1、第 42卷 第 2期 2006年 3月 地質與勘探 GE OLOGY AND PROSPECTI N G Vol . 42 No . 2March, 2006巖土工程收稿日期 2004-12-13; 修訂日期 2005-03-16; 責任編輯 陳仁俊 。第一作者簡介 王茂森 (1963年 - , 男 , 1986年畢業于成都地質學院 , 獲學士學位 , 副教授 , 現主要從事勘察工程專業的科研與教學工作。大直徑環式組合潛孔錘及鉆進工藝研究王茂森 殷 琨 張曉光(吉林大學建設工程學院 , 長春 130026摘 要 論述了大直徑嵌巖樁孔鉆進的現狀 、 發展趨勢 , 闡述了大直徑環式組合潛孔錘的工作

2、原理 、 結構設計 、 鉆進工藝方法 , 對設計加工的 HC -15型環式組合潛孔錘鉆具進行了室內模擬試驗 , 并對 試驗結果進行分析總結 。關鍵詞 大直徑 環式組合潛孔錘 壓氣閉式循環 泵吸反循環中圖分類號 P634. 5 文獻標識碼 A 文章編號 0495-5331(2006 02-0090-041 概 述難題之一 。 。 該方法 適應地層廣 , 松散地層 、 硬質地層均可用此類鉆頭施 工 , 在中硬以軟的地層中鉆進效果良好 , 鉆進速度 快 , 鉆頭使用壽命長 , 施工成本低 , 因此 , 近些年發展 迅速 , 鉆頭類型和質量不斷豐富和提高 。但隨著鉆 孔直徑的增大 , 鉆壓需大幅度增加

3、 , 鉆機扭矩和功率 大幅度提高 , 增加施工單位的設備投入 。對于中硬 以上巖層 , 組合牙輪或滾齒鉆頭仍然難于進尺 , 鉆進 效率很低 , 且鉆頭磨損嚴重 。國外一些發達國家也致力于大直徑硬巖層鉆進 技術研究 。 前蘇聯采用大型石油勘探設備 , 利用設 備的大功率驅動牙輪鉆頭或實施多頭渦輪鉆進 , 在 烏克蘭頓涅克煤礦通風井施工中已廣泛應用 , 但所 用設備十分龐大 , 無法用于我國的灌注樁孔工程 。 美國 、 英國等國采用大直徑潛孔錘鉆進技術 , 研制了 單頭大直徑潛孔錘 , 組合捆綁式潛孔錘等 。潛孔錘 以其巨大的沖擊力能夠有效破碎巖石 , 鉆進效率高 , 尤其對硬巖層保持高的鉆速 ,

4、 且不需龐大的鉆機 。 國外應用的大直徑潛孔錘大風量和高風壓 , 必須有 大風量高風壓的空壓機設備 , 我國目前尚難以適應 。2 環式組合潛孔錘工藝方法及結構設計2. , 潛孔錘是一種行之有效的鉆進 。 近些年來發展迅速 , 應用領域不斷拓寬 , 但大 直徑硬巖鉆孔 , 碎巖面積隨孔徑平方值增大 , 全斷面 鉆進必然使潛孔錘碎巖能量大幅度增加 , 從而使空 壓機設備龐大 , 動力消耗高 , 增加鉆進成本 。環狀斷面鉆進可大幅度減小碎巖面積 , 節省能 耗 , 提高鉆效 。 HC -15型環式組合潛孔錘鉆孔直 徑 1. 5m , 巖心直徑 1. 12m , 減小碎巖斷面積 56%, 孔 內形成的

5、巖心待鉆進成孔后取出 。 環狀斷面鉆進的 小直徑潛孔錘數量與鉆進效率成正比 , 選擇的數量 多 , 則鉆孔速度快 。但較多的潛孔錘必然會增加空 壓機的耗氣量 。2 壓縮空氣封閉循環潛孔錘鉆進的動力介質是壓縮空氣 , 主要由二 個參數表征 :風壓和風量 。我國普遍使用的常規空 壓機風壓為 0. 7MPa 、 , 嵌巖樁孔鉆進中 , 泥漿柱壓力 隨孔深增加 , 每 10米增加一個大氣壓力以上 , 樁孔 孔深幾十米時則液柱壓力即達到幾個大氣壓力 。 鉆 進中風壓消耗取決于液柱壓力 、 潛孔錘工作壓力 、 鉆 具系統管路壓力等幾部分 。 當樁孔孔深幾十米時則 普通低風壓型空壓機風壓不足 , 導致潛孔錘

6、無法工 作 。再則 , 潛孔錘鉆進中隨孔深增加 , 液柱壓力變 大 , 使潛孔錘背壓漸增 , 其工作參數同時受到影響 , 鉆進效率降低 。 因此 , 普通潛孔錘鉆進時 , 壓縮空氣 為開式循環 , 背壓隨孔深而變化 。為解決這一問題 , HC -15型環式組合潛孔錘9圖 1 HC -15型環式組合潛孔錘鉆具結構1 水龍頭 ; 2 膠管 ; 3 空壓機 ; 4 進氣管 ; 5 風盒 ; 6 單頭潛 孔錘 ; 7 鉆頭 ; 8 排渣管 ; 9 砂石泵 ; 10 泥漿循環池 ; 11 排 渣通道 ; 12 排氣管 ; 13 吸渣管 ; 14 巖心采用了壓縮空氣封閉循環 ,封閉的鉆具中完成 ,觸 ,

7、完成封閉循環 ,對潛孔錘的影響 。風壓 , 普通低壓空壓機可以與之配套 , 而且確保了潛 孔錘工作參數穩定 , 保持良好的工作狀態 。3 泥漿保護孔壁大直徑嵌巖樁孔地層條件 , 多數上覆地層為松 散層 , 第四系地層 、 人工回填層等 , 孔壁疏松 , 需用泥 漿護壁 。 國外大直徑潛孔錘鉆進采用純空氣開式正 循環方法 , 為保護鉆孔上部松散孔段 , 常采用護筒方 法 , 成本高 , 操作復雜 。HC -15型大直徑環式組合潛孔錘采用壓縮空 氣與泥漿兩種介質各自獨立封閉循環方式 , 互不影 響 。 泥漿介質循環有效平衡地層壓力 , 保護孔壁 , 尤 其是上部松散孔段 ; 壓縮空氣封閉循環僅為潛

8、孔錘 提供動力 。4 泵吸反循環排渣大直徑潛孔錘鉆進 , 環狀斷面大 , 液體介質正循 環上返流速低 , 破碎的巖渣難以懸浮排出 , 造成鉆頭 的重復破碎或埋鉆 。 反循環鉆進方式是解決巖渣屑 有效懸浮和及時排出的最好方法 , HC -15型環式 組合潛孔錘配套使用的鉆機為上海探礦機械廠 GPS -15、 20型工程鉆機 , 該鉆機本身具有泵吸反循環 功能 , 完全滿足泵吸反循環鉆進工藝需求2. 2 環式組合潛孔錘的結構設計1 HC -15型環式組合潛孔錘鉆具結構及工 作原理HC -15型環式組合潛孔錘鉆具系統結構見圖 1。 自上而下依次為 :三通道氣水籠頭 、 三通道主動 鉆桿 、 三通道鉆

9、桿 、 大直徑環式組合潛孔錘 。鉆進 中 , 壓縮空氣經膠管 2由三通道氣水籠頭 側通道 進入三通道主動鉆桿氣體通道 , 再經三通道鉆桿 側的風管進入大直徑環式組合潛孔錘上部的風盒與 盒的下部空腔 , 該空腔同時與六只單頭潛孔錘 6上 部的進氣口聯通 , 壓氣進入潛孔錘驅動活塞沖錘往 復運動作功 。 廢氣進入潛孔錘中部芯管由潛孔錘頂 部排入風盒上部空腔 , 該空腔匯集六只小直徑潛孔 錘排出的廢氣進入三通道鉆桿另一側風管 , 再經三 通道主動鉆桿 、 三通道氣水籠頭另一側通道排入大 氣中 。 壓縮空氣自空壓機 3經膠管進入鉆具及潛孔 , 全過程構 , 。 。泥漿池直接與孔口聯 通 , , 并始終

10、保持與泥漿池相同的 液面高度 。 鉆機砂石泵由三通道氣水籠頭鵝頸管將 三通道中心管內的泥漿抽至泥漿池 , 實施反循環排 渣工藝 。 泥漿由孔內外環間隙運動至孔底 , 進入環 狀布置的三只吸渣管 13, 由風盒上部的圓弧彎管進 入三通道鉆桿的中心通道 , 在砂石泵抽吸負壓作用 下將孔底的巖渣屑排至地表 , 泵吸反循環排渣能力 強 , 可確保孔底清潔 , 無沉渣 。 泥漿反循環系統也為 單獨封閉的系統 , 與壓縮空氣封閉循環系統各自獨 立 , 同時工作 。2 HC -15型環式組合潛孔錘總體結構設計 潛孔錘的總體設計見圖 2。總體結構設計應滿 足鉆孔工藝需求 。 上部三通道及結點與三通道鉆桿 匹配

11、聯接 , 中部為風盒 4。風盒由三層鋼板焊接而 成 , 形成上下二個空腔 。 下部空腔用于進氣 , 上部空 腔用于排氣 , 分別與三通道鉆桿的進排氣風管相通 。 環狀空間分布六只單體小直徑潛孔錘 3、 三只吸渣 管 , 三根立柱 。 三根立柱用于聯接風盒和下支撐環 2, 同時對六只單體潛孔錘和三只吸渣管也起到聯接 和加強作用 , 確保環狀潛孔錘的剛度和強度 。 風盒上下開出六只貫通圓孔 , 以免提下鉆時造 成抽吸 。 下支撐環將六只潛孔錘 、 三只吸渣管及三 只立柱圓周及軸向聯接固定 , 提高整體強度 。 3 單體潛孔錘結構設計六只單體潛孔錘圓周環狀分布 , 實現環狀斷面 鉆進見圖 3。普通潛

12、孔錘鉆頭均為圓狀 , 回轉碎巖 鉆進 , 為單體自轉 。大直徑環斷面潛孔錘鉆進六只 潛孔錘圓周均布 , 且隨鉆具回轉呈公轉方式碎巖 , 因 19第 2期 王茂森等 :大直徑環式組合潛孔錘及鉆進工藝研究 圖 2 HC -15型嵌巖環狀取芯潛孔錘結構原理圖1 鉆頭 ; 2 下支撐環 ; 3 潛孔錘 ; 4 風 盒 ; 5 吸渣管 ; 6 排氣管 ; 7 進氣管 ; 8 中心管 (排渣管 此潛孔錘鉆頭非圓形 , 設計為長方形 , 保證內外圓周 有足夠齒數碎巖 , 保證鉆頭合理壽命 。3 HC -15型嵌巖環狀取芯潛孔錘底環碎巖原理圖單體潛孔錘內部結構設計呈貫通式 。中部貫 通孔由芯管實現 , 前后氣

13、室排出的廢氣由芯管上的 二組長圓孔進入芯管內 , 再由上端排入風盒的上空腔 , 進入排氣通道 。潛孔錘上下接頭外部均設計為 法蘭盤 , 上部與風盒聯接 , 下部與下支撐環聯接 。 鉆 頭與下接頭的聯接方式采用橫銷結構 , 以方便鉆頭 更換 。 六只小直徑潛孔錘同時進氣和排氣 , 鉆進中 應保持配氣系統的同步和協調性 。 風盒的上下氣腔 結構實現了集中進排氣 , 同時要求每只單體潛孔錘 工作中均不應有防空打的排氣狀態 。 鉆進中某一只 潛孔錘出現防空打而直接排氣 , 則使風盒中供氣腔 的風壓急劇下降 , 壓縮空氣均由此潛孔錘不工作狀 態而排氣 , 致使其它五只潛孔錘也不能正常工作 。 另外 ,

14、潛孔錘防空打機構的一個重要功能是瞬時大幅 度增加風量 , 以提高排渣能力。 而該大直徑環式組合 潛孔錘施工工藝中排渣采用泵吸方法 , 不需潛孔錘的 強吹孔功能。 由此 , 單體潛孔錘結構設計去掉了防空 打機構 , 以保證鉆進中六只潛孔錘均能同步工作。 3 生產試驗研究為進一步驗證大直徑環式組合潛孔錘整體結構強度 、 單體小直徑潛孔錘的碎巖能力 、 設備的適配 性 , 并摸索 、 總結大直徑環式取心潛孔錘鉆進的工藝 方法和技術參數 , 模擬硬巖地層采用了澆注混凝土 的方法 。人工挖掘直徑約 5m 、 深度約 6m 的圓柱 坑 , 清底后澆注混凝土 , 凝固并養生后做為試驗用模 擬硬地層 , 檢測

15、硬度為 30MPa 。試驗設備 : HC -15型大直徑環式取心潛孔錘及三通道鉆具系統 ; GPS -15型工程鉆機 , 上海探礦機械廠制造 ; VHP -700, 上海英格索蘭公 ;。 : 潛孔錘沖擊回轉環狀碎巖取心鉆進 ; 壓縮空氣封閉循環 , 泥漿介質 (沖洗液 泵吸 反循環 , 二套循環介質相互封閉獨立 ; 泥漿系統維護孔壁穩定 , 反循環方式排除孔 底渣屑 ; 每回次鉆進 2m , 回次末取出巖心 , 再行鉆進 。 鉆進參數 ; 鉆壓 :3t 5. 5t, 試驗中取了上限值 ; 轉速 :理論轉速為 35r . p. m , 受鉆機設備限 制 , 取其最低值為 13r . p. m;

16、氣源參數 :供氣量 1718m 3/min, 氣源壓力 0. 7Mpa 。鉆進試驗結果分析試驗鉆進進尺 1. 9m , 累計純鉆進時間 1. 483h, 每鉆進 0. 1m 統計一組鉆進參數 , 統計分析見表 1:表 1 室內實鉆鉆進參數及鉆進效果統計表鉆 壓(t 轉速 (r . p. m 風量 (MPa 風壓 (MPa 純 鉆 時 (m in 進 尺(m 時效(m /h 最高時效(m /h5. 213180. 7220. 13. 0最低時效(m /h5. 513160. 686. 50. 10. 92平均時效(1. 28由于在廠區內試驗 , 受作業面積限制 , 無法開挖泥漿池 , 泥漿容量所

17、限 , 只試驗了一個回次泵吸反循 環 。 反循環正常 , 排渣暢通 , 孔底干凈 。 其它回次試下轉第 96頁29 地質與勘探 2006年作為動力的媒介傳遞能量 , 利用地層水作為沖洗液 形成孔內局部循環進行鉆進 , 地表水和地下水相互 隔開 , 鉆進過程基本不消耗地表水或消耗很少量的 地表水 , 達到了大量節約鉆探用水量的目的 , 同時由 于水力脈沖的部分能量傳至鉆頭 , 又能顯著提高機 械鉆速 。(2 新型球體沖擊器結構簡單 、 無易損件經久 耐用 , 并能與現場普通硬質合金鉆頭配套起來 , 對于 大量遇到的軟 中硬巖石 , 采用普通硬質合金鉆頭+新型球體沖擊器進行回轉沖擊鉆進 , 可大幅

18、度提 高機械鉆速并降低成本 。參考文獻 1 俄羅斯自然資源部圖拉國立貴重金屬與金剛石勘探工藝技術 地質科技公司 . 提高復雜地質條件下鉆探效率與取樣效果的 技術措施 (工作方法推薦書 M.莫斯科 :莫斯科出版社 , 1999.2 耿瑞倫 . 應用節水型鉆進技術探采西北地區地下水 J .探礦 工程 , 2003, 4:4749.3 湯鳳林 . 巖心鉆探學 M.武漢 :中國地質大學出版社 , 1997.STU DY O N NE W TECHNOLO GY O F W ATER -SAV I NG D R I LL I NGAN D STEE L BALL PERCUSS I O N T OOL

19、SLU Chun -hua 1, Y AN Tai -ning 1, Egor ov 2, J I N AG Guo -sheng 1, WU Xiang 1(1. Graduate School, China U niversity of Geosciences, W uhan Hubei 430074,2. R ussia Science Research Institute of Geology, Abstract:A l ot of surface water will be consumed in the course of drilling ogy, and the tr oubl

20、e of water shortage often occurs when drilling in dr oughty area . A ne w technol -working p rinci p le be intr oduced, the results of tests indicate that drilling with the new water -a of water and i m p r ove drilling efficiency . A ls o the structure and working p rinci p le of a new steel on f o

21、tary percussi on drilling in s oft -m iddle hard f or mati ons be intr oduced based on the ne w water -saving drilling ne w type steel ball percussi on t ools get the results that penetrati on rate be enhanced by big percentages and drilling cost be cut .Key words:water shortage area, water -saving

22、drilling, working p rinci p le, steel ball percussi on t ools(上接第 92頁 驗未采用泵吸反循環 , 鉆進中從三通道鉆桿中心通 入壓縮空氣吹洗孔底沉渣 , 渣屑只能在孔底附近懸 浮沉降 , 無法排出孔外 , 因而影響鉆進效率 。4 結 論室內試驗表明 :1. 大直徑環式組合潛孔錘結構設計合理 , 剛度 、 強度滿足施工需要 , 達到了設計要求 ;2. 鉆具風盒結構、 泵吸排渣系統、 單體小直徑潛孔 錘進排氣通道及長方形鉆頭結構等設計合理、 新穎 ; 3. 鉆進工藝方法先進 :將潛孔錘鉆進 、 環狀斷面 碎巖 、 泥漿護壁和泵吸反循環

23、排渣 、 壓縮空氣封閉循 環以及形成大直徑巖心等多種方法和工藝融為一 體 , 試驗證明該工藝方法可行 , 成孔工藝可靠 ; 4. 單體小直徑潛孔錘長方形鉆頭結構及相鄰二 鉆頭布齒的互補設計屬創新 , 滿足了整體環斷面鉆 進條件 , 適應了潛孔錘單次沖擊能 , 提高了鉆頭使用 壽命 , 填補了國內外空白 。參考文獻 1 張祖培 , 殷 琨 , 蔣榮慶 , 孫友宏 . 巖土鉆掘工程新技術 M.北京 :地質出版社 , 2003.2 耿瑞倫 , 陳星慶 . 多工藝空氣鉆探 M.北京 :地質出版社 , 1995.3 蔣榮慶 , 殷 琨 , 王茂森 . HC 型環狀組合式潛孔錘及取芯方 法試驗研究 J .探礦工程 , 2003.4 第六屆全國大口徑工程井施工技術研討會論文集 . 全