立轴式与全液压动力头式地质岩心钻机使用比较

李红岩 周家荣

(陕西省地质矿产勘查开发局西安地质矿产勘查开发院，陕西 西安 710100)

引言

目前在地勘单位地质钻探施工中应用的岩心钻机主要有两种，一种是液压立轴式岩心钻机，另一种是全液压动力头式岩心钻机。目前液压立轴式钻机还是地勘单位地质钻探的主力机型。全液压动力头钻机目前在世界发达国家已经基本全部取代了立轴式钻机，我国也在这两年开始快速的装备地勘单位，许多地勘单位已拥有了一定数量的全液压动力头钻机。由于钻机的使用效果将直接影响地质勘探工作的效率、质量和成本。本文通过对本单位XY系列立轴式钻机和YDX系列全液压动力头钻机在浅部、中深部勘探施工使用中表现出的效果及性能对比，简述两种钻机的特点。

1、地质岩心钻机的发展及应用情况

我国于上世纪六十年代研制成功了液压立轴式岩心钻机，在此之前我国使用的液压立轴式岩心钻机主要来源于苏联和瑞典进口，目前国内地质岩心钻机市场使用的主要机型仍以立轴式钻机为主。全液压动力头钻机从上世纪七十年代在国外推出以来，发展迅速，目前在发达国家立轴式岩心钻机已经被全液压动力头钻机所取代。我国在上世纪八十、九十年代开始尝试研制全液压动力头钻机，并做出了样机，但主要由于当时我国的液压技术水平低，导致钻机性能不佳，没能进一步推广。本世纪开始以来，我国的钻机研制单位开始了新一轮全液压动力头钻机研制攻关后，取得了成功，开始装备地勘单位。在我国全液压动力头钻机以其所具有的独特优点一经问世，在市场上就受到了广泛的关注和欢迎，现我国全液压动力头钻机已出口到澳大利亚、俄罗斯和伊朗等国家。虽然全液压动力头钻机在我国的推广应用表现出良好的势头，但这种钻机目前在我国地质钻探市场上的使用份额比立轴式钻机还是要小得多。但从长远来看，全液压动力头钻机的发展方向，必定会成为地质岩心钻机市场的主角。但另一方面又必须看到，在固体矿产钻探这一重要领域，不仅目前市场占有的主要机型仍为立轴式钻机，而且从一些公司生产的不同类型钻机更新年限的统计资料看，立轴式钻机在该领域内的有效使用至少仍要保持15年。

2、两种钻机在结构、传动方式及特性上的对比

XY系列立轴式钻机（图一）特点：为机械传动液压给进方式钻机，钻机拆卸方便，维护保养简单，高塔长立根提下钻，减小辅助时间，机械效率高，功率消耗少，价格低等。不足之处：给进行程短，需经常停机倒杆，震动大，噪音大，转速变速范围窄，钻机智能化，数字化程度差。整机搬迁、安装不便。

YDX系列全液压动力头钻机（图二）特点：是一种用油压驱动和控制所有运转部件的钻机，这类钻机借高压变量油泵和变量油马达可实现无级变速，相对于立轴式钻机简化了传动机构，去掉了齿轮变速箱，减轻了钻机重量，又充分利用动力。动力头钻机采用整体车载、模块化设计，安装方便，开机准备时间短，机械化程度高，全液压马达驱动噪音小，震动小，转速变速范围宽，动力头转速可精确控制，可实现无极化变速，智能化操作，同时比立轴式钻机，取心作业的效率及安全性大大增加。

3、两种钻机在实际钻探工作中效果对比

对我单位长年使用的xy-5立轴式钻机（图一）和YDX-1800（图二）全液压钻机，在浅部、中深部勘探施工中的使用情况和施工统计数据比较如下：

（一）、使用情况比较

（1）立轴式钻机由于采用钻塔，可长立根

（12～18m）起下钻，起下钻速度比动力头钻机（立根长度一般为6m）要高得多。在钻进施工中，起下钻是一种经常的作业，起下钻速度对施工效率有明显的影响作用。但动力头钻机采用滑移桅杆式钻塔，给进行程长，一般为3m左右，比立轴式钻机的0.5～0.6m要长得多。对于3m进尺，动力头钻机可一气呵成，而立轴式钻机至少倒杆4次。每次倒杆不仅需多耗时间，还可能造成岩心断裂，使得倒杆后重新钻进速度慢，并加大了岩心堵塞的机率。在破碎地层，以上因素的影响尤为明显。动力头钻机在机械钻速、钻头寿命、回次长度和提钻间隔方面都要优于立轴式钻机。并且滑移桅杆式钻塔直接支撑地面，大大增加了钻机的稳定性。

（2）动力头钻机采用模块化设计，拆卸和组装方便，并有自行走式底盘设计，钻塔为滑移桅杆式钻塔，对钻塔无需专门拆卸、安装和搬运钻塔，可大大减轻劳动强度，明显节省施工时间并降低人工成本，在不同的交通环境中都表现突出。动力头钻机搬迁一般只需要1～2天时间。立轴式钻机搬迁一次一般需要4～7天。同时由于动力头钻机的模块化设计，其维修性要大大高于立轴式钻机，只要配件到位，设备部件损坏故障可短时间快速排除。

（二）、统计数据比较

（1）钻机施工效率

全液压动力头钻机与立轴式钻机施工效率比较表

表一 全液压动力头钻机与立轴式钻机施工效率比较表

由表一可看出，两种钻机在施工效率方面，动力头钻机的优于立轴式钻机。

（2）两种钻机在软岩层和硬岩层中施工不同深度钻孔所需的钻进时间对比（不计钻机搬迁时间）：

两种钻机在软岩中施工不同深度钻孔的施工时间比较

表二 两种钻机在软岩中施工不同深度钻孔的施工时间比较

表三 两种钻机在硬岩中施工不同深度钻孔的施工时间比较

以上数据，可得出以下结论：

（1）立轴式钻机只是起下钻时间比动力头钻机少，其他所有施工需要的时间均比动力头钻机要多。

（2）无论是钻进软岩还是硬岩层，动力头钻机的钻进施工时间都明显少于立轴式钻机。特别是在软岩钻探中，动力头钻机节省时间表现的更好，这主要是因为在软岩中，钻头使用寿命更长，提钻间隔更大，使动力头钻机提钻慢的弱点得到弱化。

（3）两种钻机如果考虑钻机搬迁浪费的时间，动力头钻机比立轴式钻机施工效率更显优势。

3、施工质量和施工成本对比

（1）全液压动力头钻机是长行程给进，一个回次钻进过程中工作平稳，在破碎地层全液压动力头钻机长行程给进可明显降低破碎地层钻进的事故率，钻探施工常遇到孔壁坍塌、超径造成的埋、卡钻事故较立轴式钻机要少。而立轴式钻机在一个回次中要倒杆4～5次，倒杆时可能造成岩心断裂，加大岩心堵塞的机率，岩心采取率会因此受到影响。因此动力头钻机的岩心采取率和岩心质量要优于立轴式钻机。

（2）钻进施工成本是一个受多方面因素影响的复杂问题。但总体讲，动力头钻机的购置成本比立轴式钻机要高得多。但由于动力头钻机施工效率比立轴式钻机要高，因此又可带来施工成本下降。通过使用情况看：动力头钻机在浅进尺时，钻进施工成本要高于立轴式钻机，但在钻进一定进尺之后，其钻进成本与立轴式钻机钻进成本相当或更低。

4、钻机适应性对比

由于不同的钻进工艺方法对钻机的转速有着不同的要求。相比之下，动力头钻机的转速变速范围宽，转速可精确控制，能够进行无级调速，能较好地满足不同地层的钻进工艺的要求。同时与立轴式钻机相比，动力头钻机需要的钻进场地更小，能更方便地施工不同倾角的钻孔，能更加容易地实现钻进参数监测和控制。同时由于动力头钻机技术程度要远高于立轴式钻机，这种钻机的液压部件的加工制造较复杂，对使用维修的要求比较高，因此对操作人员的素质及管理要求要高于立轴式钻机。

结论

通过对XY系列立轴式钻机和YDX系列全液压动力头钻机的构造特点和在浅部、中深部勘探施工中使用情况等方面的对比，表现出全液压动力头钻机的钻速效率和孔内事故发生指标及钻探技术经济指标、施工质量和适应性、维修性、操控性等方面都要明显优于立轴式钻机。特别是对钻探工程任务量大，需要突击完成的项目工程时，全液压动头钻机的表现更是大大超前于立轴式钻机。全液压动力头钻机是一种具有施工效率高、施工质量好、事故率低、钻机适应性强、轻便、维修性好等优点的钻机，是我国地质岩心钻机的发展方向。但在现阶段，针对年度钻探任务很小的勘查项目，从经济成本因素考虑，使用立轴式钻机经济效果要好于全液压动头钻机。对于钻机深部勘探施工，通过使用分体塔式全液压动力头钻机可完全解决桅杆式钻塔在钻探施工中存在的弊端。

[1]张伟.关于我国地质岩心钻机发展方向的分析.探矿工程(岩土钻掘工程)，2008,（8）.