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  • CN 62-1112/TF　
  • ISSN 1005-2518　
  • 创刊于1988年
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黄金科学技术, 2023, 31(5): 856-864 doi: 10.11872/j.issn.1005-2518.2023.05.021

采选技术与矿山管理

EGR便携式全液压钻机在萤石矿勘查中的应用与分析

张雄,, 张耀澎, 牛恩宁, 华伶利, 吕新全

中国地质调查局西安矿产资源调查中心，陕西 西安 710100

Application of EGR Portable Full Hydraulic Drill in Fluorite Mine Exploration

ZHANG Xiong,, ZHANG Yaopeng, NIU Enning, HUA Lingli, LV Xinquan

Xi’an Mineral Resources Research Center of China Geological Survey，Xi’an 710100，Shaanxi，China

收稿日期: 2023-02-09   修回日期: 2023-05-25  

基金资助: 中国地质调查局项目“北山地区月牙山合黎山一带萤石铜钼矿调查评价”.  DZ20220305

Received: 2023-02-09   Revised: 2023-05-25  

作者简介 About authors

张雄（1988-），男，甘肃民勤人，工程师，从事钻探技术研究和生产管理工作541489822@qq.com , E-mail：541489822@qq.com

摘要

EGR便携式钻机是一种全液压驱动、长行程给进的新型钻机。为探讨该钻机的施工能力和在矿产勘查中的适用性，将该钻机应用于北山萤石矿产勘查中，对9个钻孔的钻孔设计、地层岩石级别和施工效率进行分析。研究结果表明：该型钻机具有可拆卸性好、安全性高、单件重量轻、劳动强度低以及施工台效高等诸多优势，值得进一步推广应用；针对该钻机浅层给压难、事故处理动力不足和维修保养不易等方面的问题，提出通过加强配重、配备液压顶管机以及采用绷绳固定等有效措施和建议，取得了良好的效果。研究结果可为该钻机的改进提供参考。

关键词： 便携式钻机 ; 技术参数 ; 岩心钻探 ; 钻进效率 ; 适用性 ; 北山地区

Abstract

EGR portable full hydraulic drill is a new type of drill rig in recent years.It is a full hydraulic drive， long-stroke feeding power drill，widely used in geological prospecting，to drill trough mineral exploration，railway，bridge and other engineering investigation and hydrogeological exploration.The purpose of this paper is to study the construction capability of this kind of drill and its applicability to exploration in the Beishan Desert Gobi area through practical application，so as to provide more practical reference for the promotion and application of this kind of drill in the industry.This paper introduced in detail the mechanism composition，structural characteristics，main technical parameters of EGR portable hydraulic drill and its application in fluorite prospecting in Beishan area.By comparing with the traditional drill and the same type of drill in various aspects，it is pointed out that this type of drill has many advantages，such as good disassembly，high safety，light weight，low labor intensity and high efficiency of construction platform.In addition，combined with the construction practice of 9 drilling holes in Beishan exploration area，the paper analyzedthe performance of EGR portable hydraulic drill in construction capacity，drilling efficiency and construction cost，etc.At the same time，Beishan is a desert Gobi area，with harsh natural environment and frequent sandstorms，which have adverse effects on the normal operation and maintenance of the full hydraulic drill.In order to test its applicability in the exploration of Beishan fluorite deposit，the paper also points out some shortcomings and application prospects of EGR portable hydraulic drill.

Keywords： portable drilling rig ; technical specification ; core drilling ; efficiency of drilling ; applicability ; Beishan area

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本文引用格式

张雄, 张耀澎, 牛恩宁, 华伶利, 吕新全. EGR便携式全液压钻机在萤石矿勘查中的应用与分析[J]. 黄金科学技术, 2023, 31(5): 856-864 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2023.05.021

ZHANG Xiong, ZHANG Yaopeng, NIU Enning, HUA Lingli, LV Xinquan. Application of EGR Portable Full Hydraulic Drill in Fluorite Mine Exploration[J]. Gold Science and Technology, 2023, 31(5): 856-864 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2023.05.021

目前，国内使用的主流地质岩心钻机是机械传动、液压给进的立轴式钻机（潘学森等，2005）。该类钻机存在体积大且笨重、钻进效率低、工人劳动强度大、适应性差和危险性高等缺点。随着地质勘查技术转型升级步伐的加快以及液压技术的发展，全液压钻机动力头式岩心钻机发展迅速（曹志良，2013；张伟，2008）。全液压动力头钻机具有功能齐全、程序化和智能化程度高等优点，在国外已是普及型钻机（孙友宏等，2007；张林霞等，2012；朱兴等，2014；薛倩冰等，2020）。2001年，我国逐步引进全液压动力头钻机。然而，由于进口钻机价格偏高、配件备品供应周期长以及维修费用高等原因，进口全液压动力头钻机在国内市场接受度不高。此外，虽然国产全液压动力头钻机的价格比进口钻机低，但存在故障频发和维修困难等问题（庞少青等，2014；刘旭光等，2015；米树刚等，2021），最终也没有得到全面推广应用。

近年来，随着支撑生态文明建设的勘查投入不断增加，绿色勘查（赵元艺等，2016；张福良等，2018；郑杰等，2021；任淼等，2022）要求不断提高。为适应当前绿色勘查需要以及加快勘查转型升级，中国地质调查局西安矿产资源调查中心从任务需求着眼，购置了EGR便携式全液压岩心钻机，将其先后应用于陕西秦岭地区和青海果洛地区，并于2022年首次在北山萤石矿勘查中投入使用，取得了良好的应用效果。本文重点研究EGR便携式钻机在萤石矿产勘查中的适用性、施工效率以及环境对钻机的影响，分析了该型钻机在结构设计、工艺特点、搬迁运输以及成本等方面的优势和不足，总结该型钻机施工钻进经验，以期为该类型钻机的推广应用提供借鉴。

1 EGR便携式全液压岩心钻机简介

EGR便携式全液压钻机是英格尔公司生产制造的一系列钻机的统称，其包含多种型号，2020年西安矿产资源调查中心通过市场调研购置了4台（EP600型2台，EP600PLUS型2台）。本文主要研究EP600PLUS型便携式钻机。

1.1 钻机总体结构组成

该钻机整体设计突出实用、轻巧的理念，可以满足多种复杂地形施工需求。钻机结构主要由四部分组成，包括主机、液压操控系统、冲洗液循环系统和其他辅助设备，如图1所示。

图1

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图1   EGR便携式全液压钻机组装图（EP600PLUS型）

Fig.1   Assembly diagram of EGR portable fully hydraulic drilling rig（EP600PLUS）


1.2 钻机主要结构和工艺特点

（1）模块化，桅杆式钻架结构。由于采用模块化、轻量化设计（王定亚等，2007；冯定等，2008；张子伟等，2021），钻机最重模块的质量不足180 kg，可轻松实现人工搬运；折叠式桅杆钻架，无需钻塔，可实现45°~90°倾角钻进；基座采用6~8根枕木铺设，不仅拆装快捷、搬迁方便，而且可实现少修路或不修路。

（2）全液压传动。液压系统设计科学合理，采用３台久保田D1105-T柴油发动机作为动力单元（李建华等，2007；李晓辉，2008；高明帅等，2018），实现了三泵合流再分流的能量分配，既突出了易分体、重量轻和可拆性好的特点，又兼顾了施工的动力需求。液压系统操作界面布局灵活、轻便，能无级调速，速度范围宽，可开高速，钻进平稳，震动小；液压系统带有限压保护，安全性高。

（3）给进控制。采用顶驱式动力头，油缸推进，可轻松实现加压和减压钻进、称重以及快速提升等多种操作；长行程六方导轨具有导向性和定向性好的特点，给进行程达1.83 m，减少了倒杆次数，能够有效降低岩心堵塞的风险，提高岩心采取率和钻进效率。

1.3 钻机主要技术参数

EP600PLUS型EGR钻机施工能力为800 m，总重为1.5 t，施工倾角为45°~90°，配备3台发动机，额定功率为99 kW，采用顶驱式动力头，双油缸驱动，给进行程1.83 m。具体性能及参数见表1。

表1   EP600PLUS钻机性能参数

Table 1  Performance parameters of EP600PLUS drilling rig

参数类型参数名称数值
施工能力钻探能力/m260/550/800
钻孔直径/mm108/96/75.5/60
取心直径/mm71/56/42
钻机动力涡轮增压柴油发动机/kW99（3×33 kW）
液压系统最高压力/MPa21
最大流量/（L·min-1）210
顶驱式动力头最大扭矩/（N·m）800
最高转速/（r·min-1）1 500
给进行程/m1.83（油缸驱动）
提升力/kN130（双油缸）
给进力/kN78（双油缸）
卷扬机平均速度/（m·min-1）150
提升力/kg700
钢丝绳直径/mm5
容绳量/m900
导轨与桅杆总高/m5（90˚时）
钻进角度/（°）45~90
外形与重量机台面积/m24×4（6~8根枕木）
模块数/件13
最重模块质量/kg180
总重/t1.5

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1.4 钻进工艺特点

EGR便携式全液压钻机的最大优势是能够实现小钻压、高转速切削破碎岩石，与传统钻探工艺不同，其采用“薄壁金刚石钻头+薄壁系列钻杆+配方泥浆”绳索取心钻探工艺，钻进口径级配主要有三级，以HTW-NTW二级口径为主，配合NTW口径，与地质钻探小口径良好匹配，同时辅以配方泥浆。综合分析，该套钻探工艺主要有以下特点：一是与传统钻探工艺不同，其钻杆可直接作为套管使用，避免了换径扩孔下套管的环节，大幅减少了施工时间、成本和工人劳动强度，但在复杂地层施工中，容易发生井故，钻杆作为套管使用风险较大。二是采用的钻柱系统具有“满、刚、直”的特点，孔斜控制好，采用薄壁金刚石绳索取心钻探工艺（冉恒谦等，2011；李国民等，2013；孙建华等，2016；李鑫森等，2020），钻杆及钻头均为薄壁设计，扭矩阻力小、切削速度快。三是环状间隙小，对孔壁扰动小，不易发生掉块卡钻，钻孔质量高，但由于环空间隙过小，提下钻过程中容易产生环空压力，造成孔壁坍塌。

2 EGR便携式全液压钻机勘查应用实例

2.1 地质概况

勘查区位于甘蒙交界北山地区，属高原低山丘陵区和戈壁荒漠区。花石头山矿点地层主要岩性为砾岩、石英砂岩、黑云母二长花岗岩及第四系表层（侯青叶等，2012；王疆涛等，2016；薛仲凯等，2022），其中以石英砂岩较为典型；矿化带主要受NE和近SN向构造控制，宽度1.0~23.7 m，延伸40~820 m，初步圈定萤石矿体6条。古硐井萤石矿点位于鹰嘴红山似斑状黑云母花岗岩与古硐井群变质砂岩内接触带，地层主要岩性为石英砂岩、灰岩和强蚀变黑云母二长花岗岩，蚀变带主要受近EW和NE向构造控制，宽度10~100 m，延伸300~1 000 m。通过地表槽探工程控制，圈定萤石矿化体3条，萤石矿体2条。勘查区内主要岩石物理学特征见表2。

表2   勘查区内岩石的主要物理学特征

Table 2  Main petrophysical characteristics of rocks in the exploration area

岩性可钻性级别研磨性硬度完整程度
表土层、残坡积层1~3弱软破碎
石英细砂岩、石英杂砂岩5~7中中硬、硬较完整
白云质灰岩3~4弱较软较破碎
硅质白云岩2~4弱较软较破碎
含黑云母二长花岗岩6~8强中硬、硬较完整

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2.2 钻探施工技术方案设计

（1）钻孔结构设计。根据勘查区地质岩层情况和施工经验，钻孔结构设计为110 mm、HTW和NTW三径成孔，或HTW和NTW二径成孔，BTW作为备用口径。具体钻孔结构设计如图2所示。

图2

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图2   钻孔结构设计

Fig.2   Drilling structure design


（2）钻具组合选配。结合地质条件和钻孔结构，合理选择钻具级配，第四系覆盖层选择用ϕ110 mm口径开孔，钻至较完整基岩，更换口径，依次采用HTW和NTW口径施工，BTW口径作为备用口径。具体钻孔各级孔段钻进使用的钻具组合见表3。

表3   钻孔各级孔段钻进使用的钻具组合

Table 3  Combination of drilling tools used for drilling of each level of hole section

开钻次序地层钻进口径取心钻具组合取心方式
一开第四系覆盖层ϕ110 mmϕ110 mm合金钻头单管取心
二开基岩HTWϕ91.3 mm金刚石钻头＋ϕ96.4 mm扩孔器＋HTW绳索取心钻具＋ϕ96.1 mm钻杆绳索取心
三开基岩NTWϕ73.3 mm金刚石钻头＋ϕ75.9 mm扩孔器＋NTW绳索取心钻具+ϕ75.7 mm钻杆绳索取心

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（3）钻进参数选择。在选择合适金刚石钻头的情况下，合理的钻进规程参数能够有效提高金刚石钻进效率（鄢泰宁等，2001；邵春等，2011；肖华等，2021）。钻进规程参数包括钻压、转速和冲洗液量。钻进参数合理性的评价标准主要以钻速、钻头进尺和单位进尺金刚石的消耗量（ct/m）为指标，其中单位进尺金刚石消耗量和钻头进尺尤为重要。在实际工作中，应根据勘查区地层岩性特点、孔径和深度等因素，以表4中提供的参数范围为参考，优化勘查区岩心钻探施工技术参数，确定最优参数范围。

表4   钻进技术参数范围

Table 4  Range of drilling technical parameters

钻头规格钻压/kN转速/（r·min-1）冲洗液量/（L·min-1）
ϕ11015.0~20.0200~30080~100
HTW8.0~15.0350~70040~65
NTW6.0~11.0500~85030~45
BTW4.5~8.5600~1 20025~30

注：初钻压取1/3~1/5 kN

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2.3 施工应用统计分析

EGR便携式全液压钻机（EP600PLUS型）于2022年5月19日进驻勘查区，因不定期进行区域封锁，实际钻探施工工期为56 d，共完成9个岩心钻孔钻探，累计完成钻探任务量1 007.63 m。经计算，便携式全液压钻机平均日进尺为28.8 m，最高班进尺达35 m，平均台月效率为728.2 m，钻孔详细施工统计情况见表5。

表5   北山地区钻孔施工情况统计

Table 5  Statistics of drilling construction in Beishan area

勘查区钻孔编号

设计倾角

/（°）

终孔井深/m时间/h台效/m
纯钻辅助机故井故停待
花石头山ZK0-155201.2798.6748.170030.16818.74
ZK0-26070.9852.0026.00000655.20
ZK0370159.3887.4234.00000944.50
ZK0450140.1895.5040.5008.00144.00350.35（700.90）
ZK057065.0840.5019.50000780.96
古硐井ZK085095.0084.0024.00000633.33
ZK075095.0884.5819.42000658.25
ZK095089.3870.7523.25000684.61
ZK066390.2871.2524.75000677.10

注：ZK04钻孔括号内数值为扣除井故时间后台月效率

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由统计数据可知，该型钻机的最低台月效率为633.33 m（正常施工），最高台月效率为944.49 m。其中，ZK04钻孔因发生井内事故导致施工工期延长（调拨BTW配套钻具时间为6 d），降低了钻进效率，正常施工台效应为700.9 m，台月效率刷新了西安矿产资源调查中心的钻探历史记录。此外，由于工区自然环境恶劣，作业时经常会遭遇沙尘暴天气，必须要停止作业，一定程度上延缓了施工进度。工区岩石可钻性级别为5~7级，为中硬性地层，实践表明，便携式全液压钻机在该区钻进效率和取心质量高，适用性良好。

3 应用效果分析

3.1 EGR便携式钻机适用性分析

（1）地层适用性较好，钻进效率高。由表4可知，在岩石可钻性级别为7级以下的地层中，该钻机钻进台月效率平均为689.2 m，纯钻时间占比平均为67.1%，比传统立轴式钻机提高了15%~20%，机故率为0，井故率为11.1%。该钻机采用无极调速，可实现高速平稳钻进，减少了提大钻次数，单孔提大钻次数比传统钻机平均减少50%以上。总体分析得出，该钻机在可钻性级别为7级以下的地层中施工适应性良好，机故和井故易控制，钻进效率高。

（2）模块化轻量化设计，组装搬迁方便。与立轴式钻机相比，EGR便携式全液压钻机采用模块化、轻量化设计，最重模块仅180 kg，4人即可完成装卸，距离较近时1台爬山虎运输车即可实现钻孔之间搬迁工作，极大地缩短了设备搬迁时间（0.5~1.0 d）和组装时间（1 d）。图3所示为EGR便携式钻机与传统钻机运输现场。

图3

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图3   传统钻机与EGR便携式钻机搬运现场对比

Fig.3   Comparison of handling site between traditional drilling rig and EGR portable drilling rig


3.2 EGR便携式钻机使用成本分析

EGR便携式液压钻机单班配备人员2~3人，两班倒作业，机台7~10人（最少5人）即可满足施工要求，与传统钻机相比，人员数量减少20%～46%；与传统钻机相比，EGR钻机机台占地面积小，实际使用面积为6 m×8 m，占地面积减少50%~63%，相应地便道和青苗赔偿成本大幅降低，降幅平均达30%以上；此外，EGR钻机采用的薄壁系列管材中NTW市场价格仅为160~288元/m，与普通绳索取心NQ钻杆相比，施工成本降低了10%~26%，施工成本更易控制。总体来看，虽然EGR便携式全液压钻机购置成本较高，但其使用成本较低，经济效益明显。根据2022年单位钻孔成本核算，便携式钻机平均单孔材料成本为306元/m。表6为便携式钻机与立轴式钻机成本对比。

表6   便携式钻机与立轴式钻机成本对比

Table 6  Cost comparison of portable drill and vertical shaft drill

机型购置成本/万元施工任务量/m配备人员/人搬迁安装时间/d

占地面积

/m2

青苗赔偿

/万元

材料费用

/万元

维修保养

/万元

平均单位成本

/（元·m-1）

XY-44A131 000134~513×100.30~1.2053.350.32536.7
EP600Plus981 000101~26×80.05~0.4030.190.41306.0

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3.3 EGR便携式钻机安全与社会效益分析

EGR便携式钻机采用折叠式桅杆结构，与立轴式钻机四角塔作业相比，无高空作业，液压系统有限压保护，安全性高，可实现井口机械拆卸钻杆，人工干预和安全隐患少。经统计，截至目前西安矿产资源调查中心的4台EGR便携式钻机均实现了全年无事故运行。随着国家对绿色勘查的要求不断提高（周旭林等，2017），EGR便携式钻机因具有占地少、施工快和易恢复的特点，完全符合绿色勘查要求。此外，北山地区生态多样性单一，环境植被稀少脆弱，该型钻机使用的低固相（无固相）泥浆对环境损害小，易处理，取得了良好的社会环境效益，获得当地政府的认可。图4为钻孔场地施工前后对比。

图4

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图4   钻孔场地施工前后对比

Fig.4   Comparison of drilling site before and after construction


3.4 存在的问题及改进措施

（1）基座配重轻，浅层作业加压难。钻机台底座采用6~8根枕木铺设，上铺14块木板，左侧主要靠钻机和辅助设备配重，右侧靠2个叠在一起的水箱配重，钻架用地锚固定，总体配重较轻。因此，当浅部为第四系覆盖层时基座配重尚能满足钻进给压要求，进入基岩后，遇到岩石硬度6度以上岩层时，难以加压钻进，加压过大会出现机台整体被反向力顶起的现象。针对该问题，建议对钻架采取双地锚固定，增加机架的稳固性，以便加压钻进。

（2）钻机动力不足，处理井故能力弱。在施工中，ZK04钻孔井故时采用低速大扭矩马达+双油缸组合处理，同时加大扭力和提升力，并增大输出动力，钻机出现冒黑烟的现象，钻架晃动剧烈，仍未能成功解卡。此现象说明相比传统立轴式钻机（XY-44型）EGR便携式钻机的动力明显不足，孔内事故处理手段有限。针对该问题，建议配备液压起管机，对卡钻和埋钻等事故进行有效解卡，同时在日常施工中，应准确掌握孔内情况，精细操作，做好事故预防工作。

（3）日常保养较频繁，施工环境对钻机效能有一定的影响。EGR便携式钻机主要靠液压系统来操控各执行元件，其对液压油、机油和润滑油等油料均有严格的时间和温度要求，机油滤芯、柴油滤芯和空气滤芯等易损件需要按照要求及时更换，避免对钻机造成不可逆的损伤。此外，本次施工的北山地区气候恶劣，沙尘暴天气频繁，沙子极易进入钻机各部件和管路，加速机器磨损。建议在使用中加强对钻机的日常保养，每钻2个浅孔或1个中深孔就进行一次保养，同时采取防风沙侵袭措施，对机台进行拉绳捆绑并打入地锚固定，风沙来袭时实施包裹覆盖等保护措施。

4 结语

（1）EGR便携式全液压钻机的地层适用性好，成本可控，经济效益良好。该钻机浅孔施工能力较强，适用于岩石可钻性为7级以下的地层；钻机搬迁、安拆方便，能实现钻孔之间快速衔接，最快1 d即可完成机台搬迁与安装；机台配备人员少，与传统钻机人员配备相比，大大节省了人工成本；台月效率较高，每月综合进尺可达600~1 000 m（含搬家、安装和钻进等时间），而同等地层条件下，立轴式钻机的月进尺一般为400~500 m，综合台效是立轴钻机的1.5~2.0倍。

（2）钻机对环境适应性较强。北山地区为荒漠戈壁区，环境恶劣，机台常受沙尘暴侵袭，而该型钻机在北山地区施工时间长达3个多月，相比同系列钻机（YDX-3L全液压钻机），适应性较强，表现出良好的工作状态和性能。

（3）加强人机结合，提高施工效率。该型钻机在北山地区首次使用，取得了良好的经济效益，但下一步仍需加强研究，尤其针对不同地层应科学选择适宜钻头，优化钻进参数，加强人机磨合，不断提高施工效率。

（4）生产实践证明，EGR便携式液压钻机在北山戈壁荒漠区施工中优势明显，其性能优越，占地少，转场快，施工效率和质量高，是一种适应性较强的便携式钻机。在地勘行业绿色勘查的大背景下，模块化的便携式液压钻机将成为一种趋势。

中国矿业网）

http://www.goldsci.ac.cn/article/2023/1005-2518/1005-2518-2023-31-5-856.shtml

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