HF30便携式全液压金刚石岩心钻机的研发与应用

2015-12-11马超林刘文平舒智陈骏何宗常

地质装备 2015年3期

马超林，刘文平，舒智，陈骏，何宗常

（1.四川华锋钻探工程有限责任公司，成都 610091；2.张家口中地装备探矿工程机械有限公司，河北张家口 075026）

1 概述

目前，金刚石岩心钻探领域主要的施工设备有各种型号立轴钻机、国外宝长年、阿特拉斯.科普柯及国内天合众邦、黄海机械厂的全液压金刚石岩心钻机，这些设备主要用于有较好的搬迁便道、搬迁距离相对较近的矿区施工作业。随着环境保护要求的提高，修建便道成本的增加和劳动力成本的上升，对于搬迁距离较远的初期勘探，只能修建简易便道的大切角山区、较少植被坡缓的林区钻探施工，一种质量轻便、对便道要求简单、成孔质量高、孔深在450m左右的轻便钻机的市场需求尤为迫切。

我公司在消化吸收宝长年（BoartLongyear）公司Hydracore28轻便钻机的基础上，研发的HF30便携式全液压金刚石岩心钻机，完全满足市场的这种需求，并且填补了国内在此领域的空白。

2 钻机的主要参数

根据市场的调查并结合设备单体重量等情况，最终确定了HF30便携式全液压金刚石岩心钻机的主要技术参数，基本满足国内外岩心钻探的需求。

钻进能力：

HQ（HTW） 150m

NTW 300m

BTW 600m

动力单元：

3台25.7kW百力通汽油发动机或3台22kW久保田柴油发动机

转速及扭矩：

转速 300～1200r／min

扭矩 330～1050Nm

进给系统：

进给系统使用2根行程1.7m的液压油缸，最大进给力18kN，最大起拔力68kN。

液压系统：

主泵（3个） 17mL （172.5bar）

辅助泵（1个） 0.8mL （172.5bar）

液压油箱容量 35L

冷却方式风冷和水冷

下夹持器：

采用木马夹持器，液压开闭

3 钻机的结构

钻机主要由天车、上塔、导向轮、副塔腿、进给油缸、下塔、动力头、下夹持器、底座、立塔装置、打捞卷扬、操作台、液压油箱模块、液压系统、动力装置模块等部件组成。以上部件由液压系统串联成钻机整体，辅助泥浆液压泵、液压搅拌机等装置，再配置适宜轻便钻机的薄壁金刚石岩心钻具，就可实现高效拆装、轻便模块化搬运、高效、优质的岩心钻探作业。钻机结构示意图如（图1）。

图1

4 钻机的设计思路和特点

（1）钻机的动力系统由3台25.7kW百力通风冷汽油发动机或3台22kW久保田柴油发动机组成，每台发动机独立成个体，单机质量（含冷却液）不超过180kg，极好地拆分了立轴钻机或其他全液压岩心钻机发动机的重量，采用人力或畜力就可搬运。发动机采用单体独立控制，在不需要的时候可关闭一台发动机或下调发动机油门来控制燃油消耗以降低燃油成本。

（2）液压系统的液压泵、液压马达、液压阀等主要元件选用世界知名液压品牌，保证了液压系统的高可靠性和高稳定性。动力元件采用3台齿轮泵和一台串联的辅助齿轮泵，由三台发动机分别驱动，为整个系统提供动力源和控制压力源。控制单元集成在操作台上，分别实现钻机所需要的各种动作和辅助控制。执行单元的动力头液压马达采用不同排量马达实现动力头速度变化，打捞卷扬、液压泥浆泵通过液压马达直接驱动，进给和提升通过驱动液压油缸实现。

（3）动力头是为钻探提供旋转和扭矩的动力元件，根据钻孔的不同需求可更换不同排量的液压马达实现转速和扭矩的调整，除满足钻孔的需求，也很好地解决了其他钻机为实现这些功能而增加的动力头部件和重量，从而使动力头变得轻便，使拆装和搬迁变得方便，整个动力头的质量（不含马达）为30kg。

（4）钻探进给和提升由2根液压油缸组成，通常情况下只使用1根液压油缸工作，在需要大进给力和起拔力时，通过快速接头连接另外1根油缸，使进给和提升力倍增。

（5）钻机采用液压升降塔，可方便地实现钻进角度的变换，极大地减轻了调整钻孔角度的劳动强度，也降低了操作的安全风险。

（6）液压系统采用风冷和水冷两种冷却方式，在通常情况下只需要风冷却，在高温带施工时再辅加水冷却器，很好地保证了液压系统的温度。

（7）主要的结构件——发动机架、液压油箱、操作台、柴油箱、钻机底座、副塔腿、水泵座、搅拌机全部采用高强度铝合金材料，在保证设备整体结构强度的情况下，极力降低每个部件的重量。单个最重部件质量为180kg，整机质量为1200kg。

（8）整台钻机采用模块化设计，动力系统、液压油箱、柴油箱、操作台、钻机动力头、底座、上下钻塔、打捞卷扬各成模块，可在半小时内完成拆卸和拼装，极大地节约了搬家的辅助时间。

5 使用情况

该设备制造出来后，先在华锋公司仓库进行了测试施工（图2），然后在云南兰坪项目进行钻探作业。施工的最大口径为PQ，最小口径为NTW，最大深度315.3m。

仓库施工地区地层主要由表层黏土层、沙卵砾石层以及完整的红砂岩岩层构成。表层黏土层厚为30～50m，沙卵砾石层层厚约为3～7m，下部地层岩石情况比较单一，均为红砂岩，夹有少量明矾矿层。我们根据钻孔的地层条件以及钻孔结构，来选择钻进方法。我们选用HW口径开孔，钻进至12m处作为孔口管，然后换HTW口径钻穿沙卵砾石层并在60m处坐管，再换NTW钻进至设计孔深190m。

图2 在华锋仓库试验

2013年，HF－30钻机在西藏仁布金矿项目钻探施工中得到生产应用，仁布县位于西藏自治区南部、日喀则地区东部，距日喀则市130km。矿区地处雅鲁藏布江缝合带内，雄如－勇拉构造混杂岩带念扎段转折向北突出部位，构造演化复杂。实际施工中采用HW开孔，在10m左右座井口管，钻压11～18kN，转速300r／min，泵量60～80L／min；HTW 口径钻具打穿表土层至30m左右，钻压10～15kN，转速300或650r／min，泵量50～60L／min；NTW 口径钻具钻进至终孔，钻压9～12kN，转速650或770r／min，泵量40～50L／min，最大终孔深度315.3m。由于该矿区地层较复杂，表土层采用低固相泥浆体系，钻进角闪岩时采用无固相泥浆，矿层及顶底板选用磺化抑制性泥浆体系进行护壁。

从2013年4月10日到2013年10月20日，HF－30顺利完成了5556.6m钻探工作量。经受了高原恶劣气候的考验，在比较复杂的地层施工中取得了比较理想的使用效果。在施工矿区矿层采取率达到98%，平均采取率高于96%，最大钻孔弯曲度小于1度。由于搬家与其他辅助时间大大减小，降低了工人的劳动强度，缩短了施工时间，提高了钻进效率，该矿区平均台效达926m。