綠色礦山勘探中便攜式鉆機(jī)高效利用研究

何坤鵬，舒 智，蔣清燕，鐘論法，周 鵬

（四川華鋒鉆探工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610000）

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，需要越來(lái)越多的礦產(chǎn)資源，在資源勘探過(guò)程中需要通過(guò)對(duì)地下巖土的勘查來(lái)探明礦產(chǎn)的資源儲(chǔ)量和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1]。在對(duì)我國(guó)勘探技術(shù)裝備發(fā)展的經(jīng)濟(jì)環(huán)境分析基礎(chǔ)上，本著綠色環(huán)保可持續(xù)的發(fā)展理念，對(duì)勘探工作提出了新的要求。綠色勘探是勘探行業(yè)可以有效進(jìn)入生態(tài)文明建設(shè)的關(guān)鍵任務(wù)，綠色勘探需要從源頭控制對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響，使礦山勘探走向綠色環(huán)保的高質(zhì)量道路。便攜式鉆機(jī)適應(yīng)當(dāng)下礦山綠色勘探的設(shè)備需要，該勘探設(shè)備便于遷移，適用于大型鉆探設(shè)備不能到達(dá)的基巖和砂層勘探，設(shè)備搬遷不用修路平場(chǎng)，采取率高且成本較低，受到勘探行業(yè)的廣泛關(guān)注，并大范圍應(yīng)用于礦山地層勘探中，但便攜式鉆機(jī)仍然存在著一定的不足，如沒(méi)有其他輔助動(dòng)力，處理孔內(nèi)事故問(wèn)題能力較弱等問(wèn)題有待于進(jìn)一步研究。

1 綠色礦山勘探中便攜式鉆機(jī)高效利用

1.1 調(diào)節(jié)氣動(dòng)馬達(dá)的空氣流量

氣動(dòng)馬達(dá)是一種轉(zhuǎn)化裝置，它將空氣壓縮轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的能量。氣動(dòng)馬達(dá)的各種不同構(gòu)造形成了三種不同形式[2]。相近功率的氣動(dòng)馬達(dá)中，葉片式比活塞式相比較、具有重量更輕，體積小且成本更低的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，它的轉(zhuǎn)速、扭矩和功率可調(diào)節(jié)的范圍更大，這些優(yōu)勢(shì)使得更好地適用于各個(gè)場(chǎng)合，因此葉片式馬達(dá)是使用最多的氣動(dòng)馬達(dá)形式。鉆機(jī)在加壓過(guò)程操作簡(jiǎn)單，只需通過(guò)其自身重量和操作人員的人力，便能夠完成對(duì)鉆機(jī)的一系列操作流程。若需改變氣動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，控制其功率大小，首先要控制壓縮空氣的流量，這一操作目的需要通過(guò)控制氣閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。進(jìn)氣手柄控制空氣流量的進(jìn)入，使氣動(dòng)馬達(dá)運(yùn)行后，經(jīng)減速機(jī)輸出扭矩，將動(dòng)力能量傳給鉆桿和沖擊器；鉆桿利用沖擊器能夠產(chǎn)生劇烈高速的旋轉(zhuǎn)和沖擊，從而破碎地層，將巖石樣帶回。便攜式鉆機(jī)需要滿(mǎn)足以下需求。首先是在諸多惡劣環(huán)境下均可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)的安全問(wèn)題。其次是有過(guò)載保護(hù)，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)載的情況時(shí)，控制馬達(dá)速度，使馬達(dá)能夠在負(fù)載減小后繼續(xù)運(yùn)行。第三必須正、反轉(zhuǎn)切換靈活、快速，能實(shí)現(xiàn)氣馬達(dá)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)向，把握輸出軸正反轉(zhuǎn)向的能力，同時(shí)氣動(dòng)馬達(dá)溫度不能在長(zhǎng)時(shí)間的滿(mǎn)載工作下溫度過(guò)度上升。由于功率和轉(zhuǎn)速的范圍較廣，可以應(yīng)對(duì)多種場(chǎng)合要求。同時(shí)操作簡(jiǎn)單方便，維修簡(jiǎn)單，節(jié)約成本。施加在鉆頭上的鉆壓必須大于土層抗壓強(qiáng)度和鉆頭刀刃與土層接觸面積之積，鉆頭的刀刃才能吃入地層。鉆壓強(qiáng)度越大切入土層就越深，其破碎土層的效率也就越高。氣動(dòng)裝置與液壓裝置相比，由于其裝置內(nèi)儲(chǔ)存的是空氣，不會(huì)出現(xiàn)自燃的現(xiàn)象，利用壓縮空氣流量，可以更好地集中儲(chǔ)能供能。

1.2 貫通式潛孔錘技術(shù)輔助勘探礦山地層

貫通式潛孔錘反循環(huán)技術(shù)是我國(guó)在勘探作業(yè)中的一次新的嘗試，其原理是在雙壁鉆具的基礎(chǔ)上，通過(guò)貫通式潛孔錘，與鉆機(jī)鉆頭進(jìn)行排渣的反循環(huán)方法[3]。根據(jù)多噴嘴引射器原理的鉆頭能夠抽吸、引射孔底的空氣攜帶巖樣，經(jīng)貫通孔上返，雙壁鉆桿傳遞扭矩的同時(shí)，也為壓縮空氣流動(dòng)和巖樣運(yùn)輸?shù)奶峁┩ǖ馈５V區(qū)存在典型的硬，脆、碎、塌的復(fù)雜地層使勘探存在諸多難題，如露天開(kāi)采中爆破產(chǎn)生的地層裂隙發(fā)育，在成孔、鉆進(jìn)和取樣過(guò)程都非常困難，因此針對(duì)該礦區(qū)巖石地層復(fù)雜，確保不同地層條件都能獲得良好的反循環(huán)效果和巖心采取率。本文采用不同的鉆具組合，使其能夠?qū)崿F(xiàn)潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)，運(yùn)用空壓機(jī)、鉆機(jī)、貫通式潛孔錘、雙通道氣水龍頭等設(shè)備，圖1為現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)圖。

圖1 勘探礦山施工圖

通過(guò)多種鉆具組合，運(yùn)用潛孔錘技術(shù)勘探側(cè)層，由圖1可以看出，在黃土層采用桶合金器具、雙壁鉆桿以及雙通道氣水龍頭，采用壓縮空氣排渣。開(kāi)孔鉆進(jìn)采用ψ150mm反循環(huán)鉆頭，在同樣雙壁鉆桿和雙通道氣水龍頭的基礎(chǔ)上，增加貫通式潛孔錘勘探風(fēng)化層，下用ψ150mm孔口管護(hù)壁，在上述設(shè)備基礎(chǔ)上，改用ψ120mm反循環(huán)鉆頭進(jìn)行基巖鉆進(jìn)，利用高風(fēng)壓膠管以及空壓機(jī)形成送風(fēng)管路。采用斜孔，鉆孔軌跡中軸線(xiàn)垂直于礦脈的傾斜面。貫通式潛孔錘及雙壁鉆桿中空斷面是反循環(huán)過(guò)程的路徑，由于鉆孔斷面大小固定，在供風(fēng)量有限的情況下可以使風(fēng)量向上循環(huán)，避免孔底地層的二次破壞，保證便捷式鉆機(jī)的排渣能力。排渣效果不會(huì)被孔徑大小所影響，可以一徑成孔，使操作流程更加簡(jiǎn)單，除此之外還可與潛孔跟管鉆進(jìn)組合，可解決破碎坍塌地層，覆蓋層中鉆進(jìn)孔壁失穩(wěn)的難題，在裂隙發(fā)育、破碎地層等應(yīng)用時(shí)，反循環(huán)勘探技術(shù)更加安全，鉆進(jìn)過(guò)程中為滿(mǎn)眼鉆具，雙壁鉆桿作為流體和巖體運(yùn)輸通道的同時(shí)，也起套管作用，以保護(hù)孔壁，避免孔壁坍塌。采取的巖礦樣從排渣管排出后，在旋流取樣器中充分減速后，再進(jìn)行收集，塑料管在加工時(shí)，保持與鉆孔直徑大小相同，在取樣器出口位置取出巖石礦樣，對(duì)于巖石地層的實(shí)時(shí)變化的觀察更加方便，最后進(jìn)行編錄后送去化驗(yàn)。

1.3 建立螺旋鉆桿模型控制鉆機(jī)鉆孔

本文主要對(duì)便攜式鉆機(jī)的關(guān)鍵部件螺旋鉆桿和鉆頭進(jìn)行了三維建模，螺旋鉆桿主要由鉆桿主軸和螺旋葉片以焊接方式連接成一體，根據(jù)前文對(duì)氣動(dòng)馬達(dá)空氣流量及鉆頭的調(diào)節(jié)，分析螺旋鉆桿的受力情況如下：

式中 0H為螺旋葉片的長(zhǎng)度，0V為垂直速度，t為礦物從孔底至地面的時(shí)間，Q為單個(gè)螺旋葉片升運(yùn)礦物的總體積，M為單個(gè)葉片礦物質(zhì)量，δ為土壤容量，G為單個(gè)葉片上土壤總重力，g為重力加速度。螺旋鉆桿主要由鉆桿主軸和螺旋葉片以焊接方式連接成一體，分別建立螺旋鉆桿和鉆尖等零件的實(shí)體模型。依據(jù)上述計(jì)算的主要參數(shù)，并參照同類(lèi)型鉆桿，確定此鉆桿加工采用預(yù)應(yīng)力纏繞工藝加工焊接，并確定其相關(guān)技術(shù)參數(shù)表如表1 所示。

根據(jù)表1的螺旋鉆桿相關(guān)參數(shù)，考慮螺旋鉆桿及其他鉆具會(huì)受到各種不同外界因素的影響，其邊界條件、外部環(huán)境變化的載荷和系統(tǒng)自身性質(zhì)都決定了螺旋鉆桿的分析難度，因此本文選用能正確反映結(jié)構(gòu)對(duì)載荷的響應(yīng)的模型單元，模型結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化應(yīng)該保證足夠的分析求解精度。網(wǎng)格的劃分要保證精度，控制在相應(yīng)的范圍，劃定明確的邊界條件，以滿(mǎn)足實(shí)際工況條件。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)定在普通地層和復(fù)雜地層兩種條件下，采用傳統(tǒng)方法和本文方法進(jìn)行礦山勘探，使其在相同的時(shí)間和載荷和扭矩下進(jìn)行鉆孔，測(cè)量鉆孔的深度，進(jìn)行分析比較。實(shí)驗(yàn)前組裝好便攜式鉆機(jī)設(shè)備，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，打開(kāi)電路控制開(kāi)關(guān)，進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)確保便攜式鉆機(jī)運(yùn)行正常。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：首先啟動(dòng)便攜式鉆機(jī)，帶動(dòng)鉆頭向下旋轉(zhuǎn)，待鉆孔完成后進(jìn)行正反切換，反選轉(zhuǎn)出鉆桿，用米尺測(cè)量鉆入土體中的鉆桿長(zhǎng)度，并記錄數(shù)據(jù)，重復(fù)進(jìn)行鉆孔實(shí)驗(yàn)，同一水平線(xiàn)上鉆孔5個(gè)，用米尺測(cè)量鉆入土體的鉆桿長(zhǎng)度，記錄5組數(shù)據(jù)。使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行相應(yīng)勘探操作，記錄數(shù)據(jù)。再將便攜式鉆機(jī)移動(dòng)至礦山普通地質(zhì)處進(jìn)行勘探實(shí)驗(yàn)，重復(fù)上述步驟，完成數(shù)據(jù)記錄。本次實(shí)驗(yàn)將勘探深度范圍值預(yù)估在0.75以上，共進(jìn)行20次鉆進(jìn)，分為5組數(shù)據(jù)依次對(duì)比，首先對(duì)礦山復(fù)雜地層勘探深度對(duì)照表如表2所示。

由表2可知，在對(duì)礦山鉆進(jìn)時(shí)，在鉆頭鉆進(jìn)后，本文方法鉆進(jìn)的平均鉆進(jìn)深度為 0.811m，而傳統(tǒng)方法的平均深度為0.673m，本文方法比傳統(tǒng)方法平均高出0.138m的深度，本文方法勘探深度設(shè)定范圍在0.75～0.85之間，由此可見(jiàn)本文方法勘探深度達(dá)到要求,勘探穩(wěn)定情況。對(duì)普通地層的勘探深度對(duì)照表如表2所示。

由表3可知，在普通地層鉆進(jìn)時(shí)，本文方法鉆進(jìn)的深度比傳統(tǒng)方法勘探深度更深，但兩種方法在普通地層的礦山勘探中相差較小，不同地層條件下的礦山勘探，傳統(tǒng)方法在普通地層條件下比復(fù)雜地層條件下效率高，說(shuō)明傳統(tǒng)方法更適用于普通地質(zhì)條件，本文方法在復(fù)雜地層和普通地層的勘探中效率相差較少，說(shuō)明本文方法對(duì)兩種不同地層條件的礦山勘探影響不大，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文方法的效率，具有實(shí)用性和穩(wěn)定性。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文對(duì)便攜式鉆機(jī)對(duì)綠色礦山勘探的研究，對(duì)氣動(dòng)馬達(dá)裝置進(jìn)行了優(yōu)化，采用適配的鉆進(jìn)技術(shù)配合便攜式鉆機(jī)的使用，輔助勘探復(fù)雜的地層。取得了一定的成果，在一定程度上保證了鉆機(jī)穩(wěn)定性。但也仍然存在許多問(wèn)題有待于進(jìn)一步研究，如可以考慮鉆機(jī)工作時(shí)振動(dòng)的影響規(guī)律，增加對(duì)傳動(dòng)裝置的減速器進(jìn)行研制，對(duì)鉆具進(jìn)行多樣化研究。便攜式鉆機(jī)可以考慮從環(huán)境保護(hù)方面進(jìn)一步拓寬施工領(lǐng)域，建議對(duì)便攜式全液壓鉆機(jī)增加電動(dòng)機(jī)，從而能滿(mǎn)足坑內(nèi)勘探的需要，增強(qiáng)便攜式鉆機(jī)對(duì)不同施工地點(diǎn)的適應(yīng)能力，真正實(shí)現(xiàn)綠色勘探。