新型车装钻机的研制及工程应用

谭春亮，宋殿兰，刘家荣，林广利

(北京探矿工程研究所，北京100083)

新型车装钻机的研制及工程应用

谭春亮*，宋殿兰，刘家荣，林广利

(北京探矿工程研究所，北京100083)

介绍了新型车装钻机的结构、主要技术参数和特点。详细探讨了与该钻机配套的钻具及取样工艺，总结了该设备在我国西部荒漠戈壁、高原草原等地区应用取得的经验成果，提出使用过程中的注意事项，为我国西部地区找矿突破提供技术支撑。

车装钻机；荒漠戈壁；取样工艺；空气钻进

位于我国西部的荒漠戈壁覆盖区、高寒冻土草原区等特殊地质地貌区，既是找矿技术的难点也是未来几年找矿突破的重点，这些地区多处在国家重点成矿区带或整装勘查区域内，急需要一套科学、快速、有效的勘查技术方法，实现地质填图、快速异常查证。钻探作为一种最直接、最有效的技术手段，紧密与地质找矿突破行动结合，从钻探工艺、钻探设备等多方面入手完善创新。北京探矿工程研究所作为科技创新与技术支撑单位紧跟行业需求，在以往工作的基础上，针对整装勘查区内特殊景观区遇到的复杂地层成孔取样效率低、孔位搬迁困难等难题，研制了一套新型车装式钻探设备，通过优化组合、应用示范建立了一套完整成熟的浅层钻进工艺方法，显著提高了我国西部困难景观区复杂地层的钻探取样效率和质量，对地质钻探技术水平的提高起到积极的促进作用。

1　车装设备

1.1设备概况（图1）

图1　车装钻机结构

设备由钻机主体、承载底盘、空气压缩机、泥浆泵等主要部件构成，钻机主体包括动力头、夹持器、桅杆、给进系统、液压系统等部件。

钻机主要特点：

（1）车装式：六驱车底盘装载，移动方便，通行能力强，结构形式适用于幅员辽阔的西北部；

（2）动力集中：钻机、空气压缩机、泥浆泵的动力均取用车底盘动力，减少了动力源的重复供给，减轻了设备自重，结构紧凑，整装勘查；

（3）高效钻进：设备采用液压马达—链轮给进、实现动力头的快速升降，钻机行程6m、采用空气钻进工艺，效率可达到15m/h以上；

（4）模块化设计：便于故障检测与维修，全液压动力头式钻机，顶驱式结构，钻进过程集中手柄操控，方便拧、卸钻杆及处理孔内复杂情况；

（5）自动化程度高：动力头可以抬头，配合卡盘夹持器，实现自动拧卸钻杆，辅助钻进时间少，3个技术工人可以工作，适用于大面积的工程勘查、物探成孔、化探取样。

1.2主要参数

该钻机以解决浅覆盖区的钻探为主，根据实际工作需要确定钻机参数（表1）。

1.3关键部件

1.3.1动力头（图2）

动力头采用双马达驱动，这种驱动方式结构紧凑，输出扭矩大。双液压马达输出扭矩经齿轮传动，驱动中心管和钻具旋转。

表1　车装钻机主要技术参数

图2　动力头结构图

为满足双壁钻杆空气反循环钻进工艺需求，动力头采用通孔式结构。

1.3.2夹持器（图3）

图3　夹持器结构图

为了保证设备工作过程中的安全，防止跑钻，夹持器采用常闭式结构，对称布置，蝶形弹簧卡紧，液压松开。卡瓦可根据工作需要拆装或更换，最大通过孔径为116mm，可通过套管，结构安全可靠，轴向距离短，对中性好。

1.3.3给进系统（图4）

空气钻进具有高效快速钻进的特点，给进方式是影响效率的重要环节。对比分析包括油缸给进、倍速给进在内的多种给进方式，综合分析体积、重量、可靠性等多种因素，最终确定采用链轮马达给进。

给进方式简单可靠，同时可以有效地减轻给进系统的重量和体积，实现快速提升和慢速给进的功能。钻进过程中根据地层情况需要随时调整钻压。因此，设备选用了低转速、大扭矩马达，且安装了自锁机构。

图4　给进机构结构图

1.3.4桅杆滑架部分

桅杆为钻机支撑部件，全长8m，由槽钢及角钢焊接而成，钻机每次最长可提取6m长的钻杆。采用П型结构，便于加工，保证工作状态平稳。

2　钻探工艺及方法

我国西部多为地表无水、地下浅部漏水的地区，如果采用液体作为循环液的钻探方式,仅供水的费用将占总施工费用的1/3。目前西部许多取芯钻探，施工过程中需要配备专门的施工供水车,有的要到离工地几十公里以外寻求水源,但仍难以满足生产需要。相比之下，空气作为无处不在的特殊介质，为人类在无水地区实施钻探活动提供了物质保障，完善和推广适于西部地区应用的空气钻探技术显得尤为重要。

该机型以空气循环钻进为主，兼顾螺旋钻进、合金钻进、顶部冲击钻进等多种工艺。

（1）较完整地层采用合金钻头+空气正循环回转钻进，遇到硬岩更换潜孔锤；

（2）破碎地层，采用双壁钻杆配贯通式潜孔锤（双壁合金钻头）+空气反循环钻进，实现中心取样。

（3）针对厚沙漠覆盖层，采用根管钻进（孔壁支护）+空气正循环钻进。

几种工艺方法的配合实施，解决了我国西部干旱缺水景观区无法高效钻进的难题。

3　工程应用及取得的经验

3.1工程效果

采用该钻机具2013年在青海省野马泉矿区、新疆哈密大南湖矿区进尺3200m，整体平均钻进效率15m/h，最高效率23m/h，岩芯（样）采取率达到95%以上，得到了合作单位的一致认可（图5）。

图5　野外现场工作照片

3.2取得的经验

空气钻进施工过程中经常遇到问题是“混样”、“卡钻”、“气流不畅”等现象，针对这些现象，我们总结了一些经验方法，以供参考：

（1）对于化探取样，样品与层位的对应是非常重要的，也就是我们通常说的不混样，为此，在长期的工作中，我们总结出了一套行之有效的方法：首先对于化探取样通常是1m取1～2个样，样品的收集要放到钻杆钻进的中段进行，也就是加钻杆后两头不取，取中间段；再就是在加钻杆停钻时，让空压机继续工作1～2min，用以冲洗孔壁。这些措施保证了取样的准确度。

（2）钻进过程中要及时的监控收集装置气流的变化，当发现气流不畅或卡钻现象时要及时地调整空压机供给，同时上下滑动钻具保证钻孔的通畅。减慢下钻速度、震动钻杆、反冲击也有助于解卡。

潜孔锤钻进各种不正常的现象，在工艺设备参数配合合理的情况下，多是由于孔内残渣未及时排出所致，因此保证孔内通畅，破碎岩渣能够及时地排出孔外是一个重要条件。孔壁不稳定掉块，探头等也是造成卡钻的因素，这些需要设备操作者能够总结地层情况，对不正常的现象能够及时地做出判断，通过调整设备参量、工艺器具予以解决。

4　结论

通过在青海、新疆地区的充分试验，验证了新型车装设备在相似景观区取样的可行性和有效性，试验取得了较好的社会效益和经济效益，为今后该产品及工艺在我国西部干旱缺水地区的广泛推广提供了强有力的例证。新型车装钻机主要有如下特点：

（1）钻机设备本体和底盘动力集成化，合理分配动力，实现了整装勘查的目的,整体性能达到了国内领先水平。

（2）钻机率先在浅层钻探取样中实现了小口径中心取样技术。采用贯通式潜孔锤匹配外平双壁钻杆，使钻杆钻具对孔的破坏减少，既提高了取样效率，又减少了事故率。

（3）钻机结构简单、性能可靠、操作简单、维修方便、易损件少、可拆装性强,适合我国西部荒漠戈壁等交通不便地区的野外地质勘察取样钻进,是我国西部缺水地区地质取样的首选设备。

（4）采用该取样钻机具,可成功代替槽(井)探传统取样和人工挖掘取样,满足地质大调查的勘察取样要求,可显著提高地质调查取样的速度和质量,是特殊地貌地质填图、物探成孔、化探取样、环境监测等领域必不可少的技术手段。

[1]王达.西部特殊景观区钻探取样技术展示[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2005（1）：1-5.

[2]武毅.遥感、物探、钻探技术在西部严重缺水地区地下水勘查中的集成化研究[R].2006.

[3]徐小兵,余秀明.浅析高海拔地区钻探设备及工艺的适应性[J].湖南有色金属,2006(2)：60-63.

P634.3

B

1004-5716(2015)07-0031-03

2014-07-24

项目来源：中国地质调查局技术方法类工作项目“青海祁漫塔格成矿带金属矿地质矿产调查”,项目编号：12120113031900。

谭春亮（1979-），男(汉族)，山东德州人，高级工程师，现从事钻探机械产品的研发推广工作。