动 力消耗 的对 比分析
从 目前我 国地质钻杆管材 的供应渠道 、厂家 、技术标准等实际情况 看 ，提高地质管材的质量及性能的难度较大，因为涉及钢材厂家的材料成 分、 加工设备 、 模具等。所以比较可行办法就是采用增加钻杆接头螺纹根 部的壁厚，提高钻杆接头螺纹根部的强度。目前 ， 我周绳索取芯钻杆发生 折断的部位，９％以上在钻杆接头螺纹根部。增加钻杆接头的厚度会带来 ８ 钻杆重量的增加及钻头刻取面积的增加 ， 从而增加动力 的消耗。虽然增加 绳索取芯钻杆螺纹强度和可靠性及寿命是以多消耗动力 为代价的， 但与采 用普通提钻取芯钻探技术所多消耗的动力及辅助时间相 比，增加绳索取芯 钻杆螺纹强度 ，仍然比采用普通提钻取芯钻探技术在效率 、时间 、动力消 耗、钻孔稳定 、经济效益等方面 ，有十分 明显的益处。
在没有开发 出比全液压动力头钻机更好 的岩芯钻机之前 ，液压驱动 的动力头钻机在给进行程 、斜孔钻进 、操作 、加接杆过程等方面 ，确实 具有机械传动立轴岩芯钻机无法 比拟的优点 。但从全液压钻机 的能量利 用率 、提下钻速度 、制造及维修 成奉方面分 析对比 ，其综合效 能并不 如机械传动的立轴钻机高。因此 ， 全液压动力头钻机与立轴钻机的优 将 点结合起来 ，以现有机械传动立轴钻机 为基础 ，以机械作 为主传动 ，按 照全液压动力头钻机给进 、取芯及加杆工作过程 ，并增加不停车倒杆功 能 ，实现全液压动力头钻机的功能 、机械立轴钻机的价格 、高于全液压 动力头钻机综合效能的最终 目的。上述传动控制方式 ，应该成为我国未 来新一代 地质岩芯钻机 的发展方 向，乃 至世 界地质 岩芯钻机 的发展 方 向。新一代立轴岩芯钻机与全液压动力头钻机的性能对 比及优点如下 ： １ ）在钻进过程中实现不停机倒杆 。该新型立轴钻机采用上 、下２ 个 液压卡盘 ，在加接好新的钻杆之后 ，上卡盘移至 卜始点 ，钻进过程中， 当上卡盘从上始点开始向下钻进 到下止点的同时 ，下 卡盘夹紧并继续 回 转 ，上卡盘 自动松开并上移到上始点 ，然后 自动夹 紧，与此同时下卡盘 松 开，上卡盘 向下给进 钻进 ， 这种动作及程序连续不断地重复下去 ，实 现了不停止回转倒杆钻进 。 ２ 立轴钻机 回转器 的通孔 直径加大 。采用 同现在 的全液压动力头 ） 钻机一样 的液压卡盘和通孔直径 ，不采用主动钻杆 ，水龙头直接同钻杆 连接 ，在钻进完一根钻杆需要加接钻杆时 ，无需退机让开孔 口、无需将 钻头提离孔底 ，只需将水龙头与钻杆卸开 ，从立轴上部投放打捞器将 内 管总成提 出，然后将水龙头 同新钻杆连接上 ，卷扬机提起水龙头和新钻 杆 ，再同立轴上的钻杆连接上 ，继续重复上述钻进过程。 ３ 钻塔及斜孔钻进 。全液压 动力 头钻机全部采用整体式钻塔或桅 ） 杆 ，便于快速安装 。而新一代立轴式岩芯钻机 ， 完全可以配备同液压动 力头钻机一样的整体分段式钻塔 ，并能随立轴 回转器转动相应 的角度而 实现大角度斜孔钻进 。 目前设计 的斜孑 钻塔 不仅可钻进６ 。斜孔 ，而且 Ｌ Ｏ 可以钻进水平孑 。 Ｌ ４） 传动效率及动力配备 。液压传 动效率 要 比机械传动低得多 ，这 是一个难 以改变 的科学事实 。目前 １０ ｍ钻深 能力的全液压动力头钻机 ００ 配备的动力是１２Ｗ ，而机械传动的立轴钻机配备的动力是３ ３ｋ ０～３ｋ ７ Ｗ， 考虑水泵 的动力等总动力也不超过６ ｋ ０Ｗ。 ５）使用 成本。按相 同钻深能力 ，全液压 动力头钻机配备的动力是 １ｋ ３ Ｗ，机械传动立轴钻机配备动力７ｋ ２ ５ Ｗ，全液压钻机的动力 比立轴钻 机动力多７ ％ ６ 。根据柴油机 的动力 消耗技术参数 ，一般 柴油消耗为２ｏ／ ｏｇ （Ｗ・ ｋ ｈ），按照理想状态计算 ，￣ １０ ｍ的钻孔 ，按时效２ ｍｈ ００ ． ／估算 ， ５ 伞液压动力头钻机完成１０ ｍ的钻孔 消耗柴油为 １． ｔ ００ ０６ ，立轴钻机消耗柴 ５ 油６，完成 １０ ｍ ｔ ０ ０ 的孔 ，仅油料消耗全液 压钻 机就多４６ ｔ ． ，按每吨柴油 ５ ５） 元计算 ，成本增Ｊ２ ２ｏ 。 （） （ ｏ Ｊ ３５ ￣ ｎ ６ 维修及 成本 。液压系统的净沽对液压机 械的可靠性及 寿命非 常 ） 关键 ， 如果钻机液压系统发生故障在野外施工现场拆 卸，而且不能保持 净洁 ， 液压 系统将来出现问题 的机会更多 。而新一代立轴钻机的主传 动 采用机械方式 ，辅助动作采用 液压方式 ，出现故障的几率较低 ，即使发 生故 障，现场操作人员多数情况能够维修 。
一
， １ 第 期 ２ Ｏ ７ Ｌ０ 年
科 技 与 生 活
工 程 科 学
７ １
谈绳索取芯钻探 工程 的开发 与应用
丰 武 江
（ 江西省核工业地 质局 二六七大 队，江西 九江 ３ ２ ０ ３ ０ ０）
摘 要 在煤 …地质 勘探 —程 中 ，为提 高钻探技术 效率 、时间 、动力 消耗等方 面 ，从 实际出发 ，从 中找 出钻探效率 ，加强 开发 长寿命钻 ｒ
１ ｒｎ ． ｉ、下人一根铲根时间ｌｉ ，以 目前国内立轴岩芯钻机及配备相应的 ５ ａ ｍｎ 钻塔 为例 ，分析提高钻头寿命 的意义。如果能将钻头的平均寿命提 高到 ９ｍ，可 以获得如下综合效果 ：平均钻头寿命６ ｎ，６０ ０ ｏ ０ ｍ钻孔 的提 、下钻 次数为ｌ次，提 、下钻时间约为１５ ｍｎ Ｏ ２０ ｉ；平均钻头寿命提高到９ ｍ，提 、 ０ 下钻次数为７ ，提 、 次 下钻时间８５ ｉ，按照目前立轴钻机平均配备动力 ７ ｍｎ ３ｋ ７Ｗ，提下钻时动力消耗为配备动力的６ ％， 、下钻消耗功率２． Ｗ， Ｏ 提 ２ｋ ２ 每千瓦小时消耗柴油２０ 。从 以上数据可计算 出，当钻头寿命提高Ｎ９ ｍ ０ｇ ０ 时，每个钻孔可节省提 、下钻辅助时间６ ５ ，节省燃料２ 。 ．ｈ ２ ８ 从 孕镶金刚石取芯钻头的制造工艺及工作特性曲线看 ，提高孕镶取 芯钻头的寿命是完全可能的。首先 ，孕镶金刚石钻头在工作 过程就像砂 轮 ，一旦钻头 出刃后 ，其钻进速度 基本保持不变 ，直至钻头胎体磨完 。 冈此 ，增加孕镶金刚石钻头的胎体 高度 ，可 以大幅度提高钻头 的寿命 ， ｌ １ … ＿ 也是较容易实现的 ，关键 是如何设法保证钻头的内 、外径 。关于钻 头保径 ，除了长寿命 的保 径材料外 ，应根据钻 头孑 底的工况 ，通 过将 Ｌ 钻头的内、外径设计成 “ 锥度 ”结构 ，即钻头钻进时内、外径采取 “ 分 层”保径 ，钻头 的内径向上逐渐 “ 变大” ，而钻头外径逐渐 “ 变小” ， 开始正 常钻进时 ，让第一层 内、外保径材料起到保径作用 。随着钻进及 胎体磨损 ，到一定高度时 ，第二层保径 开始工作 。可以根据钻头 的结 构、地层情况等将钻头设计成多层保径结构。为了保证岩芯进入岩芯管 及下步更换的新钻头能够下人孑 内，还要考虑将岩芯 卡簧座的内锥面加 Ｌ 长 ，即卡簧具有更大的径 向变化范围 ，同时钻 头要排 队使用 ，这就既可 以提高钻头寿命 ，又可以解决钻头保径问题。
２ 长 寿命 钻头 的 开发 与应 用 除 了绳 索取芯钻杆 的可靠性外 ，影响绳索 取芯钻探技 术优点 的另 因素是钻头的寿命 ，钻孔越深 、钻头寿命越长 ，就越能体现出绳索取 芯钻探技术 自身的优 点。按照 目前我 国金刚石绳索取芯钻头的平 均寿命 为６ ｍ ０ 、平均孑 深为６ ０ Ｌ ０ ｍ，按钻杆立根长度１ ｍ ２ 、提 出一个立根 的时间
参考 文 献 【】 晓 平 ， 艳 ． 索 取 芯 钻 探过 程 中常 见 问 题 判 断 分析 和 对 策… ． １云 高 绳 大众 科 ຫໍສະໝຸດ 技 ， ０ 。７ ２ ８ ． ０ ０
［】 ２ 肖燕 波， 国平 ， 谭 彭儒 金 ． 轴式 岩心 钻机 设计 开发 的新 思路 【 ． 矿工 程一 立 Ｊ探 Ｊ 岩 土钻掘工程 ， ０ ， ： ． ２ ８ ５０ ０ ３ ９
头 、新 型高效节能 岩芯钻机技 术的应用 ，为指 导钻探施 １ 奠定基础 。 ：
关键 词 钻 探 ｆ ；绳 索取芯 ；岩芯钻机 ： 程 中 图分 类号 Ｔ ８ 文 献标 识码 Ａ Ｄ 文 章 编号 １７— ６ １（ １） １０７一 ｌ ６３９７ 一２ ００ —０ １Ｏ ０ ４
近年来 ，随着我 国国民经济和煤炭事业 的发展 ，煤 田地质勘探施Ｔ 工程量都 比较大。 曰前 ，我 冈绳索取芯钻进施 ＿ 中存在的主要 问题是钻 ］ 杆折 断问题 ，这也是普及绳索取芯钻探技 术的主要障碍。解决这个 问题 的主要方法是改进 材质性能 、强度和钻杆 的结 构尺寸 。要 想在所有地 质找矿取芯钻探施工 中全部采用绳索取芯钻探 ，必须解决钻杆 的可靠性 及寿命 问题 ，让用户 消除断钻杆及出现孔 内事故的畏惧心理。解决绳索 取芯钻杆寿命 及可靠性的主要技术手段是提高材质质量及性能 ；改变钻 杆接头 的结构参数 。如果绳索取芯钻杆性能参数能够达到普通钻杆的性 能，那么绳索取芯钻探技术的普及 应用范 围肯定会进一步增加 。当然 ， 将绳索取 钻杆性能设计达到普通钻杆 的性能 ，势必增 加钻进过程 中功 签 率消耗 ，所 以要分析对 比增加功率 消耗 与提高钻杆可靠性 ，所带来的效 率提高和劳动强度的降低两者哪个综合经济效益更大。
３ 新 型高效 节 能立轴 岩 芯钻 机 的开发 与 应用
【】 继军 ， 琨， 同彤 ． 刚石 绳索 取心钻 杆接 头螺纹 的优 化研究 ＩＩ ３ 苏 殷 郭 金 Ｊ吉林 大学 ．
学 报（ 地球 科学 版） ０ ５ ５ ， ０， ． ２ ０
１提 高绳索 取芯钻杆 螺纹 强度 的可靠性 及增 加动 力消耗 的对 比分析
从 目前我 国地质钻杆管材 的供应渠道 、厂家 、技术标准等实际情况 看 ，提高地质管材的质量及性能的难度较大，因为涉及钢材厂家的材料成 分、 加工设备 、 模具等。所以比较可行办法就是采用增加钻杆接头螺纹根 部的壁厚，提高钻杆接头螺纹根部的强度。目前 ， 我周绳索取芯钻杆发生 折断的部位，９％以上在钻杆接头螺纹根部。增加钻杆接头的厚度会带来 ８ 钻杆重量的增加及钻头刻取面积的增加 ， 从而增加动力 的消耗。虽然增加 绳索取芯钻杆螺纹强度和可靠性及寿命是以多消耗动力 为代价的， 但与采 用普通提钻取芯钻探技术所多消耗的动力及辅助时间相 比，增加绳索取芯 钻杆螺纹强度 ，仍然比采用普通提钻取芯钻探技术在效率 、时间 、动力消 耗、钻孔稳定 、经济效益等方面 ，有十分 明显的益处。
在没有开发 出比全液压动力头钻机更好 的岩芯钻机之前 ，液压驱动 的动力头钻机在给进行程 、斜孔钻进 、操作 、加接杆过程等方面 ，确实 具有机械传动立轴岩芯钻机无法 比拟的优点 。但从全液压钻机 的能量利 用率 、提下钻速度 、制造及维修 成奉方面分 析对比 ，其综合效 能并不 如机械传动的立轴钻机高。因此 ， 全液压动力头钻机与立轴钻机的优 将 点结合起来 ，以现有机械传动立轴钻机 为基础 ，以机械作 为主传动 ，按 照全液压动力头钻机给进 、取芯及加杆工作过程 ，并增加不停车倒杆功 能 ，实现全液压动力头钻机的功能 、机械立轴钻机的价格 、高于全液压 动力头钻机综合效能的最终 目的。上述传动控制方式 ，应该成为我国未 来新一代 地质岩芯钻机 的发展方 向，乃 至世 界地质 岩芯钻机 的发展 方 向。新一代立轴岩芯钻机与全液压动力头钻机的性能对 比及优点如下 ： １ ）在钻进过程中实现不停机倒杆 。该新型立轴钻机采用上 、下２ 个 液压卡盘 ，在加接好新的钻杆之后 ，上卡盘移至 卜始点 ，钻进过程中， 当上卡盘从上始点开始向下钻进 到下止点的同时 ，下 卡盘夹紧并继续 回 转 ，上卡盘 自动松开并上移到上始点 ，然后 自动夹 紧，与此同时下卡盘 松 开，上卡盘 向下给进 钻进 ， 这种动作及程序连续不断地重复下去 ，实 现了不停止回转倒杆钻进 。 ２ 立轴钻机 回转器 的通孔 直径加大 。采用 同现在 的全液压动力头 ） 钻机一样 的液压卡盘和通孔直径 ，不采用主动钻杆 ，水龙头直接同钻杆 连接 ，在钻进完一根钻杆需要加接钻杆时 ，无需退机让开孔 口、无需将 钻头提离孔底 ，只需将水龙头与钻杆卸开 ，从立轴上部投放打捞器将 内 管总成提 出，然后将水龙头 同新钻杆连接上 ，卷扬机提起水龙头和新钻 杆 ，再同立轴上的钻杆连接上 ，继续重复上述钻进过程。 ３ 钻塔及斜孔钻进 。全液压 动力 头钻机全部采用整体式钻塔或桅 ） 杆 ，便于快速安装 。而新一代立轴式岩芯钻机 ， 完全可以配备同液压动 力头钻机一样的整体分段式钻塔 ，并能随立轴 回转器转动相应 的角度而 实现大角度斜孔钻进 。 目前设计 的斜孑 钻塔 不仅可钻进６ 。斜孔 ，而且 Ｌ Ｏ 可以钻进水平孑 。 Ｌ ４） 传动效率及动力配备 。液压传 动效率 要 比机械传动低得多 ，这 是一个难 以改变 的科学事实 。目前 １０ ｍ钻深 能力的全液压动力头钻机 ００ 配备的动力是１２Ｗ ，而机械传动的立轴钻机配备的动力是３ ３ｋ ０～３ｋ ７ Ｗ， 考虑水泵 的动力等总动力也不超过６ ｋ ０Ｗ。 ５）使用 成本。按相 同钻深能力 ，全液压 动力头钻机配备的动力是 １ｋ ３ Ｗ，机械传动立轴钻机配备动力７ｋ ２ ５ Ｗ，全液压钻机的动力 比立轴钻 机动力多７ ％ ６ 。根据柴油机 的动力 消耗技术参数 ，一般 柴油消耗为２ｏ／ ｏｇ （Ｗ・ ｋ ｈ），按照理想状态计算 ，￣ １０ ｍ的钻孔 ，按时效２ ｍｈ ００ ． ／估算 ， ５ 伞液压动力头钻机完成１０ ｍ的钻孔 消耗柴油为 １． ｔ ００ ０６ ，立轴钻机消耗柴 ５ 油６，完成 １０ ｍ ｔ ０ ０ 的孔 ，仅油料消耗全液 压钻 机就多４６ ｔ ． ，按每吨柴油 ５ ５） 元计算 ，成本增Ｊ２ ２ｏ 。 （） （ ｏ Ｊ ３５ ￣ ｎ ６ 维修及 成本 。液压系统的净沽对液压机 械的可靠性及 寿命非 常 ） 关键 ， 如果钻机液压系统发生故障在野外施工现场拆 卸，而且不能保持 净洁 ， 液压 系统将来出现问题 的机会更多 。而新一代立轴钻机的主传 动 采用机械方式 ，辅助动作采用 液压方式 ，出现故障的几率较低 ，即使发 生故 障，现场操作人员多数情况能够维修 。
一
， １ 第 期 ２ Ｏ ７ Ｌ０ 年
科 技 与 生 活
工 程 科 学
７ １
谈绳索取芯钻探 工程 的开发 与应用
丰 武 江
（ 江西省核工业地 质局 二六七大 队，江西 九江 ３ ２ ０ ３ ０ ０）
摘 要 在煤 …地质 勘探 —程 中 ，为提 高钻探技术 效率 、时间 、动力 消耗等方 面 ，从 实际出发 ，从 中找 出钻探效率 ，加强 开发 长寿命钻 ｒ