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
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 。
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
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Leabharlann Baidu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。
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
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。
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
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 。
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
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［】 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Leabharlann Baidu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。
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
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。