潜孔钻机预防卡钻方法的分析

吕德仙

（中煤平朔集团有限公司 安家岭露天矿，山西 朔州 036006）

潜孔钻机预防卡钻方法的分析

吕德仙

（中煤平朔集团有限公司 安家岭露天矿，山西 朔州 036006）

在分析的基础上提出了一种新的预防卡钻方法，提出的新预防卡钻方法系能够预防各类卡钻的发生，提高了潜孔钻机对复杂岩层的适应能力，极大地提高了钻孔效率。

潜孔钻机；卡钻原因；预防卡钻；临界压力

0 引 言

潜孔钻机是一种凿岩钻孔装备，冲击器与钻头一起进入钻孔内，回转机构停留在钻孔外驱动钻头旋转，从而实现岩石钻孔[1]。现阶段潜孔钻机已经在多个领域得到广泛的应用，比如：露天采矿、水电水利工程、交通及国防建设等。潜孔钻机具有钻孔深、钻孔直径大、钻孔效率高、适用范围广等特点，是当前通用的大型钻孔设备[2-3]。

潜孔钻机在凿岩钻孔方面有很好的效果，但由于矿床或岩石中存在溶洞、缝隙和岩石性质不均匀等原因，潜孔钻机很容易出现卡钻的现象。解决卡钻问题需要大量的时间和人力，这严重地制约了潜孔钻机的钻孔效率和经济效益。所以探索如何预防潜孔钻机卡钻很有必要。提出了一种新型的预防卡钻的方法，利用回转压力来控制推进压力，从而达到预防卡钻的效果。

1 卡钻的原因分析

在进行钻孔之前，由于难以知道地下岩层的情况，所以卡钻的情况频发。按照岩层的特征和钻孔排渣情况，造成卡钻的原因主要有以下3种[4-5]：

1.1 溶洞卡钻

当钻头进入溶洞时，溶洞中的碎石很容易把砖头卡死，从而引发卡钻。钻头进入溶洞后，钻头瞬间失去了作用点，钻头前进速度瞬间增大，但推进压力和回转压力却会出现下降。当发生卡钻情况时，钻头受到的回转阻力和前进阻力瞬间增大，从而使液压系统中的回转压力和推进压力快速上升，当回转阻力超过潜孔钻机自身所能够提供的最大回转力时，钻头停止转动，钻孔的工作无法继续。

1.2 缓变卡钻

缓变卡钻是由于排渣不畅或岩石性质不均等原因所引发的卡钻。当钻孔中出现排渣不畅的现象时，钻孔中的岩渣会越来越多。此时钻头受到的回转阻力也会越来越大，钻头的回转速度随之下降；当在岩石性质不均匀的岩层中钻孔时，钻头很容易受到径上不均匀力的作用而偏离原定的方向，钻头受到的回转压力也会随着钻头的偏离程度的增大而增大。当钻头的偏离程度到达一定时，钻头受到的回转阻力超过了液压系统能够提供的最大回转力，此时钻头会停止转动，无法继续进行钻孔。

1.3 裂缝卡钻

当钻头进入裂缝时，钻头突然受到裂缝的回转阻力，且这种情况下回转阻力往往会远大于潜孔钻机自身所能够提供的最大回转力。如果液压系统不能立即消除这一突然增大的阻力矩，钻头的回转运动将会停止，钻头的推进运动也会受到阻碍，迫使钻孔工作停止。

2 常见防卡钻方法

现阶段在液压凿岩台车或潜孔钻机上基本防卡钻方案主要是以下2种：①利用回转马达的工作压力为反馈控制信号，让推进回路中的压力跟随回转压力的变化而变化，使得钻头进入轻推的状态，甚至让钻头反转和后退，当卡钻情况消除后再恢复正常钻孔状态，由此实现自动防卡钻；②先设定一个压力值，当回转压力超过这个压力值时，由回转压力控制推进回路中的压力下降，使钻头的推进力下降，由此实现自动防卡。

各种防卡方案都有各自的特点，所能取得的效果也各不相同，下面就一些典型的防卡钻方案进行比较分析。

2.1 推进回路设置液控换向阀

这种方案是在推进回路上设置一个液控换向阀1，其原理图如图1所示[6]。液控换向阀1的右端与换向阀3相连接。当钻头发生卡钻时，回转压力迅速升高，从而推动换向阀3换向，液控换向阀1的右端受到高压油的作用，液控换向阀1换向，从而使推进油缸回缩；当回转压力恢复正常时，换向阀3恢复原位，换向阀1复位，钻头的推进力恢复正常。

图1 在推进回路上设置防卡阀

这种防卡防卡方案在钻头回退过程中，钻头自动处于轻冲击状态。但由于回转压力易发生波动，使得换向阀3的阀芯受到冲击，这会造成阀芯的磨损；且换向阀为滑阀式，其相应特性不高，这将会影响防卡钻的反应速度。

2.2 回转回路设置压力继电器

这种方案是把压力继电器放在回转回路中，用压力继电器来控制推进回路中的压力和冲击回路中的压力变化，其原理如图2所示[7]。在钻头正常工作时，回转回路中的压力低于压力继电器的开启压力，推进回路中的换向阀11处于右位，冲击回路中的换向阀3处于下位，且冲击压力由溢流阀1给定。当发生卡钻时，回转回路中的压力迅速升高，当压力值达到或超过压力继电器的调定值时，压力继电器产生作用，使得换向阀11和换向阀3换向，从而使推进马达发生反转，而冲击回路中的压力由开启值更低的溢流阀2决定，钻头处于轻冲击状态。当卡钻情况解决后，回转回路中的压力下降，压力继电器复位，换向阀3和换向阀11也恢复到原来的位置，钻头又处于正常工作的状态。

图2 回转回路设置压力继电器

这种控制回路相对比较复杂，含有较多的电气元件，如压力继电器、信号转换器等，并且步骤也较多。潜孔钻机一般都工作在潮湿、多尘、高温的环境，这些环境对于压力继电器都非常不利。

2.3 推进回路与回转回路串联

推进回路与回转回路串联时其工作原理图如图3所示[8]。在钻头正常工作的状体下，回转回路中的压力低于压力阀的开启压力。推进马达的出口与回转马达的进口连接，两者构成串联连接，回转马达的进口压力成为推进马达的背压。钻头发生卡钻时，回转回路中的压力升高到压力阀的开启压力，压力阀打开，推进回路卸荷。同时，回转回路中的高压油反向流向推进马达，推进马达反转，钻头后退。另外当压力阀处于打开状态时，平衡阀的出口压力很低，通过该阀的流量增大，平衡阀进口处的压力也跟随着下降，从而造成冲击回路中的压力下降。当卡钻情况解除后，回转回路中的压力下降，压力阀复位，推进马达恢复正转，冲击回路中的压力值也上升回正常值，钻头重新开始钻孔。

图3 推进回路与回转回路串联

这种防卡钻回路结构比较简单，响应速度好。但这种防卡回路会出现压力阀过早关闭的情况，影响防卡钻的效果。

2.4 利用计算机来对卡钻进行控制

这种方案是使用计算机来监测推进压力或推进速度，当出现推进压力下降或推进速度快速增大时，可判断此时钻头进入了溶洞[9]。当计算机判断出钻头进入溶洞后，其可自动采取措施使钻头进入轻推或回退的状态；当计算机监测到回转压力超出设定值时，利用回转压力作为控制信号来控制推进压力下降，使得钻头可以容易地穿越卡钻区域。

计算机控制凿岩过程自动防卡，无论是在控制系统构成上，还是在防卡控制方式和防卡能力上，都是纯液压控制自动防卡钻方案无法相比的[9]。但这种方案中所包含的电子元件较多，而潜孔钻机往往工作在露天的矿场或井下矿道，都是环境恶劣，这将严重影响电子元件的寿命。

3 新预防卡钻的方法

由前面几个典型的防卡钻方案分析可知，现在的防卡钻方案基本都是在卡钻出现之后再采取措施，无法做到提前预防。为了能够使潜孔钻机可以在钻孔的过程中预防各种卡钻的发生，必须要研究一种新的预防卡钻方法。

3.1 新方法的确定

1）通过推进回路中推进压力的变化来进行溶洞卡钻预防。当钻头进入溶洞时，推进回路中压力会迅速下降，此时让推进马达反转来让钻头回退。如果钻头能顺利退回，说明此时钻头没有发生卡钻，钻头在回退的过程中回转恢复正常转速，推进回路中恢复正常的推进压力。如果在钻头推进的过程中出现回转压力快速上升且超过临界压力的状况，则推进马达反转，从而控制钻头往后退，重复刚才所述的步骤。当钻头穿过了卡钻区域后，推进回路中的压力值恢复正常。通过上述的两个过程从而实现卡钻的预防与控制。

2）当钻孔中的岩渣越积越多，回转回路中的压力值上升到缓变卡钻的临界值时，可以通过回转压力的升高来控制推进压力的下降，使得推进压力跟随回转压力的升高而下降，在这种情况下可以使得潜孔钻机容易地穿过卡钻区域，由此实现裂缝卡钻的预防。这种过程同样适用于缝隙卡钻，只是缝隙卡钻时回转回路中的压力值是快速上升。

3.2 新预防卡钻方法的分析

预防卡钻的新方法是通过使用液压系统来实现的。液压原理如图4所示。

图4 新预防卡钻方法的原理

潜孔钻机正常工作时，换向阀8处于左位，回转回路中的压力低于换向阀5的调定值，换向阀5处于关闭状态，无压力油通过，压力继电器6不动作；换向阀9的左端与X1相连接，右端与X2相连接，此时X1与高压油相连通，换向阀9在压差的作用下处于左位，推进马达正转，推进回路中的压力值高于压力继电器3的调定值，压力继电器3断电。

当钻头进入溶洞时，钻头由于突然失去作用点，推进速度瞬间增大，退进压力随之下降，当推进回路中的压力值降低到低于压力继电器3的设定值时，压力继电器3得电从而控制换向阀2换向。换向阀2换向之后X1与低压油相连接，而X2与高压油连接，从而使得换向阀9换向，推进马达反转，钻头回退。当钻头穿过溶洞后推进回路中的压力值恢复正常，压力继电器3断电，换向阀2恢复原位，从而使换向阀9也恢复原位，推进马达正转，潜孔专辑恢复正常工作。

将以上两项改进成果投入生产后，通过反复的现场试验，均达到了预期效果，各个易磨损部件的使用时间明显变长。其中盘根的使用时间由原来的30d变为90d；柱塞的使用时间由原来的70d变为130d；铜压套的使用时间由原来的70d变为130d。

当钻孔中的岩渣增多时，钻头受到的回转阻路越来越大，回转回路中的压力也随之升高。当回转回路中压力超过了换向阀5的设定压力时，换向阀5换向，推进回路中压力下降。此时可能会出现两种工况。第一种是：如果推进回路中的压力下降之后，回转回路中的压力既没有继续上升也没有下降，而是稳定在一个值，则此时回转力和推进压力之间形成匹配。因此换向阀5两端的压力不会继续发生变化，其阀芯的开口度将维持在一个稳定值，钻头在这种状态下继续工作，直到钻头顺利通过卡钻区域。第二种：如果推进回路中的压力下降之后，回转回路中的压力继续上升，当达到或超过压力继电器6设定值时，压力继电器6得电从而控制换向阀2换向，则此时换向阀9的左端与低压油接通，右端与高压油相通，换向阀9换向，推进马达反转，钻头回退。当回转回路中的压力恢复到正常值压力时，压力继电器6断电，换向阀9复位，推进马达恢复正转。

由预防卡钻的原理分析可知：

1）当钻头遇到溶洞时，液压系统利用推进压力的突然下降来控制钻头回退，若能正常回退则说明没有出现卡钻，推进系统和回转系统都回复正常。若出现回转压力超过临界回转压力的情况，则使钻头再次回退，重复上述过程直至穿过卡钻区域，从而实现溶洞卡钻的预防。

2）当遇到缓变卡钻和缝隙的情况时，回转系统的压力持续上升，当压力超过临界会钻压力时，利用回转压力的升高来控制推进系统压力的无级下降，使得推进力随着回转阻力的增大而逐渐降低，直至通过卡钻区域。假如回转压力持续上升或突然上升到缝隙卡钻的临界值时，控制推进马达反转从而使钻头回退，当回转压力恢复正常后推进回路也跟随着恢复正常，重复上述过程直到钻头顺利通过卡钻区域。通过上述两种过程从而实现缓变卡钻和缝隙卡钻的预防。

传统处理卡钻的方法都是在卡钻发生之后才作处理，且无法防止溶洞卡钻的发生，而上述所说的防卡钻方法是通过利用回转回路的压力变化来实现卡钻的预防，在卡钻出现前对推进回路进行控制，能有效的预防溶洞卡钻、缓变卡钻和缝隙卡钻的发生。新的预防卡钻方法使用了自动液控的方法，可以实现压力的无级控制，提高了系统的稳定性。这样可以避免了由于卡钻而引发的钻头损坏、钻头卡死等问题，极大的提高潜孔钻机的钻孔效率，可以取得很好的经济效应。

4 临界压力值的设定

通过对新防卡钻方案的分析可知，临界压力值是预防卡钻的关键因素，这包括推进回路和回转回路中压力继电器工作压力、换向阀5的开启压力。

4.1 推进回路中压力继电器压力值

由原理分析可知，当推进回路中压力值低于某一定值时，压力继电器3得电工作。假设潜孔钻机正常工作时，推进回路中的压力平均值是ptm，最大的波动值是pmb，则推进回路中最小的压力值ptmin为：

因此压力继电器3的设定值应为，所以进行溶洞防卡钻的条件是：

式中：pt为推进回路中实际工作压力，Pa；ptm为推进回路中的压力平均值，Pa；pmb为最大的波动值，Pa；ptmin推进回路中最小的压力值，Pa。

4.2 回转回路临界压力值设定

根据新方案的工作原理分析可知，当出现缓变卡钻或缝隙卡钻时都是通过回转回路的压力来控制推进回力的降低，从而实现预防卡钻。

1）防缓变卡钻回转回路临界值

假设潜孔钻机在正常工作状态下，回转回路的压力平均值是pz0，最大的压力波动值为pzm。设防缓变卡钻的临界回转压力值即换向阀5的开启压力为pk，则

因此，控制缓变卡钻的条件是：

式中：pz为回转回路工作时的实际压力，Pa；pz0为回转回路的压力平均值，Pa；pzm为最大压力波动值，Pa；pk为换向阀5的开启压力，Pa。

2）防裂缝卡钻回转回路临界值

假设潜孔钻机正常工作时，回转回路压力的平均值是pz0，最大的压力波动值是pzm，则裂缝卡钻时回转回路的临界值pzl为：

由此可以得到控制裂缝卡钻的条件是：

式中：pz为潜孔过程中回转回路的实际工作压力，Pa；pz0为回转回路的压力平均值，Pa；pzm为最大压力波动值，Pa；pzl为缝隙卡钻时回转回路的临界值，Pa。

从防卡钻的效果来看，pzl越小越好。但当pzl过小时很容易引发钻头回退，降低钻孔的速度。当pzl取较大值时有可能出现钻头直接卡死的状况，不利用卡钻的控制。此时可以根据经验对pzl进行取值。设潜孔钻机自身可以提供的最大回转压力是pm，则液压系统中回转力的最大变化量为△p为：

根据经验可以取pzl为：

5 总结

现在许多的潜孔钻机上都有放卡钻的方案，但基本上都仅限于处理卡钻的情况，无法做到提前预防卡钻。提出了一种新的控制卡钻的方案，可以实现卡钻的预防。先分析了造成卡钻的原因和现在几种典型的放卡钻方案，并比较它们的优缺点。然后提出了一种新的预防卡钻的方案。重点阐述了新方案的工作原理，并对液压回路中临界压力的取值进行了分析，为潜孔钻机的防卡钻设计提供了参考。

［1］李冠军，王飞，黄伟建.地下凿岩设备的发展历程和趋势［J］.中国农机化，2006（1）：68－70.

［2］赵宏强，林宏武，何清华.山河智能一体化液压潜孔钻机［J］.凿岩机械气动工具，2006（1）：1－7.

［3］赵宏强，林宏武，陈欠根，等.国内外液压潜孔钻机发展概况［J］.工程机械与维修，2006（4）：72－73.

［4］甘海仁，杨永顺，李永星.我国凿岩机械现状［J］.矿山机械，2006（6）：28－34.

［5］杨光照.凿岩台车防卡钻系统的应用分析［J］.地质装备，2015（5）：19－20.

［6］王子海.多功能防卡钻通井规的研制与应用［J］.科技传播，2013（14）：151.

［7］郭勇，王毅，李东明.潜孔钻机智能防卡钎系统的研究［J］.凿岩机械气动工具，2007（1）：27－31.

［8］徐绍军，周宏兵，汤晓燕.液压凿岩钻车防卡钎系统研究概况［J］.凿岩机械气动工具，2004（2）：13－17.

［9］胡均平.液压凿岩过程计算机控制系统研究［D］.长沙：中南工业大学，1995.

【责任编辑：陈 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

吕德仙（1988—），男，内蒙古乌兰察布人，助理工程师，2011年毕业于呼伦贝尔学院采矿工程专业，现在安家岭露天矿穿爆班工作。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.03.016

吕德仙.潜孔钻机预防卡钻方法的分析［J］.露天采矿技术，2017，32（3）：55-59.