液压钻机钻进效率影响因素研究

李贞杰，刘卫亮，江　科

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400039；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

液压钻机钻进效率影响因素研究

李贞杰1，2，刘卫亮1，2，江科1,2

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400039；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

摘要：列举了影响钻进效率的几种关键因素并逐项加以分析，提出了不同条件下合理的钻进状态供读者参考，在如何提高效率方面为煤矿井下采用液压钻机施工各类钻孔指明了方向，对于煤矿井下高效、安全生产具有积极意义。

关键词：钻进效率；液压钻机；钻压；转速

矿用液压钻机是煤矿井下施工瓦斯抽(排)放孔、防突泄压孔、探水孔及地质钻孔等各类钻孔的关键工具，其钻进效率直接影响煤矿井下其他工种的工作进度，例如防突钻孔的效率低下可直接迟滞掘进速度，进而延缓生产进度；因此，提高钻机的施工效率就显得尤为重要。目前，矿用液压钻机生产厂家较多，产品的参数配置不尽相同，施工工艺也因地质条件不同而不同，限于篇幅原因，本文只介绍常规回转全液压钻机施工钻孔时影响效率的关键因素供大家参考。

煤矿井下全液压钻机施工流程[1]一般为：首先，根据需求选好钻场，设计钻孔布置方案以达到特定目的；然后，检查设备，锚固钻机，将待钻煤层(或岩层)修理平整，尽量保证被施工面与钻具垂直，这样可以减小钻具承受的应力，防止钻具疲劳损坏；最后，将钻具推进至被施工面，调低全液压钻机的输出转速并开始旋转切削煤岩，同时打开排渣介质。这个过程的钻进速度不能太快，否则钻头未充分切削煤岩便被钻机给进力强行挤入，同样会因应力因素损坏钻具，此外钻进速度过快会影响钻孔保直效果，这一点在开孔阶段非常重要。当首根钻杆完全被推进至被施工介质后，将钻机的输出转速调至需要范围，开始正常钻孔施工，之后不断加接钻杆，完成特定深度钻孔施工的目的。

在上述过程中，影响钻进效率的因素从宏观角度可分为全液压钻机设备自身因素和外界客观因素2种，下述将分别予以讨论。

1设备自身因素

全液压钻机设备自身影响钻进效率的因素主要包括钻压和转速2个方面[2]。

1.1钻压对钻进速度的影响

钻压即钻机输出的给进力减去各类阻力后钻头施加于介质的压力，实践证明在一定的钻进条件下，钻压与钻进速度的关系如图1所示。

图1　钻压与钻进速度的关系曲线

可见钻压在很大范围内与钻进速度成线性关系(点1和点2之间)，当钻压取值在点1之前时，因压力过低导致钻进速度过慢，在点2之后钻压过大，钻头没有充分切削介质，导致排渣量增大，钻头冷却效果不佳，磨损加剧，钻进效果变差。

图1中点1和点2之间的区间钻压与钻进速度成线性关系，可用直线公式表示为：

v=K(P-P0)

(1)

式中，v是钻进速度；K是斜率；P0是钻机初始压入介质时的钻压或称门限钻压，因介质不同而取值不同。

1.2转速对钻进速度的影响

钻机输出的转速代表了钻头在孔底切削介质的快慢，从理论上来说，钻进速度会随着转速的增加而增加，但在实际过程中，两者并不是成线性关系，钻进速度有最优值，超过此值后不会因转速的增加而增加，反而会下降。究其原因主要是钻头在介质表面作用时间短，影响切入深度，同时转速过快导致孔底温度升高，钻头磨损加剧。

图2　转速与钻进速度的关系曲线

图2中：1)曲线Ⅰ是指在塑性大、研磨性小的介质中钻进速度与转速的关系，基本成线性关系；2)曲线Ⅱ是指在中等硬度、研磨性较小的介质，中钻进速度与转速的关系随着转速增高逐渐变缓；3)曲线Ⅲ是指在中等硬度、强研磨性介质中钻进速度与转速的关系，开始情况类似曲线Ⅱ，超过极限转速n0后，钻进速度开始下降，n0的大小随岩性、钻压和钻具形状而异。

曲线Ⅱ和曲线Ⅲ反映了岩石破碎过程的时间效应问题，在钻压和其他参数保持不变的情况下，钻进速度可以表示为：

v=λn2

(2)

式中，λ是转速系数，其取值与介质性质有关，一般<1；n是转速。

2外界客观因素

外界客观因素主要包括钻具方面因素、地质条件因素以及人为因素等3个方面。

首先，讨论钻具影响钻进速度的因素：1)不同材质和尺寸的钻头钻进不同的介质需要不同的配套转速，否则效能不能发挥到最佳，例如φ94 mm的金刚石表镶钻头一般要求输出转速达到260～600 r/min，孕镶钻头则要达到350～700 r/min，根据特性选用才能提高效率；2)全液压钻机施工时，一般选取压风或压水冲洗孔底并排出钻屑，2种介质各有优缺点，根据需要选取，但是采用压水排渣施工大倾角(+30°以上)钻孔时，钻杆内的水会因重力原因回流，等加接钻杆后再将水送至孔底时需要很长时间，深孔钻进时需要时间更多，影响钻进速度，因此有条件时可在几根钻杆之间加接单向逆止阀，保证排渣水不会回流，提高钻进速度[3]；3)通过钻具的冲洗液的质量和流量对钻进速度有一定的影响，根据公开资料，冲洗液粘度越大钻进速度呈下降趋势，增大冲洗液流量，钻进速度也随之增大，因此合理选取冲洗液可以提高钻进速度。

其次，讨论地质条件因素对钻进速度的影响。被施工介质性质比较稳定时对钻进速度影响不大，选取合理的转速和给进速度正常钻进即可。若地质条件中有断层或者煤层中较硬夹矸较多，则钻进时务必小心，断层处钻具受力不均易发生折断，较硬夹矸中如果钻进速度过快则可使钻头温升过快而碳化损坏，这2种情形均可影响钻进速度。

最后，操作人员的操作水平对钻进速度具有一定的影响。一般来说，操作人员在施工时应密切关注压力表的变化，若压力急剧升高则遇到了坚硬介质，此时应降低钻进速度，增大冲洗液量，等穿过坚硬介质压力恢复正常值时再恢复钻进速度，否则易发生钻具或设备损坏而影响施工；此外，操作人员还应密切关注冲洗液排出的钻屑，一般来说，钻屑颗粒直径越小，钻孔介质越坚硬，施工时应保持合理的钻进速度和转速以达到目的。

3结语

钻进速度是煤矿井下施工钻孔时衡量钻孔效率的主要指标，在煤矿井下施工各类钻孔时应采取合理的钻进压力和回转速度，使设备的能效发挥至最佳状态；同时，应综合考虑配套钻具、被施工地质条件及操作人员的因素，只有将各种因素考虑周全才能有效提高钻孔效率，达到既快速并且安全施工的目的，为煤矿井下安全生产保驾护航。

参考文献

[1] 姚向荣，朱云辉. 煤矿钻探工艺与安全[M]. 北京：冶金工业出版社，2012.

[2] 石智军，胡少韵，姚宁平. 煤矿井下瓦斯抽采(放)钻孔施工新技术[M]. 北京：煤炭工业出版社，2008.

[3] 刘卫亮. 大倾角工况下矿用钻机的选型[J]. 煤矿机械，2013(5): 242-243.

责任编辑郑练

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

作者简介：李贞杰(1981-)，男，工程师，本科，主要从事煤矿安全装备技术及检测等方面的研究。

中图分类号：TD 41

文献标志码：A