一種新型坑道水平繩索取芯鉆具的設計

彭得利

（天津華北地質勘查局核工業(yè)二四七大隊，天津 301800）

目前坑道水平鉆具普遍存在投送效率低、不易提鉆等共性問題，因此研制出一種坑道水平孔繩索取芯的新型鉆具?，F(xiàn)場試驗證明，該鉆具成功解決了坑道鉆具普遍存在的投送效率低、不易提鉆、內管到位無法確定等問題，大大提高了工作效率，經濟效益可觀。

1 該新型坑道繩索取芯鉆具由外管總成和內管總成組成

（1）外管總成由扶正器、彈卡室、座環(huán)、外管、內管扶正器、下擴孔器和鉆頭組成，并直接與鉆桿相連，通過鉆頭進行鉆進施工。

（2）內管總成由絞鏈式矛頭機構、彈卡定位機構、泵送機構、到位報信機構、巖心堵塞報警機構、單動機構、內管保護機構、調節(jié)機構、內管、卡簧擋圈、卡簧、卡簧座組成。（圖1）。

圖1 內管總成

鉸鏈式矛頭機構：為了防止提取出來的內管總成卸巖心過程中從打撈器中脫落，造成鉆具損傷甚至人員傷亡等事故，設計了鉸鏈式矛頭機構，該機構撈矛頭可在其轉動平面內轉動180°，可有效避免撈矛頭從打撈器中脫出，同時具有自動回位的功能，避免由于撈矛頭在孔內出現(xiàn)歪斜，而不能打撈的問題發(fā)生，有效提高打撈成功率。

彈卡定位機構：它是由扶正器、彈卡鉗、彈卡彈簧、彈卡室等零件組成。當內管總成在鉆桿柱內下降時，彈卡彈簧使彈卡鉗向外張開一定角度，并沿鉆桿內壁向下滑動。當內管總成到達外管總成中的彈卡室部位時，彈卡鉗在彈卡彈簧的作用下繼續(xù)向外張開，使兩翼貼附在彈卡室的內壁上。由于彈卡室內徑較大，而其上端的彈卡擋頭內徑較小，所以在鉆進過程中可防止內管總成上串，達到定位作用。

目前鉆具都是通過提拉外部的回收管，利用回收管向上的提升力，使彈卡鉗收回，但是一旦下部巖心將彈卡鉗與彈卡擋頭頂死，該機構就很難進行提升，極有可能造成內管總成不能順利拉出。為了避免鉆進過程中，由于巖心的作用導致彈卡鉗卡死，而造成的提鉆困難的問題，設計了新型彈卡機構，該機構將提升力直接作用于彈卡鉗上，有效的避免了因為彈卡卡死而不能提鉆的問題。（圖2）。

圖2 彈卡機構

泵送機構：由彈卡架連接體、泵送閥片、調整墊片、懸掛環(huán)壓蓋及泵送閥堵組成，在進行水平鉆孔施工時，一般采用外徑為70.1mm，內徑為60mm的鉆桿進行施工，根據流量計算公式，當流量一定時，截面積越小流速越大，同時又不能將鉆桿內孔完全封死而造成泵壓過大，所以采用外徑為59mm的泵送閥片，這樣既能保證流速，確保內管總成能夠快速到達孔底，同時又不會造成因為泵壓過大，而損壞泥漿泵，同時泵送閥片采用可擠壓的新型聚氨酯材料，在使用過程中，可根據泵送閥片的磨損情況，調節(jié)彈卡架連接體與懸掛環(huán)壓蓋之間的間隙，從而擠壓泵送閥片，使泵送閥片的外徑進一步的膨脹，從而確保內管總成能夠保持穩(wěn)定的投送效率。

圖3 到位報警機構

到位報信機構：目前國內部分鉆具具備到位報信機構，但是因為操作過于麻煩，所以在實際施工中，有經驗的鉆探班長基本都自行拆除該機構，并且完全憑借以往的經驗來判斷內管總成是否到位，雖然也能夠順利的完成繩索取芯，但是由于水平鉆孔是通過水泵將內管總成送到相應位置，所以很難通過以往的經驗判斷內管總成是否到位，當前部分鉆探班長主要是通過增加泵送時間，來確保內管總成到位，即增加了輔助時間，又降低了效率。

此次改進的到位報信機構，是通過在提拉內管總成時，可以實現(xiàn)自動復位，同時到位后泵壓信號更明顯，為操作人員判斷內管總成是否到位提供了重要依據，該機該構由泵送機構里的閥堵和閥套等零件組成。當內管總成在鉆桿柱內由沖洗液壓送時，閥堵在關閉位置，泵送閥片堵住沖洗液，在沖洗液壓力下迫使內管到達外管中的預定位置，內管總成的懸掛環(huán)座落在外管中的座環(huán)上，把沖洗液的通道完全堵塞，此時彈卡鉗進入彈卡室并張開，閥堵在回收管及沖洗液的雙重作用下向下滑出閥圈，水路通道打開。在實際使用中，鉆具到位后，水泵泵壓在瞬間增大后回歸正常泵壓，這一信號，可有效反應鉆具已經到位，避免了因內管總成不到位而造成的巖心無法提取的問題。（圖3）。

巖心堵塞報警機構：該機構由內管帽、芯軸、壓縮彈簧、報警閥片等零件組成。鉆進過程中，當發(fā)生巖(礦)心堵塞或巖(礦)心裝滿內管時，巖(礦)心對內管產生的頂推力壓縮彈簧，使內管帽向上移動壓縮報警發(fā)片，將水路堵塞，從而造成泵壓升高，告誡操作者應停止鉆進、撈取巖心。

內管保護機構：它是由軸承座、壓縮彈簧等件組成，又稱緩沖機構。切斷巖芯是通過提升鉆桿來實現(xiàn)的。采取巖心時，拔斷巖心的力使軸承座壓縮彈簧向下移動，內管及卡簧座隨之下移至鉆頭臺階上，從而拔斷巖心的力由鉆頭傳遞到外管，以保護內管不受損壞。

調節(jié)機構：由調節(jié)螺母、芯軸等組成此機構。內外管組裝在一起時，如果卡簧座與鉆頭內臺階之間的間隙不合適，則可以通過調節(jié)芯軸的相互移動進行調節(jié)，滿足要求后，用調節(jié)螺母鎖緊，以防松動。

2 新型坑道水平繩索取芯鉆具的使用

①施工錢前配備相關的附屬工具，如250泥漿泵、水平鉆進專用水接頭、絞車、鉆具打撈器等。②安裝外管總成，根據組裝圖，將絲扣連接部位緊固到位，同時將外管總成內的座環(huán)以及懸掛環(huán)安裝到正確位置。③安裝內管總成，檢查內管總成上部的軸承是否轉動靈活轉動，然后將內管與上部總成連接，并安裝卡簧座、卡簧擋圈、卡簧。④在鉆進開始前將內管總成放入鉆桿內，打開水泵，觀察水泵泵壓儀表，當儀表指針突然增大后又返回原位，說明鉆具總成到位報警機構已經打開，鉆具已經到達相應位置，可以開始正常鉆進。⑤當完成單桿進尺后，開始投送打撈器，通過水泵將打撈器送到相應位置，并確保打撈器與內管總成相連，然后通過絞車將內管總成拉出，完成一次繩索取芯。

3 實驗效果

為了驗證該套鉆具的性能，在招金集團棗子溝金礦進行了實地試驗，甲方要求完成進水平孔一個，設計孔深為400m，設計孔徑為75mm，取芯率要求90%。施工中首先采用單管鉆進行開孔，施工深度為5m，隨后采用新型繩索取芯鉆具進行取芯，在孔深達到100m時，經過現(xiàn)場記錄內管總成投送時間為3分鐘～5分鐘即可送到，同時在內管總成到位后，泥漿泵泵壓瞬間提升到4Mpa后，立即回歸正常，隨即判斷內管總成已經到位，開始正常鉆進，并順利提取出巖心，在提取巖心的過程中并沒有出現(xiàn)因為彈卡鉗與彈卡擋頭頂死而出現(xiàn)的不易提鉆的問題，在施工孔深達到110m時，投送速度下降，分析原因確定為，因為磨損泵送閥片的外徑減小，造成投送速度減慢，提鉆后對泵送閥片進行壓緊調節(jié)，將泵送閥片的外徑調節(jié)至59mm，再次投送時，投送速度回歸正常，在孔深施工深度達到200時，對泵送閥片進行了更換，投送到孔底的時間為6分鐘～11分鐘，投送效率較高，該孔終孔深度為405m，取芯率達到了92%，成功完成了預定孔深400m，取芯率90%的目標，同時整體施工時間為8天，通過試驗進一步驗證了新型坑道水平鉆具的施工效率較高，并且有效解決了泵送效率低、鉆具不易提取、內管總成到位不確定等問題，并成功實現(xiàn)了2500m水平進尺。