大直径深孔凿岩钻孔偏斜的机理及其控制方案.pdf

第1 1 卷第1 期 中国有色垒■学报 V o [ ． 1 1 No ． 1 Th e Cl a l J o Ⅱ nl I l o i N岫 n 椰Ⅱ s Me t h 2 0 6 1年 2月 F 曲 2 0 01 【 文章编号 ]1 0 0 4 0 6 0 9 2 0 0 1 0 1 0 1 5 3 0 4 大直径深孔凿岩钻孔偏斜的机理及其控制方案。 吴万荣 ，魏建华 ，张永顺 ，扬襄壁 1 ．浙江大学 机械电于控制工程研究所，抗州 3 1 0 0 2 7 ； 2 ．中南大学 机 电工程学院 ，长秒 4 1 0 0 8 3 [ 摘 要]通过对钻孔偏斜的影响因紊及力学特征的分析，建立了钻头偏载的力学模型， 从而揭示了营岩过程钻 孔偏斜的机理，提出了控制钻孔偏斜的推进力控制方案。试验结果表明．该控制方案瞻够随钻孔过程中孔内钻杆 质量 的变 化及 孔内因紊的变化 ．自动改变推进器的推进 力，从而 有效 地控制钻孔偏斜。 【 关键词】大直径深孔凿岩； 钻孔偏斜； 钻头轴压力； 推进力控制 [ 中圉分类号 】T D4 2 1 【 文献标识码 】 A 以高效、低耗为主要特点的大直径深孔采矿法 能否成功地应用，其关键在于能否严格控制钻孔偏 斜。 该采矿方法所用钻孔设备主要是高气压的潜孔 钻机，钻凿炮孔直径为 1 6 5 mr i l ，多为下 向垂直孔， 钻孔深度一般为 3 O ～5 0 i“I1 ，钻孔偏斜率要求小于 1 ％，但从我国的大直径深 孔凿岩实践来看．仅有 2 0 ％--3 0 ％的钻孔偏斜率在 1 ％以 内，3 0 ％～5 O ％ 钻孔的偏斜率在 1 ％～2 ％范固内， 还有相当一部分 钻孔的偏斜率超过 2 ％⋯。 钻孔偏斜过大， 不仅造 成炮孔底部间距过大或过小，影响爆 破效率．使大 块率上 升，而且采场边界不 易控制，导 致 回采率 低、贫化率上升，也限制 了钻孔深度，制约了采准 费用的进一步降低。 1 钻孔偏斜的影响因素 导致钻孔偏斜的因素是多方面的，但除钻机本 身的制造水平和钻机定位的准确性外，其客观因素 主要是钻头 轴压力、岩 体构造和岩石性质 的变化 下称孔内因素 。由于潜孔钻机一般钻孔较深，钻 孔过程中必须多次接杆． 钻杆质量不断变化，钻头 轴压力也发生变化。实践证 明，轴压力过大，会造 成钻头回转不平稳，钻头产生飘移，使钻孔发生偏 斜。 在钻孔过程中， 钻头接触的孔底岩石的结构和 性质具有复杂多变性。当钻头前端工作面 同时接触 到不同性质的岩石时，会使其受力不均匀，其合力 的作用线与钻头轴线不重合．导致钻头发生偏载。 由于孔 内因素的变化具有随机性 、无规律性，所 以 要对其进行有效控制，必须揭示钻孔偏斜的机理。 2 钻孔偏斜的机理 2 ． 1 钻头对孔底的轴压力 潜孔钻机钻孔过程中推进器的推进力为 F At A 1 式中F 一推进器的有效推进力 ； m 一推进器 的推进压力、背压力； A 一推进器油压有效作用面 积 。 钻头对孔底的轴压力包括推进器的作用力、钻 具及推进器移动部件重量 ， 即 Fd Ft 1 gn m2 g 2 式中 F d 一钻 头 对孔底 的轴 压力 ；m 一推进器、 冲击器、钻头等移动部件质 量； 一单根钻杆质 量；n 一孔内钻杆数。 在钻孔过程中，若不对推进器的推进力进行控 制，则钻头轴压力将随钻孔深度增加、孔内钻杆数 增多、钻杆质量的增大而增大。 2 ． 2 钻头偏虢的力学模型 当钻头通过某种地质结构的岩层时，其前端的 工作面同时接触到不同硬度的岩石，因而受力不均 匀，其合力的作用线和钻头轴线不重合，钻头发生 偏载。导致钻头偏载的岩层即所谓的诱偏岩层，常 见的有软硬岩层互层、裂隙、 溶洞、 砾石层等． 但 在大直径深孔凿岩作业中经常遇到的只有软硬岩层 互层和裂隙。如果把裂隙看做一种硬度为零的软 岩，那么裂隙的界面也是一种软硬互层面 ；在钻凿 矿柱边界孔时．钻头所进入的边界区，也可看做是 软硬互 层面。因此．在大直径深孔凿岩作业 中，主 m【 基量璃目】【 收藕日期] 2 0 0 0 0 3 2 3 ； 【 惨订日期] 2 0 0 0 0 7 1 O 【 忭者简介】 吴万荣 1 9 6 5 一 ．舅． 捌教授．博士 维普资讯 中国有色垒属学报 2 0 0 1年 2月 要的诱偏岩层是软硬岩层互层l 2 ] 。 为了揭示钻头偏 载引起钻孔偏斜的力学规律 ，本文作者对钻头从空 间进入硬岩的情形进行分析 ，其力学模型及受力简 图如图 1 所示，由力学平移原理有 M 1 F R 3 M 2 N o 0 s F s i n R 4 式中 R一钻头半径 ；M 一岩面对钻头边齿的 回 转阻力矩 ； M2 一钻具系的弯矩；F ，F ，Ⅳ一岩面 对钻头边齿的回转阻力、下滑阻力、支承力 ； 一岩 面倾角。当 F 为滑动磨擦力时，有 F 。 f ’ N 式 中 一 磨擦系数。 由于 N s i n 口F s o 0 s F【 mt g m2 gF d 5 故 M z Fd R 6 则钻头齿 面中心在 v O 面上的位移和转角 [ 舞等 筹】 _ F d㈣ ‰ [盛 舞等 昔 ㈣ 式中 L ，E 卜一 钻具系的长度、抗弯刚度。 冷， I 上 业 二 墨 fs i n口c o s 口 则等 一 ， 等 0 。 则 F； 引起钻头在 面上的位移和转角 △ 面k F “d L 1 2 ‰ 1 3 ～ 可见， 在诱偏岩层中钻进时， 钻头偏转引起钻 孔发生偏斜是客观存在的。从式 7 ， 8 ， 1 2 和 1 3 可知， F d 越大，钻头偏转可能性也越大，所以 在诱偏岩层中钻进，要控制钻孔偏斜，主要应控 制 钻头轴压力，即推进器 的推进力。以小推进力穿越 诱偏岩层医。 3 钻孔偏斜控制方案的原理与结构 从上述分析可知， 随着孔内钻杆数的增加以及 孔内因素的变化， 应对钻头轴压力进行实时控制才 能有效地控制钻孔偏斜。 综观现有潜孔钻机推进力 的控制方案， 即使代表先进技术水平的潜孔钻机如 S i m b a 2 6 1 ， G D - 6 0潜孔钻机H 】 ， 也仅是采用人工 实时调节推进力或采用恒轴压力的方法来控制钻机 推进力，显然对孔 内因素变化引起的钻孔偏斜无法 进行控制。 从钻孔过程钻头受到的回转阻力特征来看，随 着孔内钻杆数增多和钻杆质量增大， 钻头轴压力和 回转阻力也随之增大； 在诱偏岩层中钻进时，由式 7 ， 8 ， 1 2 和 1 3 可知，钻头发 生偏转会 导致 钻头切割岩石的回转半径和回转阻力增大，钻具与 孔壁的磨擦阻力也随之增大。上述情况反映到液压 系统中的表现是 回转压力的变化，因而可以利用回 转压力来控制推进器的推进力，从而控制钻头轴压 力。 作者提出的推进力控制方案结构如图 2所示。 推进器即推进油缸 6的推进力由推进压力控制阀 l 的出 E l 压力和推进背压阀 4的背压力决 定，推进压 力控制阀 1的 出口压力决 定于 推进 压力和 回转 压 维普资讯 第 1 1 卷第 1 期 吴万荣． 等 大直径耀孔凿岩钻孔偏料的机理蔑其控制方案 力。当孔内钻杆数增加，钻头轴压力增大或钻头进 入诱偏岩层层面时，钻头回转阻力增大．回转压力 升高使推进控制阀 l的出 口压力降低，进而使钻头 轴压力减小， 钻孔偏斜的可能性也相应减小，即以 较小的推进力或钻头轴压力穿越诱偏岩层。当钻头 进入松软岩层时．钻头 回转阻力矩减小，回转压力 降低，通过推进力控制系统使推进力增大，加大凿 孔速度，提高凿孔效率。 田 2 控制 系统原理 图 F i g ． 2 S c h e ma t i c d i a g r a m o f c o n t r o l s y s t e m 1 一 Pr e u r e v a l v e o f f e e d i n g f o r c e 2 0 wa y v alv e 3 -- Th r o t t l e v a l v e ；4 -- t t c k - p r e s s u r e v a l v e 5 -- M o t o r 6 -- F e e d i n g c y l i n d e r 4 控制系统的试验 控制系统试验，主要考察推进器的推进力随钻 孔过程中钻杆数变化及孔 内因素变化的反映特性． 以及其对钻机钻孔质量的影响。由于该控制系统工 作对象的特殊性，所以作者直接将研制的推进控制 系统应用在 O ZL - t 6 5型大 直径潜孔钻机上L 。现 场试验 时，在推进 油缸的进出油 口、回转马达 的 进、出油 口分别安装 压力表和带数显 的压力传感 器，测量在钻孔工作过程中各处压力的变化情况。 试验在广西铜坑锡矿三个采场进行，每个采场 均测试了多个炮孔在钻孔过程中的有关 数据。图 3 所示为根据其中一个炮孔钻孔过程的有关数据绘制 成的曲线，P 和 P T为回转压力和推进压力．F d 和 FT为折算的钻头轴压力和推进器 的推进力．虚线 表示均质岩层恒轴压力理论仿真曲线。 从 图3中曲线可知，推进器的推进压力能随钻 孔深度的增加、钻杆数增加、钻杆质量加大而 自动 减小．使钻头对孔底的轴压力在钻孔过程中近似恒 定。曲线 Fd 和 F 的波 动反 映 了钻 孔过 程 中推进 田 3 钻孔过程 中 ．P T F T ，F d 的变化曲线 ．3 Di a g r a m f o r fl u c t u a t i o n o f p a r a me t e r s P ，PT ，FT ，Fd i n p r o c e s s o f r o c k d r i l l i n g 力及钻头轴压力随孔内岩石性质的变化而 自 适应变 化的特性。 图 4所示为根据钻孔对 比试验测试的钻孔偏斜 结果L 8 所绘制的曲线。试验在铜坑锡矿 4 5 5 水平某 矿柱上进行， 应用该控制系统的 Q Z L 一 1 6 5 型钻机钻 凿Y方向的 l ～6 号孔， 瑞典 S im b a 2, 6 1 钻机钻凿 y 方向的7 ～l 2 号孔。从试验结果来看，两台钻机的 钻孔速度相近，但从图 4可知其钻孔偏斜率有明显 差别， S i tub a 2 6 1钻机偏斜率最大的炮孔达 4 ． 8 2 ％， 还有两个炮孔 图中“ *” 所示 因偏斜过大，使钻机 卡钻而无法继续钻进。矿柱边壁孔是钻孔偏斜最难 控制的一种炮孔，这充分说 明，该控制方案能够有 效地控制钻孔偏。 田 4 钻孔偏斜测试结果 F i g ． 4 M e a s u r e me n t r e s u l t s o f d r i l l i ng a x i a l d e v i a t i o n 4 结论 1 大直径深孔凿岩 引起钻孔偏斜的因素尽管 十分复杂．但其客观因素主要是钻头轴压力和钻孔 过程中岩体构造及岩石性质的变化。 维普资讯 1 5 6 中国有色盘属学报 2 0 0 1 年 2 月 2 通过对钻孔偏斜机理 的分析 可知，大直径 深孔凿岩要有效地控制钻孔偏斜，关键在于对钻机 推进器的推进力进行有效的控制，使钻头轴压力 在 钻孔过程中保持近似恒定值，同时，随孔 内因素的 变化能够 自适应变化。 3 实践表 明，作者提 出的推进力控制方案，不 仅能使潜孔钻机在钻孔过程中随孔深增加和钻杆质 量增大而自动减小推进器的推进力，而且能随孔内 因素的变化而自 动改变钻头轴压力，从而有效的控 制钻孔偏斜。 [ R E F E R E N C E S ] 【 1 1 C A I Y o u - re e l 蔡友梅 三十年 来地下探 孔 嚣岩设 备 的发展概况 【 J ] ． Qu a r t e r l y o f C I MR 长沙矿 山研究 院 季 刊 ． 1 9 8 4 ．3 4 1 5 1 9 ． 【 2 ] WA NG Yi 壬 教 ．钻 孔 偏 斜的 分析 与 控 制 [ J ] ． Mi n i n g R＆ D 矿山研究与开发 ． 1 9 9 3 ，1 3 3 4 5 51 C H E N Y u - f a n g 陈玉凡 a n d Z I - K ／ X i a n g 束祥 D e ． s ig n o f D r i l l i n g Ma c h i n e r y 钻 孔机械 设 计 【 M ] ．B e l - j i n gMa c h i n e r y I n d u s t r y P r e s s ，1 9 8 7 ，6 ．1 0 51 2 1 ． L I Z h e n g 李政 a n d S UN Z a i ． d o n g 孙再东 ．钻机 漪岩偏斜的控制 技术 【 J ] ．1 v fi la i n g R ＆ D 矿 山研究 与开发 ．1 9 9 8 ．1 8 1 0 3 4 ～3 7 ． Ke l l y J D e v e l o p me n t o f t h e l l u t c n a t i cG D - 6 0 d r il l 【 J ] ． c I M B u l l e t i n ．1 9 8 7 7 6 8 7 2 ． X U “ Xu e - mi n 椽 学 明 ．C MM2与 C D 3 6 0型 高风压 潜 孔钻机 【 J ] ． Mi n e Ma c h i n e r y 矿 山机械 。1 9 9 0 4 {2 8 31． wu W tn - r o n g 吴万荣 ．Y AN G X i a n g - b i 杨襄鐾a n d H UJ u n p i n g 胡均 平 ．O ．Z L - 1 6 5型 潜孔 钻机 的 研 制 [ J ] ．No f e r r o u s Me t a l s - Mi n e 有 色金属 矿 山 ，1 9 9 8 1 2 22 5 ． Y A NG x i a r - g - b i 杨襄鐾 ，wu W a n - 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v e a l ，t h e f e e d i n g f o r c e c o n t r o l q 邮蛐p r o p o s e d虹c o n t rol l i n g d r i l l i n g a x i a l 山 n．Th e e x p e Nmt r u l m s t l-t t h e c o n t r o l p 1 D 窖 l a m 啪ma k e t h e f l i n g f o r c e。 f t h e p r o p u l s io n c h 日 I I g e a u t c ma t i e．Ml y 廿I t h e 1 0 d 日we i g h t 8 n d r 。 c k p r o I 哪 i ∞．S o t h e d r i l l i n g a 血 l d e v i a t i o n c a n h e e f f Ed v e l y c o n t r o l l e d． 【 K e y w o r d s ]l a r g } d i 蜘e t e r b l a s t h o l e m e k d r i l l i n g ； i l l l n g a x i a l d e a t i e n | d ri l l b i t a 血l e ； f e e d i r l g f o f 。 e 。 o n 仃 o l 缉辑何学锋 维普资讯