呂德仙

（中煤平朔集團有限公司 安家?guī)X露天礦，山西 朔州 036006）

潛孔鉆機預防卡鉆方法的分析

呂德仙

（中煤平朔集團有限公司 安家?guī)X露天礦，山西 朔州 036006）

在分析的基礎上提出了一種新的預防卡鉆方法，提出的新預防卡鉆方法系能夠預防各類卡鉆的發(fā)生，提高了潛孔鉆機對復雜巖層的適應能力，極大地提高了鉆孔效率。

潛孔鉆機；卡鉆原因；預防卡鉆；臨界壓力

0 引 言

潛孔鉆機是一種鑿巖鉆孔裝備，沖擊器與鉆頭一起進入鉆孔內，回轉機構停留在鉆孔外驅動鉆頭旋轉，從而實現巖石鉆孔[1]。現階段潛孔鉆機已經在多個領域得到廣泛的應用，比如：露天采礦、水電水利工程、交通及國防建設等。潛孔鉆機具有鉆孔深、鉆孔直徑大、鉆孔效率高、適用范圍廣等特點，是當前通用的大型鉆孔設備[2-3]。

潛孔鉆機在鑿巖鉆孔方面有很好的效果，但由于礦床或巖石中存在溶洞、縫隙和巖石性質不均勻等原因，潛孔鉆機很容易出現卡鉆的現象。解決卡鉆問題需要大量的時間和人力，這嚴重地制約了潛孔鉆機的鉆孔效率和經濟效益。所以探索如何預防潛孔鉆機卡鉆很有必要。提出了一種新型的預防卡鉆的方法，利用回轉壓力來控制推進壓力，從而達到預防卡鉆的效果。

1 卡鉆的原因分析

在進行鉆孔之前，由于難以知道地下巖層的情況，所以卡鉆的情況頻發(fā)。按照巖層的特征和鉆孔排渣情況，造成卡鉆的原因主要有以下3種[4-5]：

1.1 溶洞卡鉆

當鉆頭進入溶洞時，溶洞中的碎石很容易把磚頭卡死，從而引發(fā)卡鉆。鉆頭進入溶洞后，鉆頭瞬間失去了作用點，鉆頭前進速度瞬間增大，但推進壓力和回轉壓力卻會出現下降。當發(fā)生卡鉆情況時，鉆頭受到的回轉阻力和前進阻力瞬間增大，從而使液壓系統(tǒng)中的回轉壓力和推進壓力快速上升，當回轉阻力超過潛孔鉆機自身所能夠提供的最大回轉力時，鉆頭停止轉動，鉆孔的工作無法繼續(xù)。

1.2 緩變卡鉆

緩變卡鉆是由于排渣不暢或巖石性質不均等原因所引發(fā)的卡鉆。當鉆孔中出現排渣不暢的現象時，鉆孔中的巖渣會越來越多。此時鉆頭受到的回轉阻力也會越來越大，鉆頭的回轉速度隨之下降；當在巖石性質不均勻的巖層中鉆孔時，鉆頭很容易受到徑上不均勻力的作用而偏離原定的方向，鉆頭受到的回轉壓力也會隨著鉆頭的偏離程度的增大而增大。當鉆頭的偏離程度到達一定時，鉆頭受到的回轉阻力超過了液壓系統(tǒng)能夠提供的最大回轉力，此時鉆頭會停止轉動，無法繼續(xù)進行鉆孔。

1.3 裂縫卡鉆

當鉆頭進入裂縫時，鉆頭突然受到裂縫的回轉阻力，且這種情況下回轉阻力往往會遠大于潛孔鉆機自身所能夠提供的最大回轉力。如果液壓系統(tǒng)不能立即消除這一突然增大的阻力矩，鉆頭的回轉運動將會停止，鉆頭的推進運動也會受到阻礙，迫使鉆孔工作停止。

2 常見防卡鉆方法

現階段在液壓鑿巖臺車或潛孔鉆機上基本防卡鉆方案主要是以下2種：①利用回轉馬達的工作壓力為反饋控制信號，讓推進回路中的壓力跟隨回轉壓力的變化而變化，使得鉆頭進入輕推的狀態(tài)，甚至讓鉆頭反轉和后退，當卡鉆情況消除后再恢復正常鉆孔狀態(tài)，由此實現自動防卡鉆；②先設定一個壓力值，當回轉壓力超過這個壓力值時，由回轉壓力控制推進回路中的壓力下降，使鉆頭的推進力下降，由此實現自動防卡。

各種防卡方案都有各自的特點，所能取得的效果也各不相同，下面就一些典型的防卡鉆方案進行比較分析。

2.1 推進回路設置液控換向閥

這種方案是在推進回路上設置一個液控換向閥1，其原理圖如圖1所示[6]。液控換向閥1的右端與換向閥3相連接。當鉆頭發(fā)生卡鉆時，回轉壓力迅速升高，從而推動換向閥3換向，液控換向閥1的右端受到高壓油的作用，液控換向閥1換向，從而使推進油缸回縮；當回轉壓力恢復正常時，換向閥3恢復原位，換向閥1復位，鉆頭的推進力恢復正常。

圖1 在推進回路上設置防卡閥

這種防卡防卡方案在鉆頭回退過程中，鉆頭自動處于輕沖擊狀態(tài)。但由于回轉壓力易發(fā)生波動，使得換向閥3的閥芯受到沖擊，這會造成閥芯的磨損；且換向閥為滑閥式，其相應特性不高，這將會影響防卡鉆的反應速度。

2.2 回轉回路設置壓力繼電器

這種方案是把壓力繼電器放在回轉回路中，用壓力繼電器來控制推進回路中的壓力和沖擊回路中的壓力變化，其原理如圖2所示[7]。在鉆頭正常工作時，回轉回路中的壓力低于壓力繼電器的開啟壓力，推進回路中的換向閥11處于右位，沖擊回路中的換向閥3處于下位，且沖擊壓力由溢流閥1給定。當發(fā)生卡鉆時，回轉回路中的壓力迅速升高，當壓力值達到或超過壓力繼電器的調定值時，壓力繼電器產生作用，使得換向閥11和換向閥3換向，從而使推進馬達發(fā)生反轉，而沖擊回路中的壓力由開啟值更低的溢流閥2決定，鉆頭處于輕沖擊狀態(tài)。當卡鉆情況解決后，回轉回路中的壓力下降，壓力繼電器復位，換向閥3和換向閥11也恢復到原來的位置，鉆頭又處于正常工作的狀態(tài)。

圖2 回轉回路設置壓力繼電器

這種控制回路相對比較復雜，含有較多的電氣元件，如壓力繼電器、信號轉換器等，并且步驟也較多。潛孔鉆機一般都工作在潮濕、多塵、高溫的環(huán)境，這些環(huán)境對于壓力繼電器都非常不利。

2.3 推進回路與回轉回路串聯

推進回路與回轉回路串聯時其工作原理圖如圖3所示[8]。在鉆頭正常工作的狀體下，回轉回路中的壓力低于壓力閥的開啟壓力。推進馬達的出口與回轉馬達的進口連接，兩者構成串聯連接，回轉馬達的進口壓力成為推進馬達的背壓。鉆頭發(fā)生卡鉆時，回轉回路中的壓力升高到壓力閥的開啟壓力，壓力閥打開，推進回路卸荷。同時，回轉回路中的高壓油反向流向推進馬達，推進馬達反轉，鉆頭后退。另外當壓力閥處于打開狀態(tài)時，平衡閥的出口壓力很低，通過該閥的流量增大，平衡閥進口處的壓力也跟隨著下降，從而造成沖擊回路中的壓力下降。當卡鉆情況解除后，回轉回路中的壓力下降，壓力閥復位，推進馬達恢復正轉，沖擊回路中的壓力值也上升回正常值，鉆頭重新開始鉆孔。

圖3 推進回路與回轉回路串聯

這種防卡鉆回路結構比較簡單，響應速度好。但這種防卡回路會出現壓力閥過早關閉的情況，影響防卡鉆的效果。

2.4 利用計算機來對卡鉆進行控制

這種方案是使用計算機來監(jiān)測推進壓力或推進速度，當出現推進壓力下降或推進速度快速增大時，可判斷此時鉆頭進入了溶洞[9]。當計算機判斷出鉆頭進入溶洞后，其可自動采取措施使鉆頭進入輕推或回退的狀態(tài)；當計算機監(jiān)測到回轉壓力超出設定值時，利用回轉壓力作為控制信號來控制推進壓力下降，使得鉆頭可以容易地穿越卡鉆區(qū)域。

計算機控制鑿巖過程自動防卡，無論是在控制系統(tǒng)構成上，還是在防卡控制方式和防卡能力上，都是純液壓控制自動防卡鉆方案無法相比的[9]。但這種方案中所包含的電子元件較多，而潛孔鉆機往往工作在露天的礦場或井下礦道，都是環(huán)境惡劣，這將嚴重影響電子元件的壽命。

3 新預防卡鉆的方法

由前面幾個典型的防卡鉆方案分析可知，現在的防卡鉆方案基本都是在卡鉆出現之后再采取措施，無法做到提前預防。為了能夠使?jié)摽足@機可以在鉆孔的過程中預防各種卡鉆的發(fā)生，必須要研究一種新的預防卡鉆方法。

3.1 新方法的確定

1）通過推進回路中推進壓力的變化來進行溶洞卡鉆預防。當鉆頭進入溶洞時，推進回路中壓力會迅速下降，此時讓推進馬達反轉來讓鉆頭回退。如果鉆頭能順利退回，說明此時鉆頭沒有發(fā)生卡鉆，鉆頭在回退的過程中回轉恢復正常轉速，推進回路中恢復正常的推進壓力。如果在鉆頭推進的過程中出現回轉壓力快速上升且超過臨界壓力的狀況，則推進馬達反轉，從而控制鉆頭往后退，重復剛才所述的步驟。當鉆頭穿過了卡鉆區(qū)域后，推進回路中的壓力值恢復正常。通過上述的兩個過程從而實現卡鉆的預防與控制。

2）當鉆孔中的巖渣越積越多，回轉回路中的壓力值上升到緩變卡鉆的臨界值時，可以通過回轉壓力的升高來控制推進壓力的下降，使得推進壓力跟隨回轉壓力的升高而下降，在這種情況下可以使得潛孔鉆機容易地穿過卡鉆區(qū)域，由此實現裂縫卡鉆的預防。這種過程同樣適用于縫隙卡鉆，只是縫隙卡鉆時回轉回路中的壓力值是快速上升。

3.2 新預防卡鉆方法的分析

預防卡鉆的新方法是通過使用液壓系統(tǒng)來實現的。液壓原理如圖4所示。

圖4 新預防卡鉆方法的原理

潛孔鉆機正常工作時，換向閥8處于左位，回轉回路中的壓力低于換向閥5的調定值，換向閥5處于關閉狀態(tài)，無壓力油通過，壓力繼電器6不動作；換向閥9的左端與X1相連接，右端與X2相連接，此時X1與高壓油相連通，換向閥9在壓差的作用下處于左位，推進馬達正轉，推進回路中的壓力值高于壓力繼電器3的調定值，壓力繼電器3斷電。

當鉆頭進入溶洞時，鉆頭由于突然失去作用點，推進速度瞬間增大，退進壓力隨之下降，當推進回路中的壓力值降低到低于壓力繼電器3的設定值時，壓力繼電器3得電從而控制換向閥2換向。換向閥2換向之后X1與低壓油相連接，而X2與高壓油連接，從而使得換向閥9換向，推進馬達反轉，鉆頭回退。當鉆頭穿過溶洞后推進回路中的壓力值恢復正常，壓力繼電器3斷電，換向閥2恢復原位，從而使換向閥9也恢復原位，推進馬達正轉，潛孔專輯恢復正常工作。

將以上兩項改進成果投入生產后，通過反復的現場試驗，均達到了預期效果，各個易磨損部件的使用時間明顯變長。其中盤根的使用時間由原來的30d變?yōu)?0d；柱塞的使用時間由原來的70d變?yōu)?30d；銅壓套的使用時間由原來的70d變?yōu)?30d。

當鉆孔中的巖渣增多時，鉆頭受到的回轉阻路越來越大，回轉回路中的壓力也隨之升高。當回轉回路中壓力超過了換向閥5的設定壓力時，換向閥5換向，推進回路中壓力下降。此時可能會出現兩種工況。第一種是：如果推進回路中的壓力下降之后，回轉回路中的壓力既沒有繼續(xù)上升也沒有下降，而是穩(wěn)定在一個值，則此時回轉力和推進壓力之間形成匹配。因此換向閥5兩端的壓力不會繼續(xù)發(fā)生變化，其閥芯的開口度將維持在一個穩(wěn)定值，鉆頭在這種狀態(tài)下繼續(xù)工作，直到鉆頭順利通過卡鉆區(qū)域。第二種：如果推進回路中的壓力下降之后，回轉回路中的壓力繼續(xù)上升，當達到或超過壓力繼電器6設定值時，壓力繼電器6得電從而控制換向閥2換向，則此時換向閥9的左端與低壓油接通，右端與高壓油相通，換向閥9換向，推進馬達反轉，鉆頭回退。當回轉回路中的壓力恢復到正常值壓力時，壓力繼電器6斷電，換向閥9復位，推進馬達恢復正轉。

由預防卡鉆的原理分析可知：

1）當鉆頭遇到溶洞時，液壓系統(tǒng)利用推進壓力的突然下降來控制鉆頭回退，若能正?；赝藙t說明沒有出現卡鉆，推進系統(tǒng)和回轉系統(tǒng)都回復正常。若出現回轉壓力超過臨界回轉壓力的情況，則使鉆頭再次回退，重復上述過程直至穿過卡鉆區(qū)域，從而實現溶洞卡鉆的預防。

2）當遇到緩變卡鉆和縫隙的情況時，回轉系統(tǒng)的壓力持續(xù)上升，當壓力超過臨界會鉆壓力時，利用回轉壓力的升高來控制推進系統(tǒng)壓力的無級下降，使得推進力隨著回轉阻力的增大而逐漸降低，直至通過卡鉆區(qū)域。假如回轉壓力持續(xù)上升或突然上升到縫隙卡鉆的臨界值時，控制推進馬達反轉從而使鉆頭回退，當回轉壓力恢復正常后推進回路也跟隨著恢復正常，重復上述過程直到鉆頭順利通過卡鉆區(qū)域。通過上述兩種過程從而實現緩變卡鉆和縫隙卡鉆的預防。

傳統(tǒng)處理卡鉆的方法都是在卡鉆發(fā)生之后才作處理，且無法防止溶洞卡鉆的發(fā)生，而上述所說的防卡鉆方法是通過利用回轉回路的壓力變化來實現卡鉆的預防，在卡鉆出現前對推進回路進行控制，能有效的預防溶洞卡鉆、緩變卡鉆和縫隙卡鉆的發(fā)生。新的預防卡鉆方法使用了自動液控的方法，可以實現壓力的無級控制，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這樣可以避免了由于卡鉆而引發(fā)的鉆頭損壞、鉆頭卡死等問題，極大的提高潛孔鉆機的鉆孔效率，可以取得很好的經濟效應。

4 臨界壓力值的設定

通過對新防卡鉆方案的分析可知，臨界壓力值是預防卡鉆的關鍵因素，這包括推進回路和回轉回路中壓力繼電器工作壓力、換向閥5的開啟壓力。

4.1 推進回路中壓力繼電器壓力值

由原理分析可知，當推進回路中壓力值低于某一定值時，壓力繼電器3得電工作。假設潛孔鉆機正常工作時，推進回路中的壓力平均值是ptm，最大的波動值是pmb，則推進回路中最小的壓力值ptmin為：

因此壓力繼電器3的設定值應為，所以進行溶洞防卡鉆的條件是：

式中：pt為推進回路中實際工作壓力，Pa；ptm為推進回路中的壓力平均值，Pa；pmb為最大的波動值，Pa；ptmin推進回路中最小的壓力值，Pa。

4.2 回轉回路臨界壓力值設定

根據新方案的工作原理分析可知，當出現緩變卡鉆或縫隙卡鉆時都是通過回轉回路的壓力來控制推進回力的降低，從而實現預防卡鉆。

1）防緩變卡鉆回轉回路臨界值

假設潛孔鉆機在正常工作狀態(tài)下，回轉回路的壓力平均值是pz0，最大的壓力波動值為pzm。設防緩變卡鉆的臨界回轉壓力值即換向閥5的開啟壓力為pk，則

因此，控制緩變卡鉆的條件是：

式中：pz為回轉回路工作時的實際壓力，Pa；pz0為回轉回路的壓力平均值，Pa；pzm為最大壓力波動值，Pa；pk為換向閥5的開啟壓力，Pa。

2）防裂縫卡鉆回轉回路臨界值

假設潛孔鉆機正常工作時，回轉回路壓力的平均值是pz0，最大的壓力波動值是pzm，則裂縫卡鉆時回轉回路的臨界值pzl為：

由此可以得到控制裂縫卡鉆的條件是：

式中：pz為潛孔過程中回轉回路的實際工作壓力，Pa；pz0為回轉回路的壓力平均值，Pa；pzm為最大壓力波動值，Pa；pzl為縫隙卡鉆時回轉回路的臨界值，Pa。

從防卡鉆的效果來看，pzl越小越好。但當pzl過小時很容易引發(fā)鉆頭回退，降低鉆孔的速度。當pzl取較大值時有可能出現鉆頭直接卡死的狀況，不利用卡鉆的控制。此時可以根據經驗對pzl進行取值。設潛孔鉆機自身可以提供的最大回轉壓力是pm，則液壓系統(tǒng)中回轉力的最大變化量為△p為：

根據經驗可以取pzl為：

5 總結

現在許多的潛孔鉆機上都有放卡鉆的方案，但基本上都僅限于處理卡鉆的情況，無法做到提前預防卡鉆。提出了一種新的控制卡鉆的方案，可以實現卡鉆的預防。先分析了造成卡鉆的原因和現在幾種典型的放卡鉆方案，并比較它們的優(yōu)缺點。然后提出了一種新的預防卡鉆的方案。重點闡述了新方案的工作原理，并對液壓回路中臨界壓力的取值進行了分析，為潛孔鉆機的防卡鉆設計提供了參考。

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【責任編輯：陳 毓】

Analysis of hole drilling machine to prevent sticking

LV Dexian
(Anjialing Open-pit Mine,China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China)

Based on analyzing the reasons of the sticking and the principle and advantages and disadvantages of several methods of preventing the sticking,the article proposed a new method to prevent sticking.The method can prevent the occurrence of all kinds of drilling,and improve the adaptability of the drilling rig to complex strata,which greatly improves the drilling efficiency.

hole drilling machine;reason for sticking;prevention of sticking;critical pressure

TD422.1

B

1671－9816（2017）03－0055－05

2016-10-14

呂德仙（1988—），男，內蒙古烏蘭察布人，助理工程師，2011年畢業(yè)于呼倫貝爾學院采礦工程專業(yè)，現在安家?guī)X露天礦穿爆班工作。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.03.016

呂德仙.潛孔鉆機預防卡鉆方法的分析［J］.露天采礦技術，2017，32（3）：55-59.