钴结壳基岩的旋转-冲击钻进试验研究

2014-07-11李池佳甘海仁

凿岩机械气动工具 2014年3期

李池佳，甘海仁，吕闯

（长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南长沙 410012）

0 引言

海洋富含各种矿产资源，钴结壳赋存在水深500-4000m 的海山、岛屿斜坡上，富含钴、铂、镍、锰、铜、铁、磷、钛、锌、铅等金属，钴的平均含量最高，品位高达0.8%-1.2%，最高可达到2%，是多金属结核中钴含量的4 倍，比陆地原生矿高几十倍，铂平均含量高于陆地相应矿床的80 倍[1-2]。这些矿石存在于深海这一极其复杂的环境之中，若要开采，则海底破碎作业设备的动力要通过几千米电缆传输，其传递功率受到严格的限制，故海底破碎设备应具有最高的效率和最节约的功率。根据以前的对岩石破碎方式的理论研究和试验证明：旋转-冲击钻进的破碎方式相对于单独的冲击、旋转钻进破碎具有高效性，且能减少切削刀具所受的作用力和提高切削刀具寿命[3]，而对于钴结壳基岩钻进破碎方式，目前国内外研究比较少。本文用旋转、冲击、旋转-冲击三种钻进破碎方法，对钴结壳基岩模拟料进行探索性的钻进试验，得出了钴结壳基岩在给定试验条件下的凿岩速度v 和破碎比功，并对旋转-冲击钻进中旋转和冲击功率匹配进行了初步分析，为钴结壳基岩钻进方式选择和设备设计提供依据。

1 岩石钻进破岩原理

岩石钻进是一种机械破岩方式，广泛应用于地质、石油、矿山和各种土石方工程，形成岩孔，进行勘探、采油和后续爆破作业[4]。其工作原理均是通过钻头对岩石进行轴向和切向侵入（加载），使岩石产生裂纹、扩展和破碎，并伴随着推进和旋转，形成钻孔[5]。岩石钻进一般有三种钻进方式：

（1）旋转钻进：用钻头切削破碎岩石。适用于软岩，如锚杆钻机。

（2）冲击钻进：主要由钻头冲击破碎岩石，钻头转动只起变位作用，如小型凿岩机。

（3）旋转-冲击钻进：主要是指在冲击钻进的基础上，给钻具施加较大的轴压力和旋转扭矩，在冲击和旋转剪切的共同作用下，破碎岩石，钻进成孔。钻头对岩石同时作用切向的旋转切削力和轴向的冲击力这两种载荷，和单一的旋转钻进相比，它具有适应硬岩钻进特色；同时，其钻进效率又远高于一般的冲击钻进[6-7]。

2 试验装置和方法

为研究钴结壳基岩钻进破碎特性，研制了专用旋转-冲击钻孔破碎器，建立了钴结壳基岩钻进模拟试验系统。

2.1 旋转-冲击钻孔破碎器

图1 旋转-冲击钻孔破碎器

旋转-冲击钻孔破碎器见图1，主要由冲击部分和旋转部分构成，由液压油驱动。在冲击机构中，由液压油驱动冲击活塞1 往复运动，对钎尾实施冲击；旋转机构由液压马达3 通过齿轮副减速，带动钎杆旋转。

2.2 钴结壳基岩钻进试验系统

海底岩石破碎试验系统由立式台架、旋转冲击破碎器，推进机构、测试仪表和试验箱体几大部分组成，在试验箱体中旋转岩石试样并充注海水，以模拟海底钴结壳的环境条件，如图2 所示。

旋转-冲击钻孔破碎器12 固结于推进导轨15 上，岩石试样2 固定于台架3 下部，由推进缸13 实施推进，对岩石进行钻孔；在旋转、冲击和推进回路上分别设置压力传感器10，检测三个回路工作时的实时压力，在钎杆侧边安置有转速传感器16 检测钎杆旋转转速，四个传感器的信号经放大器7 滤波、放大，接入存储示波器6 和计算机5 显示记录。

2.3 岩石试件物理性能参数

本试验用的岩石是钴结壳基岩的模拟岩料。根据来自我国富钴结壳调查区内的拖网样品力学性能的测量数据，由长沙矿冶研究院制作钴结壳基岩的模拟岩料。模拟岩料物理力学性能参数如表1 所示。其单轴抗压强度与中等硬度煤岩相似[8]。

图2 钴结壳基岩钻进破碎试验系统

表1 模拟岩料物理力学性能参数

2.4 试验参数的测量和计算

试验直接测量得出的参数如表2 所示。

试验除要测量表2 的参数外，还需要在立式冲击能试验台和扭矩测量仪上对旋转-冲击钻孔器进行标定试验，得出不同冲击压力的冲击能E和冲击频率f；对应不同旋转进油压力和流量的旋转扭矩 T，从而计算出冲击功率（Np=E·f）、旋转功率（Nr=T·m/9.55）、破碎比功（a=t(Np+Nr)×103÷0.785d2·h）。