水利水电工程勘察钻机应用现状及发展趋势

水利工程项目建设往往位于偏远或地貌环境复杂的地区,为开展上述区域的浅部地质勘查,对钻机的轻便程度、在地形复杂地区的迁移能力以及适应复杂地层的多功能需求提出了更高的要求。基于此,本文分别对立轴式岩心钻机、全液压动力头式岩心钻机、声波钻机和便携式岩心钻机在水利水电工程勘察中的应用现状进行了综述,并比较了其优缺点。总体而言,工程勘察钻机都在向着绿色化、模块化和多功能化方向发展,水利水电工程勘察在选择钻机时应综合考虑不同类型钻机在满足孔深、定向、取心和原位试验等具体任务要求情况下进行针对性选择。

掘锚机探放水钻机固定支架强度分析

针对一种掘锚一体机机载式探放水钻机,分析了其作业工况和功能需求。对钻机在各种工况下的受力进行分析,对关键部件的强度进行了有限元仿真校核。理论分析结果表明,安装座竖向载荷、伸缩滑套和钻机连接处的竖向载荷、伸缩滑套竖向载荷均是随着俯仰转角的增大,先增大后减小,在俯仰转角为0°时转矩最大。有限元计算结果显示关键部件伸缩轨道的和伸缩滑套的最大应力远小于所用材料Q345B的屈服强度,满足使用要求。钻机固定支架应力最大值仅为37.096 MPa,变形量为2.006 mm,说明钻机在最大载荷工况下,钻机固定支架能够满足强度要求。通过厂内和煤矿井下的工业性试验验证了设计的探放水钻机结构的有效性,具有较好的应用和推广价值。

液压钻机钻杆连接方式研究

为了提高钻杆拆卸速度和改善转矩传递方式,文中根据液压管快速接头的工作原理对ZDY1900型钻机使用的63.5 mm钻杆接头进行改进和优化,研究设计了一种新型的钻杆连接方式。建立三维模型,导入ANSYS有限元软件进行静力学分析,并根据结果对接头结构进行进一步优化。改进后的快速接头改正了螺纹接头只能单向旋转的缺点,能够实现正反转动,并且装卸快速方便,更利于机械装卸和矿用钻机自动化发展。

煤矿履带式定向钻机路径规划算法

煤矿履带式定向钻机路径规划过程中存在机身体积约束和实际场景下的行驶效率需求,而常用的A^(*)算法搜索速度慢、冗余节点多,且规划路径贴近障碍物、平滑性较差。提出一种以改进A^(*)算法规划全局路径、融合动态窗口法(DWA)规划局部路径的煤矿履带式定向钻机路径规划算法。考虑定向钻机尺寸影响,在传统A^(*)算法中引入安全扩展策略,即在定向钻机和巷道壁、障碍物之间加入安全距离约束,以提高规划路径的安全性;对传统A^(*)算法的启发函数进行自适应权重优化,同时将父节点的影响加入到启发函数中,以提高全局路径搜索效率;利用障碍物检测原理对经上述改进后的A^(*)算法规划路径剔除冗余节点,并使用分段三次Hermite插值进行二次平滑处理,得到全局最优路径。将改进A^(*)算法与DWA融合,进行煤矿井下定向钻机路径规划。利用Matlab对不同工况环境下定向钻机路径规划算法进行仿真对比分析,结果表明:与Dijkstra算法和传统A^(*)算法相比,改进A^(*)算法在保证安全距离的前提下,加快了搜索速度,搜索时间分别平均减少88.5%和63.2%,且在一定程度上缩短了规划路径的长度,路径更加平滑;改进A^(*)算法与DWA融合算法可有效躲避改进A^(*)算法规划路径上的未知障碍物,路径长度较PRM算法和RRT^(*)算法规划的路径分别平均减小5.5%和2.9%。

钻井利器的故事之“全液压岩心钻机”

钻机作为钻探工程中最重要的地面设备,是当之无愧的钻井利器。全液压岩心钻机是岩心钻机的主要发展方向。本文从科普的角度,介绍了岩心钻机在破岩过程中提供压力和旋转运动的主要作用,类比杠杆分析液压传动的工作原理,回顾了立轴式手把钻机、立轴式油压钻机到全液压岩心钻机的发展历程,阐述模块化轻便岩心钻机的特点及适合绿色勘查要求的优越性,并指出全液压岩心钻机的智能化、高效化、绿色化的发展方向。

露天矿钻机电缆智能收放技术

针对钻机人工卷缆存在的工作量大、安全隐患与难以智能化控制的问题,对电缆智能收放设备工作方式与卷筒驱动方式进行了系统总结,对卷缆速度、卷缆张力/力矩与卷缆层数的关系进行了深入分析;根据现场的实际情况,采用后置式卷缆装置与变频控制驱动方式,设计与研制了相关设备。现场应用表明:卷筒收放缆智能自如,排线整齐,应用效果良好。

机液串联式钻机推进系统设计与仿真分析

针对工程钻机推进系统存在的行程大而造成体积和质量大的问题,基于其工作机制进行研究,提出一种机液串联式的钻机推进系统,详细阐述了其工作原理,推导了钻机推进位移与电液比例阀阀门开度的函数关系式。理论分析和仿真验证表明:机液串联式的推进系统具有省距不省力的特点;在钻机工作过程中,动力头的推进速度和位移可达到液压油缸的2倍,液压油缸传递至动力头的推进力为液压油缸活塞输出力的一半,从而减少了钻机桅杆的长度,降低了推进系统的体积和质量;通过电液比例阀调节阀门开度,可以调节动力头的推进位移和速度,使得钻机推进系统满足不同工况的需求。

TGQ-200RC型多工艺自动化钻机的研制与应用

新一轮找矿突破战略行动对钻探技术提出更高要求,利用浅钻技术在浅覆盖区进行快速查证是重要的技术手段。多工艺钻探可以为复杂地层钻探施工提供绿色高效的钻探技术支撑。围绕这一需求研制了TGQ-200RC型多工艺自动化钻机,制定了钻机的总体方案,研制了多工艺动力头、夹持拧卸装置、6自由度移摆管机构、车装集成式液压储杆库、电液控制及参数监测系统等钻机主要部件,规划了自动加减钻杆过程中多机构协同动作控制流程。实钻试验表明,TGQ-200RC型钻机钻进效率高,取样质量好,具有多工艺、机动化、自动化、数字化等特点,单次自动加减钻杆平均用时约90 s,配合无线遥控可实现孔口无人操作,有效降低劳动强度,提高施工安全性。TGQ-200RC型多工艺自动化钻机可以为构建绿色、高效、经济的快速查证钻探技术体系提供坚实支撑,为推动国内浅层钻探装备自动化升级提供有益借鉴。

基于惯性测量单元的旋挖钻机钻具姿态测量方法

为实时获取钻孔过程中钻具的姿态信息,提高机手掌握成孔垂直度,设计了一种基于惯性测量单元的钻具姿态测量方法。该方法采用三轴加速度计、磁力计和陀螺仪构成惯性测量单元,建立基于四元数的姿态测量非线性模型,并采用基于四元数的扩展卡尔曼滤波算法,有效降低振动等干扰信号的影响,提高钻具姿态解算的准确性。实验结果表明,该方法能够有效避免振动对动态测量的干扰,实现旋挖钻机姿态的准确测量,为旋挖钻机施工提供实时、准确的姿态监测手段,为桩基施工质量提供重要保障。

海洋模块钻机高压泥浆系统的研制

在充分考虑南海海域海洋环境、钻井平台结构特点、行业标准、用户要求的基础上,研制了能够满足钻井、固井、井口压力控制等作业要求的海洋模块钻机高压泥浆系统。论述了设计原则,介绍了高压泥浆系统的功能,并分析了关键技术。现场试验及应用表明,海洋模块钻机高压泥浆系统整体性能良好,工艺流程满足钻井平台功能要求,冗余可靠,结构布置紧凑合理,空间利用率高,操作方便,各项指标均达到设计要求。

煤矿液压定向钻机回转器结构设计校核及有限元仿真

以液压定向钻机回转器结构为研究对象,通过分析其传动原理,对其结构进行了设计,同时针对回转器组件开展了选型设计及强度校核,使其符合井下生产作业的需要。最后将回转器及其传动系统进行了有限元仿真分析,从极限载荷及动载效应两个角度出发,验证了所设计回转器的动态特性良好。

数字化波浪补偿分离式液压钻机的研制

基于能源绿色、风力大等优势,海上风力发电技术近年来越来越受到重视,正由浅海向深海发展,且小型发电机逐步被大功率发电机取代。海上风力发电中风电场的选址、风机的基础设计、桩基施工、地层测试等,都离不开钻探和井内静力触探技术。为了满足海上勘察钻机的要求,研发了数字化波浪补偿分离式液压钻机,主要是在数字化、自动化、回转、波浪补偿等功能,以及模块化设计、制造工艺等方面进行了创新。通过理论参数核算、海上应用测试、深海生产施工验证,证明该钻机不仅可满足使用需求,并且比常规钻机更加方便管理、高效安全,还降低了钻探的辅助成本。

矿用自动液压锚杆钻机可靠性分配研究

针对自动液压锚杆钻机可靠性数据缺乏、结构复杂、工作环境恶劣的问题,优选了代数分配法作为其可靠性分配方法。通过结构功能分析,将钻机划分为8个组元并建立了可靠性分析模型。依据MT/T 688-1997《煤矿用锚杆钻机通用技术条件》计算了钻机故障率。运用代数分配法完成了钻机可靠性分配,研究结果表明控制系统等4个组元为薄弱环节。从提升关键部件可靠性和钻机加载试验两方面提出了钻机可靠性提升建议,对于自动液压锚杆钻机研发具有参考价值。

煤矿井下多功能掘钻机研制

针对薄煤层瓦斯和地下水抽采探测工作效率低的问题,提出了一种煤矿井下多功能掘钻机,其合理布局掘进、运输、钻探、行走等功能和部件,形成掘探一体化设备.经现场工业性试验验证,该煤矿井下多功能掘钻机对薄煤层巷道适应性强,性能稳定,综合效率高,促进了煤矿井下多功能掘钻机的技术进步,为煤矿井下瓦斯和地下水抽采探测的安全性、高效性提供有力保障.

基于损伤力学的矿用定向钻机金属结构寿命评估

针对ZYL-15000D型煤矿用履带式全液压定向钻机底座寿命评估,首先通过Q345B钢的脉动循环加载拉伸疲劳试验数据,拟合得到应力幅值和寿命的关系式,经由应力修正和安全系数的选取,转换得到对称循环下的应力幅值和寿命的关系式。结合基于损伤力学推导出的损伤退化模型,根据Q345B钢试验数据拟合确定损伤退化模型中的待定参数,将Q345B钢对称循环下应力幅值和寿命的关系式代入,得到Q345B钢的疲劳损伤退化模型。然后借助ABAQUS对钻机整机进行结构分析,得到钻机底座的危险点位置(即应力最大处),在该型号样机试验台上通过应变片测得钻机底座危险点处的应力—时间历程。最后采用雨流计数和应力修正,对测得的随机载荷谱进行处理得到雨流计数直方图(应力均值-幅值-循环次数),再转换为对称循环载荷的形式,代入确定的疲劳损伤退化模型中,评估钻机底座的疲劳寿命。

露天潜孔钻机随钻测量系统研发与应用研究

露天采矿随钻测量技术研究目前尚处于初期阶段,研发随钻参数测量系统是实现随钻测量技术服务于采矿工程行业的首要任务。基于TAIYE-390-Ⅱ潜孔钻机工作原理,确定了随钻参数,提出了一套通用的测量方法,并研发了测量装置。装置主要由数据采集系统、数据转换系统和数据处理系统组成,可实现对钻进时间、钻进深度、钻进速度、钻杆轴压、回转力矩、回转速度、冲击风压和冲击风量等参数的实时准确测量、采集、计算、存储、显示和远程传输。结合某石灰岩矿钻孔数据,提出了一种反映岩性变化的数据整合方法,并借助钻孔成像试验分析了随钻测量技术在岩体结构面识别中的可行性。结果表明钻进速度和回转力矩对岩体结构响应最为灵敏,冲击风量和冲击风压在钻凿含孔洞的破碎岩体时表现突出,而钻杆轴压和回转速度在岩体结构识别中作用较小。研究成果在潜孔钻机随钻测量系统研发和随钻岩性识别等方面具有重要的理论意义和应用价值。

旋挖机及全回转钻机在清障工程中的应用分析

上海市虹口区北部公共卫生中心建设项目在将地上建筑物拆除完成后,需要将原地下室、原地下围护结构、原工程桩进行清障。本文以此项目为实例,结合现场工况、需清障内容分析、清障方案对比等,阐述了在确保施工安全下的实际清障应用经验。通过严格的施工质量、安全、经济性对比、控制措施,结合使用全回转钻机与旋挖钻机最终实现了较好的施工效果、经济效果,可以为此类的基坑工程实施提供经验。

海洋环境作用下深海海底钻机收放系统建模与运动响应分析

深海海底钻机收放系统在风、浪等海洋环境的扰动下会引起海底钻机摆动,通过建立收放系统的动力学模型,分析收放系统在规则波浪下不同波高、浪向角和风速对海底钻机摆角以及相对位移的影响.研究结果表明:在波高、浪向角以及风速的影响下,深海海底钻机入水前后的摆动角度与相对位移变化均存在明显差异;随着波高与风速的增大,钻机的面内摆角变化幅度较小;随着浪向角的增大,钻机的摆动角度和相对位移逐渐增大.得到的结论可用于海底钻机收放系统摆动的预测和控制,为技术工作人员提供参考.

反循环磨盘钻机成孔施工基坑内低净空灌注桩关键技术

灌注桩施工成孔常用的工艺方案有,旋挖机成孔、冲孔机成孔、人工挖孔等;但是,在基坑支护设计为内支撑、工程桩设计为灌注桩的项目施工中,考虑支撑结构影响,大型设备施工需要的净空不够,冲孔会产生震动,人工挖孔受安全问题制约,给灌注桩成孔工艺选择带来很大的难题。本文针对上述难题提出采用反循环磨盘钻机成孔的解决方案,为类似工程施工提供相应的措施方案。

钢丝绳在线监测装置在石油钻机中的运用与测试

钢丝绳作为石油钻机提升系统中的关键部分,在整个系统中起着至关重要的作用,被视为石油钻采领域的“生命线”。钻井钢丝绳与普通钢丝绳相比,使用载荷更大,绳速更高(快绳可达18m/s),冲击载荷大,因此更容易损坏。传统的停钻检修钢丝绳不仅实效慢,而且内部损伤没有专业仪器无法检测,这成为油田钻井的重大安全隐患。因此,本文介绍了一种可行的钢丝绳无损、在线监测方式,阐述了石油钻机钢丝绳在线监测系统的构成及工作原理。以ZJ70DB钻机钻井钢丝绳进行试验测试,试验结果表明,该系统能够精确地检测出石油钻机钢丝绳的内、外断丝及损伤状况,同时现场应用情况表明系统装置检测效率高,有效节约了现场用绳成本,降低了检测能耗,能为油田钻机安全作业提供有效保障。