潜孔钻机深孔凿岩偏斜率控制技术研究＊

何小平，李东明，闫 杰

（1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012；2.湖南有色重型机器有限责任公司，湖南 长沙 410205）

0 前 言

与常见的凿岩机相比，潜孔钻机具有钻孔深、钻孔直径大、钻孔效率高、适应范围广等特点，是当前通用的大型凿岩设备。在偏转力矩的影响下，随着钻孔延深，钻杆就会逐渐产生偏斜甚至弯曲，从而导致钻进方向发生变化，使实际的钻孔轨迹偏离设计的轨迹，这种现象称为钻孔偏斜。在钻进施工中，必须根据地质、地形和技术条件合理设计钻孔的轨迹。但受自然、技术以及人为因素的影响，在目前技术条件下，潜孔钻机在凿岩施工过程中常出现不同程度的偏斜，尤其是在中、深孔凿岩施工中更明显。这会大大降低潜孔钻机的使用效率，同时加大了钻孔凿岩成本，并给凿岩施工本身带来困难［1］。因此，很有必要对潜孔钻机深孔凿岩偏斜率控制技术进行研究，并采取有效对策处理。

1 钻孔偏斜原因

（1）由于设备自身的原因（主要是设备作业时工作机构的定位、控制、运动精度不足等）而导致钻孔偏斜。针对这种造成钻孔偏斜的原因，可以采用提高设备的精度措施改进，包括整机机械结构的制造精度、工作机构的运动精度、设备运动的定位精度以及设备作业的控制精度；还可以采用加强设备姿态监控的措施，设置多个姿态传感器，实时感应设备姿态，如果钻杆有偏斜异常可以及时调整解决，从而提高潜孔钻机的凿岩精度。

（2）在凿岩作业过程中，由于岩层的裂隙、岩层的变化或是其他原因而导致钻头跑偏，造成钻杆弯曲、凿岩成孔偏斜。

2 钻杆防偏方案研究

潜孔凿岩防偏技术研究的难点在于钻具的偏斜状态的感知和偏斜后纠正。要解决这一问题必须就凿岩工况进行实时监控，对凿岩的偏斜实现预判断，并采取相应控制动作，方可达到控制凿岩偏斜率的目的。通过对潜孔凿岩机理的研究，对以下几种潜孔凿岩偏斜率控制方案进行研究。

方案一：利用回转马达的工作压力为反馈控制信号，当该压力升高超过某一压力（偏钻卡钻临界回转压力）时，系统自动使潜孔钻机回退，使钻头脱离孔底实现强吹排渣，直至当回转压力下降至低于设置的偏钻卡钻临界回转压力时，潜孔钻机恢复正常推进工作，钻头重新接触孔底凿岩，由此实现自动防偏防卡；另一种是通过调节系统压力来控制推进力，而推进力的改变靠调节推进供油系统的压力来实现，即当回转压力升高时，调节推进供油系统的压力来使推进力减小，从而预防偏钻卡钻。还有一种是采用减压阀人工调节推进力来控制推进力，在操作台上设置调节手柄，来调节推进系统油路上设置的比例减压阀，从而调节推进系统的推进压力。当有偏钻卡钻趋势时，推进压力升高，压力表显示数值增大，由人工调节远程调压阀的调定值，进而使减压阀的出口压力下降，推进压力下降，由此实现自动防偏防卡［2］。

方案二：设置孔外钻杆弯矩传感装置，根据孔外钻杆弯矩判断钻具的姿态，并以此作为依据对钻杆偏斜率进行控制。孔外传感器测试原理见图1。

图1 孔外传感器测试原理

研究发现，在静态条件下对钻杆施加外力F，然后采集传感器的感应信号，当外力F逐渐增大时，传感器采集到的偏差信号也逐渐增强，但是随着钻杆加长，信号会逐渐变弱，且信号时效性差，准确度不高；为了更好模拟潜孔钻机凿岩的工作状态，除了在钻头位置施加外力F，同时还外加20Hz冲击功，此时再对孔口传感器的信号进行检测，发现信号受振动频率影响，变得十分微弱，增大外力F，信号也没有明显变化。由此可见，在孔口设置传感器对钻杆进行偏斜率控制的方案不可行。

方案三：设置孔底传感装置，通过在靠近钻具位置设置稳定杆，并在稳定杆上布置传感器，以检测钻杆的径向受力情况，通过钻杆径向力的变化情况对钻杆的偏斜情况进行预判断，当径向力发生变化时，及时调整凿岩参数，通过减小推进力和增加回转速度，以避免钻杆的偏斜。在此方案的实施过程中主要有以下问题需要解决：

（1）传感器信号需要从孔底传输到地面，通讯难度大；

（2）孔底传感器安装难度大，传感器选型困难。

为了解决孔底信号传输问题，提出了4种选择方案（见表1），并对4种方案进行了对比研究，其中前3种属于无线传输。

3 孔底传感器信号有线传输解决方案［3］

由于矿山工作环境恶劣，且钻机在钻进过程中振动大、空气中含有粉尘、水等污染物。在这种恶劣条件下通过无线传输方式很难保证信号传输的精度和装置的工作寿命。相反，有线传输能够克服工作条件恶劣等困难，且安全可靠，使凿岩定位准确、稳固，减少了凿岩过程中产生的偏差，提高了钻孔的准确度和凿岩效率。本课题最终选择有线传输的方式，并提出了如下的信号传输方案：通过在钻杆内部设导体环，使传感器信号经钻杆内的导体环逐层传递，最终到达信号接收器和车载计算机，具体的结构形式如图2所示。

表1 4种信号传输方案分析

图2 孔底传感器信号有线传输解决方案

潜孔钻机就位后，如果设置在孔口处采集信号，信号时效性不好，而且不准确。

在钻头底部安装有防护措施的应力传感器，通过地面接收器，将接收到的孔底信息及时有效地传送至钻机操纵面板并显示测试到钻头处所受到的应力，将测到的应力数据与钻机正常钻孔轨迹数据库进行对比感知，以便及时预防和纠正钻杆偏斜。

潜孔钻机在进行凿岩作业时，高频率、大功率的冲击器将冲击力作业在钻杆尾部上，通过尾部的螺纹端传递给钻杆，再经钻杆传递给钻头，最后钻头将冲击力作用在岩石土层上，岩石土层产生一个反作用力经钻头传递给钻杆，因此在凿岩过程中钻杆承受轴向的压缩应力和拉伸应力；同时钻杆由其回传部分带动而旋转，在旋转的过程中就必须克服各种旋转阻力，因而钻杆还要承受扭转应力［4］。为此必须考虑到正常凿岩时，潜孔钻机所承受的这些最大应力值。通过对比分析测到的应力数据，并及时调整，可降低钻孔发生偏斜的程度。

4 结 语

潜孔钻机在施工过程中，应根据不同的地层探测器所发回的信号，判断导向位置与钻进路线图的偏差，随时调整；必须坚持“以防为主，控斜为辅”的原则，尽量避免钻孔偏斜，而且还要及时了解钻孔偏斜情况，以便采取相应有效的偏斜预防和控斜处理对策。只有这样，才能保证潜孔钻机钻孔施工的质量，提高潜孔钻机在复杂岩石层中钻进的适应能力［1］。

［1］ 何小平，王 毅，闫 杰，等.凿岩中钻孔偏斜控制技术［J］.采矿技术，2012，12（5）：20－24.

［2］ 李东明.新型一体化露天潜孔钻机［J］.矿业研究与开发，2006（S1）：10－15.

［3］ 吴万荣.潜孔钻机推进力自动控制策略研究［J］.中国机械工程，2000（12）：10－24.

［4］ 王 毅.钻孔偏斜的分析与控制［J］.矿业研究与开发，1993，13（3）：45－51.