液壓鉆機鉆進效率影響因素研究

李貞杰，劉衛亮，江　科

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400039；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

液壓鉆機鉆進效率影響因素研究

李貞杰1，2，劉衛亮1，2，江科1,2

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400039；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

摘要：列舉了影響鉆進效率的幾種關鍵因素并逐項加以分析，提出了不同條件下合理的鉆進狀態供讀者參考，在如何提高效率方面為煤礦井下采用液壓鉆機施工各類鉆孔指明了方向，對于煤礦井下高效、安全生產具有積極意義。

關鍵詞：鉆進效率；液壓鉆機；鉆壓；轉速

礦用液壓鉆機是煤礦井下施工瓦斯抽(排)放孔、防突泄壓孔、探水孔及地質鉆孔等各類鉆孔的關鍵工具，其鉆進效率直接影響煤礦井下其他工種的工作進度，例如防突鉆孔的效率低下可直接遲滯掘進速度，進而延緩生產進度；因此，提高鉆機的施工效率就顯得尤為重要。目前，礦用液壓鉆機生產廠家較多，產品的參數配置不盡相同，施工工藝也因地質條件不同而不同，限于篇幅原因，本文只介紹常規回轉全液壓鉆機施工鉆孔時影響效率的關鍵因素供大家參考。

煤礦井下全液壓鉆機施工流程[1]一般為：首先，根據需求選好鉆場，設計鉆孔布置方案以達到特定目的；然后，檢查設備，錨固鉆機，將待鉆煤層(或巖層)修理平整，盡量保證被施工面與鉆具垂直，這樣可以減小鉆具承受的應力，防止鉆具疲勞損壞；最后，將鉆具推進至被施工面，調低全液壓鉆機的輸出轉速并開始旋轉切削煤巖，同時打開排渣介質。這個過程的鉆進速度不能太快，否則鉆頭未充分切削煤巖便被鉆機給進力強行擠入，同樣會因應力因素損壞鉆具，此外鉆進速度過快會影響鉆孔保直效果，這一點在開孔階段非常重要。當首根鉆桿完全被推進至被施工介質后，將鉆機的輸出轉速調至需要范圍，開始正常鉆孔施工，之后不斷加接鉆桿，完成特定深度鉆孔施工的目的。

在上述過程中，影響鉆進效率的因素從宏觀角度可分為全液壓鉆機設備自身因素和外界客觀因素2種，下述將分別予以討論。

1設備自身因素

全液壓鉆機設備自身影響鉆進效率的因素主要包括鉆壓和轉速2個方面[2]。

1.1鉆壓對鉆進速度的影響

鉆壓即鉆機輸出的給進力減去各類阻力后鉆頭施加于介質的壓力，實踐證明在一定的鉆進條件下，鉆壓與鉆進速度的關系如圖1所示。

圖1　鉆壓與鉆進速度的關系曲線

可見鉆壓在很大范圍內與鉆進速度成線性關系(點1和點2之間)，當鉆壓取值在點1之前時，因壓力過低導致鉆進速度過慢，在點2之后鉆壓過大，鉆頭沒有充分切削介質，導致排渣量增大，鉆頭冷卻效果不佳，磨損加劇，鉆進效果變差。

圖1中點1和點2之間的區間鉆壓與鉆進速度成線性關系，可用直線公式表示為：

v=K(P-P0)

(1)

式中，v是鉆進速度；K是斜率；P0是鉆機初始壓入介質時的鉆壓或稱門限鉆壓，因介質不同而取值不同。

1.2轉速對鉆進速度的影響

鉆機輸出的轉速代表了鉆頭在孔底切削介質的快慢，從理論上來說，鉆進速度會隨著轉速的增加而增加，但在實際過程中，兩者并不是成線性關系，鉆進速度有最優值，超過此值后不會因轉速的增加而增加，反而會下降。究其原因主要是鉆頭在介質表面作用時間短，影響切入深度，同時轉速過快導致孔底溫度升高，鉆頭磨損加劇。

圖2　轉速與鉆進速度的關系曲線

圖2中：1)曲線Ⅰ是指在塑性大、研磨性小的介質中鉆進速度與轉速的關系，基本成線性關系；2)曲線Ⅱ是指在中等硬度、研磨性較小的介質，中鉆進速度與轉速的關系隨著轉速增高逐漸變緩；3)曲線Ⅲ是指在中等硬度、強研磨性介質中鉆進速度與轉速的關系，開始情況類似曲線Ⅱ，超過極限轉速n0后，鉆進速度開始下降，n0的大小隨巖性、鉆壓和鉆具形狀而異。

曲線Ⅱ和曲線Ⅲ反映了巖石破碎過程的時間效應問題，在鉆壓和其他參數保持不變的情況下，鉆進速度可以表示為：

v=λn2

(2)

式中，λ是轉速系數，其取值與介質性質有關，一般<1；n是轉速。

2外界客觀因素

外界客觀因素主要包括鉆具方面因素、地質條件因素以及人為因素等3個方面。

首先，討論鉆具影響鉆進速度的因素：1)不同材質和尺寸的鉆頭鉆進不同的介質需要不同的配套轉速，否則效能不能發揮到最佳，例如φ94 mm的金剛石表鑲鉆頭一般要求輸出轉速達到260～600 r/min，孕鑲鉆頭則要達到350～700 r/min，根據特性選用才能提高效率；2)全液壓鉆機施工時，一般選取壓風或壓水沖洗孔底并排出鉆屑，2種介質各有優缺點，根據需要選取，但是采用壓水排渣施工大傾角(+30°以上)鉆孔時，鉆桿內的水會因重力原因回流，等加接鉆桿后再將水送至孔底時需要很長時間，深孔鉆進時需要時間更多，影響鉆進速度，因此有條件時可在幾根鉆桿之間加接單向逆止閥，保證排渣水不會回流，提高鉆進速度[3]；3)通過鉆具的沖洗液的質量和流量對鉆進速度有一定的影響，根據公開資料，沖洗液粘度越大鉆進速度呈下降趨勢，增大沖洗液流量，鉆進速度也隨之增大，因此合理選取沖洗液可以提高鉆進速度。

其次，討論地質條件因素對鉆進速度的影響。被施工介質性質比較穩定時對鉆進速度影響不大，選取合理的轉速和給進速度正常鉆進即可。若地質條件中有斷層或者煤層中較硬夾矸較多，則鉆進時務必小心，斷層處鉆具受力不均易發生折斷，較硬夾矸中如果鉆進速度過快則可使鉆頭溫升過快而碳化損壞，這2種情形均可影響鉆進速度。

最后，操作人員的操作水平對鉆進速度具有一定的影響。一般來說，操作人員在施工時應密切關注壓力表的變化，若壓力急劇升高則遇到了堅硬介質，此時應降低鉆進速度，增大沖洗液量，等穿過堅硬介質壓力恢復正常值時再恢復鉆進速度，否則易發生鉆具或設備損壞而影響施工；此外，操作人員還應密切關注沖洗液排出的鉆屑，一般來說，鉆屑顆粒直徑越小，鉆孔介質越堅硬，施工時應保持合理的鉆進速度和轉速以達到目的。

3結語

鉆進速度是煤礦井下施工鉆孔時衡量鉆孔效率的主要指標，在煤礦井下施工各類鉆孔時應采取合理的鉆進壓力和回轉速度，使設備的能效發揮至最佳狀態；同時，應綜合考慮配套鉆具、被施工地質條件及操作人員的因素，只有將各種因素考慮周全才能有效提高鉆孔效率，達到既快速并且安全施工的目的，為煤礦井下安全生產保駕護航。

參考文獻

[1] 姚向榮，朱云輝. 煤礦鉆探工藝與安全[M]. 北京：冶金工業出版社，2012.

[2] 石智軍，胡少韻，姚寧平. 煤礦井下瓦斯抽采(放)鉆孔施工新技術[M]. 北京：煤炭工業出版社，2008.

[3] 劉衛亮. 大傾角工況下礦用鉆機的選型[J]. 煤礦機械，2013(5): 242-243.

責任編輯鄭練

Discussion on Factors Influencing Hydraulic Drilling Efficiency

LI Zhenjie1，2, LIU Weiliang1，2, JIANG Ke1，2

(1. State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Response Techniques, Chongqing 400039, China;2. Chongqing Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Co., Ltd., Chongqing 400039, China)

Abstract:The paper cited several key factors influencing the efficiency of drilling and item-by-item analysis, presented reasonable drilling for readers under different conditions and construction. All types of hydraulic drill for underground coal mine drilling pointed the way about how to improve efficiency, it is positive significance to be efficient and safe in coal mines.

Key words:drilling efficiency, drilling rig, drilling pressure, rotating speed

收稿日期：2014-06-25

作者簡介：李貞杰(1981-)，男，工程師，本科，主要從事煤礦安全裝備技術及檢測等方面的研究。

中圖分類號：TD 41

文獻標志碼：A