摘要
水利工程项目建设往往位于偏远或地貌环境复杂的地区,为开展上述区域的浅部地质勘查,对钻机的轻便程度、在地形复杂地区的迁移能力以及适应复杂地层的多功能需求提出了更高的要求。基于此,本文分别对立轴式岩心钻机、全液压动力头式岩心钻机、声波钻机和便携式岩心钻机在水利水电工程勘察中的应用现状进行了综述,并比较了其优缺点。总体而言,工程勘察钻机都在向着绿色化、模块化和多功能化方向发展,水利水电工程勘察在选择钻机时应综合考虑不同类型钻机在满足孔深、定向、取心和原位试验等具体任务要求情况下进行针对性选择。
2022年,我国完成水利建设投资达10893亿元,首次突破1万亿元关口,是新中国成立以来水利建设投资完成最多的一年。全年新开工重大水利工程项目47项,投资规模达4577亿元,开工数量和投资规模均为历史新高。大规模的水利建设直接吸纳就业人数251万人,其中农村劳动力205万人,为稳投资、促就业发挥了重要作
目前,我国的地质岩心钻探用钻机仍然以XY系列立轴式岩心钻机为
适用于浅部水利水电工程勘察的钻机按照回转器不同可分为立轴式和移动回转器式,其中移动回转器式又分为全液压动力头式和机械动力头
目前,立轴式岩心钻机仍在我国工程勘察领域占据主导地位,典型的立轴钻机如
图1 不同形式的立轴钻机
根据市场的不同需求,各立轴钻机生产厂家在原设备基础上做出了优化、改进和改型,发展出不同形式的立轴钻机,主要包括履带式、轮式、车载式以及塔机一体式立轴钻
改进后的长给进行程立轴式钻机在工程勘察方面具有较大的优
全液压动力头式钻机(如
图2 全液压岩心钻机及其控制台
(1)给进行程长:动力头可沿桅杆移动,导向性较好且实现了长行程给进。不仅大幅度增加了纯钻进时间,还由于钻进过程连续,可大幅度减少孔内事故发生的概率并提高岩心采取率。
(2)工作平稳,无级调速:钻机过载保护性能好,回转及给进可实现无级调速,钻压可精确控制,可根据地层条件、机具情况优选钻进参数,较好地满足钻探工艺要求。
(3)搬迁方便,易于实现自动化:钻进角度调整及钻机移动搬迁方便,动力头与孔口夹持器配合可实现拧卸管,所有动作均由液压系统中的液压元件完成,减轻了操作者的劳动强度及操作人员数量。
相比机械传动钻机,全液压钻机的缺点是:功率消耗较大,传动效率较低,造价高,维护保养要求较高。
由于全液压钻机具有自动化程度高、给进行程长的特点,是目前工程勘察钻机发展的主要方向。近年来国内开发了多种结构型式、不同装载方式、不同钻进深度的全液压钻机,并逐渐形成系列产品,促进了地质岩心钻探设备的更新换代。此外,全液压钻机更易于实现自动化和智能化。基于自动化控制技术、计算机技术、现场总线技术,以及网络技术等集成于一体的全数字化、智能化、网络化、可视化、高度集成化的全液压钻机是未来发展的方
典型工程勘察钻机性能对比如
厂 家 | 重庆探矿机械厂 | 衡阳探矿机械厂 | 张家口探矿机械厂 | 北京探矿机械厂+勘探技术研究所 | 中地装研究院 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
基本 参数 | 型号 | XY-2 | XY-1 | HT150 | HT260 | DPP100 | YDC-100 | GDC50 | GDC100 |
形式 | 机械立轴 | 机械立轴 |
车载机 械转盘 |
车载液压 动力头 | 车载液压动力头 | ||||
钻深/m | 530/380 | 100 | 150 | 320 | 100/70 | 100 | 50 | 100 | |
开孔直径/mm | 150 | 110 | 150 | 150 | 190/150 | 150 | 110 | 150 | |
终孔直径/mm | 75 | 75 | 75 | 75 | 75 | 75 | 75 | ||
钻杆直径/mm | 42/50 | 42 | 42/50 | 42/50 | 42/50 | 50 | 42/50/B/N | 42/50/B/N | |
立轴/动力头 |
转速/(r·mi | 65/114/248/310/536/849/172 | 142/285/570 | 58/130/268/415/598 | 68/156/252/384/563/688 | 65/102/176 | 0~87/0~175/0~350 | 0~485 |
0~120 0~243 |
扭矩/(N·m) | 2900 | 740 | 1275 | 1750 | 2600/1400/620 | 4000 | 650 | 3600/1810 | |
给进力/kN 起拔力/kN |
40 60 |
14.7 24.5 |
23 30 |
45 60 |
36 48 |
10 40 |
25 50 |
53 100 | |
卷扬拉力/kN | 30 | 10 | 12.5 | 22 | 12.5 | 40 | 15 | 15 | |
泥浆泵 |
泵量/(L·mi | - | 83 | 100 | - | 450 | 200 | 120 | 250 |
泵压/MPa | - | 0.7 | 0.7 | - | 2 | 4 | 2.5 | 2 | |
功率/kW | 22 | 11 | 11/7.5 | 15 | 105 | 73@2800 | 95 | 110 | |
质量/kg | 980 | 505 | 450 | 710 | 8270 | 7600 | 3115 | 7950 |
注: 数据来自相关产品说明书。
声波钻机是一种新型勘察钻机,对于钻进堆石层、松散砂砾层、强风化层非常有优
声波钻机的结构原理如
图3 声波钻机的钻进原理与结构示意
声波钻进被誉为钻进深厚覆盖层和砂砾石复杂地层的最佳方
声波钻进技术自20世纪80年代后在国外广泛应用起来,出现了许多高频振动钻进设备制造商,如加拿大的SonicDrill公司、日本的东亚利根公司、德国的克虏伯公司、美国的BoartLongyear公司等。其应用范围包括环境保护调查孔、地源热泵孔、砂金地质勘探、大坝及尾矿监测孔、复杂地层导引孔,以及水文水井孔、微型桩、抗浮锚杆孔等工程。
由于声波高频振动头技术的“瓶颈”限制,声波钻进技术在我国的应用起步较
图4 国产声波钻机
型 号 | YGL-S50 | YGL-S100 | YGL-S200 | |
---|---|---|---|---|
能力 | 名义孔深/m | 50 | 100 | 200 |
孔径/mm | 50~110 | 86~126 | 125~200 | |
动力头 |
回转转速/(r·mi | 30/60 | 0~33/66 | 0~52/103 |
回转扭矩/(N·m) | 3240/1620 | 5400/2700 | 9300/3900 | |
振动频率/(次·mi | 4000 | 4000 | 6000 | |
振激力/kN | 38 | 78 | 200 | |
重量/kg | 359 | 575 | 1800 | |
绞车 | 单绳拉力/kN | 11 | 11 | 11 |
给进系统 | 加压力/kN | 20 | 45 | 50 |
起拔力/kN | 50 | 65 | 75 | |
给进行程/mm | 2300 | 3500 | 3500 | |
柴动力 | 功率/kW | 46 | 125 | 160 |
转速/(r·mi | 2200 | 2200 | 2200 | |
外形尺寸 | 运输/mm | 5600×1450×2200 | 6560×2250×2560 | 8130×2300×3270 |
工作/mm | 3400×1450×5600 | 5100×2250×6560 | 5130×2300×8200 | |
质量/t | 3.8 | 8.5 | 12 |
常规的立轴式岩心钻机和全液压勘察钻机虽然整体性较好,但在野外搬迁方面,特别是在地形复杂地区进行水利水电工程勘察时较为困难。便携式全液压工程勘察钻机既考虑了轻便化,又兼顾了给进行程问题,目前已在水利水电勘察行业中得到了广泛的应用,并具有迅速取代传统立轴岩心钻机的发展趋势。模块化便携钻机(
图5 国内的几款便携式全液压动力头钻机
便携式岩心钻机首先体现了便携式,是常规钻探设备的有益补
图6 便携式搬迁设备
国内的便携式钻机从2000年之后逐步发展,初期均是引进吸收国外先进钻机。2003年四川华锋钻探公司引进了Hydraucore2000型钻机在云南禄春某金矿勘探实施钻探工程,2004年维克特公司以全部装备便携式钻机进入中国岩心钻探市场,很快展现出便携式钻机进尺速度快、占地小、搬迁方便的明显优势。同年,国内天和众邦公司和其它公司开始试制便携式钻机,但受限于钻机制造理念以及客户对钻机使用方法经验不足,在野外实际使用中没有发挥出便携式钻机的优势,市场反响不佳。2011年5月成都探矿机械厂主持召开便携式钻机应用研讨会,经专家们充分研讨后,对便携式钻机在国内的应用前景和研发制造的技术路线有了较清楚的认识。随后很多公司开始投资研发出新一代国产便携式钻机。经过近十年的推广应用和对钻机的不断升级改进,中国制造的便携式岩心钻机不仅在国内蓬勃发展,在海外钻机市场也取得了良好的业绩。目前国内具有代表性的便携式钻机产品有四川诺克公司的ROCK系列、中地装(北京)科学技术研究院的XD系列和广东英格尔地质装备公司的EP系列,如
此外,国内便携式全液压钻机厂家还有天和众邦、山东智强、无锡锡钻等等。虽然各厂家的产品种类众多,但普遍采用单独液压马达驱动回转器,因而存在以下不足:(1)便携式钻机能获得较高转速,但扭矩不足,在回填层、松散破碎等复杂地层,钻进能力不足;(2)便携式钻机处理断钻、卡钻、埋钻等事故能力差,薄壁钻杆强度低,操作不当,极易损坏且难维修。
工程钻机种类众多,在不同领域均已得到长足的发展。总的来看,工程钻机在向着绿色化、模块化和多功能化方向发展。“绿色”代表了设备对环境影响小,质量轻,自动化程度高和减少能量消耗;“模块化”代表易迁移、易组合,对不同的工况有不同的功能和参数组合应对;“多功能”体现在能适应不同的钻进工艺,能实施垂直孔、定向孔和水平孔等不同类型的钻孔。
水利水电工程勘察中砂卵地层是常钻遇地层,为了满足近地表复杂地层快速安全钻进要求,工艺上采用孔底液动冲击回转钻进和跟管钻进相结合的方法,快速钻穿地层,避免孔内事故的发生。但便携式钻机在应用跟管、冲击钻进工艺时同样存在不便,小口径取心孔的冲击功能多依赖液动锤来完成,对冲洗液的流量和固相含量要求较高,而工程地质勘察中用的多为小流量泵和清水自然造浆,流量一般不超过120 L/min,且不对含砂量进行控制,无法满足一般潜孔锤的使用要求。因此,为提高水利水电工程勘察领域的钻探技术水平,在生产实践中应结合水利水电工程勘察工作的实际情况,综合考虑不同类型工程勘察钻机在满足孔深、定向、取心、原位试验(注水、压水、标贯、动探等)等方面的具体任务要求进行针对性选择。
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