SD型潛孔錘跟管鉆具的研制

趙建勤，宋軍，羅宏保，王勇

（中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川成都610081）

1 概述

我國是一個地質(zhì)環(huán)境極其復(fù)雜和特殊的國家，尤其是西部地區(qū)，由于青藏高原的隆升，使得該地區(qū)不但有極其復(fù)雜的地形地貌，而且存在著一系列活躍的動力地質(zhì)作用，加之伴隨經(jīng)濟快速發(fā)展的大規(guī)模工程建設(shè)和資源開發(fā)在一定程度上的不規(guī)范性和盲目性，從而導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生。雨季突發(fā)性、群發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害造成的損失更加突出。如在長江三峽工程庫區(qū)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害就達1500余處，對庫區(qū)移民的生命財產(chǎn)安全造成極大的威脅。2008年四川汶川大地震、2009年重慶武隆縣鐵礦鄉(xiāng)雞尾山滑坡、2010年全國大范圍的大雨暴雨等形成的地質(zhì)災(zāi)害，其種類多、分布廣、危害大，造成了人民群眾生命和財產(chǎn)的巨大損失，同時也暴露了我國應(yīng)對突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害能力差的弱點。為了改變現(xiàn)狀，加強地質(zhì)災(zāi)害減災(zāi)和應(yīng)急響應(yīng)技術(shù)研究，科學(xué)技術(shù)部啟動了“十一五”國家科技支撐計劃重點項目“重大地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警及應(yīng)急救災(zāi)關(guān)鍵技術(shù)研究”，我單位承擔(dān)了其中一個課題“地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置快速治理技術(shù)研究與示范”，新型潛孔錘跟管鉆具——SD型潛孔錘跟管鉆具的研制屬于該課題內(nèi)容之一。我所是國內(nèi)最早開始研究潛孔錘跟管鉆進技術(shù)的單位，自“七·五”開始研究潛孔錘跟管鉆進技術(shù)以來，特別是經(jīng)“九·五”及以后進行的進一步開發(fā)、完善，現(xiàn)已形成了一系列的潛孔錘跟管鉆進技術(shù)科研成果、國家專利和規(guī)格齊全的跟管鉆具系列產(chǎn)品。SD型潛孔錘跟管鉆具是在我所SP型潛孔錘跟管鉆具的基礎(chǔ)上，進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化再創(chuàng)新，將跟管鉆具的中心鉆頭和偏心鉆頭合二為一形成為整體的導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭，再通過計算機仿真有限元程序ANSYS Workbench 12.0軟件對跟管鉆具進行應(yīng)力分析、計算、改進。經(jīng)現(xiàn)場試驗表明：SD型潛孔錘偏心跟管鉆具具有結(jié)構(gòu)合理、強度高，受力條件好，能量傳遞效率高，工作更可靠等特點，其外形如圖1所示，已獲得了國家專利，專利號是：ZL200620035162.X。

2 SD型潛孔錘跟管鉆具工作原理

圖1 SD型潛孔錘跟管鉆具

圖2 SD型跟管鉆具工作原理

SD型潛孔錘偏心跟管鉆具的工作原理如圖2所示：跟管鉆具工作時由鉆機提供回轉(zhuǎn)扭矩及給進動力。正常鉆進時，潛孔沖擊器工作的動力——空氣，由空氣壓縮機提供，經(jīng)鉆機、鉆桿進入潛孔沖擊器使其工作，沖擊器的活塞沖擊跟管鉆具的導(dǎo)正器，導(dǎo)正器將沖擊波和鉆壓傳遞給導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭，對孔底巖石進行破碎。同時，鉆機帶動鉆桿回轉(zhuǎn)，鉆桿將回轉(zhuǎn)扭矩傳遞給沖擊器并由沖擊器通過花鍵帶動跟管鉆具的導(dǎo)正器轉(zhuǎn)動，導(dǎo)正器上有偏心孔，導(dǎo)正器轉(zhuǎn)動時導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭張開，并在開啟到設(shè)計位置后被限位，使導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭隨導(dǎo)正器旋轉(zhuǎn)。在潛孔錘驅(qū)動下導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭鉆出比套管外徑大的鉆孔（導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭的中心鉆頭部分起破碎巖石和定心作用，導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭的偏心鉆頭部分起破碎巖石和擴孔作用），使套管不受孔底巖石的阻礙而跟進。套管的重力大于地層對套管外壁的摩擦阻力時，套管以自重跟進；當(dāng)套管外壁的摩擦阻力超過套管的重力時，內(nèi)層跟管鉆具繼續(xù)向前破碎巖石，直到導(dǎo)正器上的凸肩與套管靴上的凸肩接觸，此時，導(dǎo)正器將鉆壓和沖擊波部分地傳給套管靴，迫使套管靴帶動套管與鉆具同步跟進，保護已鉆孔段的孔壁。導(dǎo)正器表面開有吹掃巖屑的氣孔，也有使孔底巖屑能夠排出的氣槽。大部分壓縮空氣經(jīng)沖擊器作功后通過導(dǎo)正器中心孔、導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭到達孔底，沖刷孔底已被破碎或松散的巖石及冷卻鉆頭，并攜帶巖粉經(jīng)導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭、導(dǎo)正器的排粉槽進入套管與沖擊器、鉆桿的環(huán)狀空間被高速上返的氣流或泡沫排出孔外。正常鉆進時，導(dǎo)正器表面的氣孔被套管靴內(nèi)壁封閉，使絕大部分空氣進入鉆頭工作區(qū)，對鉆頭進行冷卻和清洗孔底。提鉆吹孔時，只要導(dǎo)正器表面的孔露出套管靴，解除封閉狀態(tài)，大量空氣將通過此二孔進入套管對套管內(nèi)巖屑進行強力吹除。當(dāng)鉆進工作告一段落，需將鉆具提出時，可慢速反轉(zhuǎn)鉆具幾轉(zhuǎn)，偏心鉆頭又依靠慣性力和摩擦力收回，如圖2中提升狀態(tài)，整套鉆具的外徑小于管靴、套管的內(nèi)徑，即可將鉆具提出到進行配接鉆桿和套管的位置或?qū)@具提出孔外，套管留在孔內(nèi)護壁，完成鉆孔。

潛孔錘偏心跟管鉆具在鉆孔內(nèi)工作時，其受力狀態(tài)十分復(fù)雜：既要承受軸向高頻沖擊交變載荷，同時要承受回轉(zhuǎn)扭矩和軸向拉壓交變載荷。因此需要從鉆具的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、加工工藝過程等方面進行精心設(shè)計和嚴(yán)格加以控制。鉆具零部件的強度直接關(guān)系到偏心跟管鉆具的工作可靠性，加大偏心距時能獲得較大的鉆孔直徑，有利于套管跟進，但同時會使回轉(zhuǎn)扭矩增大、降低鉆具的結(jié)構(gòu)強度，導(dǎo)致鉆具的實際使用強度降低，影響到鉆具的可靠性。鉆具結(jié)構(gòu)中導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭上沖擊力、扭矩和軸向拉壓力的傳遞方式也直接關(guān)系到鉆具的使用可靠性和使用壽命。在鉆具的傳力和結(jié)構(gòu)強度能得到基本滿足的基礎(chǔ)上，還要兼顧鉆具的加工工藝性，便于加工制造和降低制造成本。

從跟管鉆具的鉆進效率對比試驗發(fā)現(xiàn)，偏心跟管鉆具的擴孔直徑與鉆進效率基本上成正比關(guān)系，但是不能無限制地加大擴孔直徑。結(jié)構(gòu)上擴孔直徑主要由鉆具的偏心距來確定，選擇偏心距的大小時首先要能滿足鉆具的結(jié)構(gòu)強度需要。增大偏心距時，不僅會增大鉆具的回轉(zhuǎn)扭矩，使鉆具承受的工作負(fù)荷加大，同時還會削弱鉆具的結(jié)構(gòu)強度，影響到鉆具的使用壽命和工作可靠性，偏心距選大時還會增大加工制造過程的難度。如圖3所示，擴孔直徑D與偏心距A的關(guān)系：

圖3 擴孔直徑D與偏心距A的關(guān)系

D=2（R+2Asinθ/2）

式中D——擴孔孔徑

R——偏心鉆頭外圓半徑

A——偏心距

θ——偏心鉆頭轉(zhuǎn)動角

設(shè)計時擴孔直徑D一般要比套管外徑大10mm以上；應(yīng)盡量增大偏心鉆頭外圓半徑R，以能通過套管靴為原則；轉(zhuǎn)動角θ一般選擇在90°～160°之間。

跟管鉆具排渣槽設(shè)計得合理與否，直接關(guān)系到鉆進能否順利進行。壓縮空氣在潛孔沖擊器中推動活塞做功后作為廢氣排出，用來冷卻鉆頭，清除孔底巖渣并將巖渣帶出孔外。由于跟管鉆具的鉆頭部分在套管之外，并且鉆出的孔徑大于套管外徑，部分氣體可能從套管外壁流走。嚴(yán)重時，大部分氣體不進入套管內(nèi)吹除巖渣，導(dǎo)致巖渣沉積卡鉆。因此，所設(shè)計的氣道既要保證氣流在鉆進時有效地吹除孔底巖渣，又要保證大部分氣流能從套管返出，至少在吹孔狀態(tài)時應(yīng)該如此。氣槽形狀，斷面大小與其他方面相互制約。槽開得小會引起孔底巖渣不能順利排出，堵塞氣流。槽開得大套管靴上凸肩受壓過大，發(fā)生變形，也會卡住鉆具。根據(jù)我們設(shè)計跟管鉆具的經(jīng)驗和實踐，我們設(shè)計了二個直槽式排渣槽。

3 SD型潛孔錘跟管鉆具的計算機仿真分析

潛孔錘偏心跟管鉆具在鉆進過程中，要承受沖擊、扭轉(zhuǎn)、巖土擠壓與摩擦等載荷，這些載荷使偏心跟管鉆具處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。為了驗證偏心跟管鉆具產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，我們選用了計算機仿真有限元程序ANSYS Workbench 12.0軟件對偏心跟管鉆具進行應(yīng)力分析，以了解偏心跟管鉆具在各種載荷下的應(yīng)力狀態(tài)，并根據(jù)計算結(jié)果確定合理的偏心跟管鉆具結(jié)構(gòu)，以達到減少試驗時間、提高效率及產(chǎn)品可靠性等目的。本次通過計算機仿真分析的潛孔錘偏心跟管鉆具，經(jīng)現(xiàn)場試驗證明，其結(jié)構(gòu)合理，達到了原設(shè)計的要求。

仿真分析的主要內(nèi)容是根據(jù)潛孔錘偏心跟管鉆具所用材料、模擬不同載荷等作業(yè)環(huán)境計算出導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭、導(dǎo)正器、套管與巖土相互作用下的應(yīng)力響應(yīng)特性。分析方法采用極限靜力學(xué)分析方法，這是常見的對沖擊載荷的簡化計算方法。沖擊載荷是一種隨時間變化的動力載荷，典型沖擊載荷的形態(tài)如圖4所示。

根據(jù)偏心跟管鉆進特點及計算機運算速度，整個系統(tǒng)的模擬仿真分三個步驟：

（1）導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭和導(dǎo)正器模型分析

圖4 沖擊載荷示意圖

對導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭和導(dǎo)正器建模，分析導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭和導(dǎo)正器在各種復(fù)雜載荷下的應(yīng)力響應(yīng)特點。

（2）導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭、導(dǎo)正器和套管模型分析對導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭、導(dǎo)正器和套管建模，分析三者在各種復(fù)雜載荷下的應(yīng)力響應(yīng)特點。

（3）導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭、導(dǎo)正器和套管模型與巖土模型相互作用分析。

對導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭、導(dǎo)正器、套管以及巖土建模，分析巖土作用下，偏心跟管鉆具的應(yīng)力響應(yīng)特點。通過Pro/E軟件完成導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭、導(dǎo)正器、套管以及巖土的三維建模，幾何模型如圖5所示。

偏心跟管鉆具仿真分析給定的材料是合金鋼（24SiMnNi2CrMoA），其力學(xué)性能參數(shù)為：

圖5 偏心跟管鉆具、導(dǎo)正器以及套管幾何模型圖

彈性模量E＝196000MPa

泊松比ν＝0.3

密度ρ＝7850kg/m3

屈服應(yīng)力1000MPa

切線模量1960MPa

給定的巖土參數(shù)為：

彈性模量E＝8000MPa

泊松比ν＝0.23

密度ρ＝2400kg/m3

偏心跟管鉆具在施工過程中，載荷工況復(fù)雜，在此只選取三個步驟中的最大載荷情況進行敘述，這些載荷包括：

（1）最大扭矩M＝3500N·m

（2）復(fù)合偏心鉆頭側(cè)向所承受的巖土頂推力N＝200kN；

（3）最大鉆壓和沖擊載荷300kN，最大鉆壓P＝100kN；沖擊頻率f＝850次/分，單次最大沖擊能Ep＝592J；

（4）孔深60米，此時套管長度較長，所受摩擦力較大，其上端幾乎豎向全約束；

（5）孔壁地層對套管總摩擦阻力，力的分布規(guī)律為：Rf=πdqL+fGsinθ

式中d——套管外徑，0.168m；

q——孔壁地層對套管單位表面積上的摩擦力，kPa

L——跟進套管的長度，m

f——孔壁地層與套管表面間的摩擦系數(shù)，0.4

G——跟進套管自重，kN，G＝L·c，c為每米長度套管的重力，0.31kN/m

θ——鉆孔軸線與鉛垂方向的夾角，θ＝75°

（6）扭矩以及沖擊載荷加鉆壓；

（7）巖土圍壓載荷，模擬巖土圍壓地下60米深所受的載荷，在模型上部施加1411200Pa的圍壓載荷，周邊約束法向位移；

（8）套管端部全約束；

（9）整體施加重力載荷。

根據(jù)有限元程序ANSYS Workbench 12.0軟件對偏心跟管鉆具進行的應(yīng)力計算，我們得到：

①通過間隙配合連接的導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭、導(dǎo)正器和套管，經(jīng)ANSYS分析已經(jīng)清楚地展示了其接觸區(qū)域不是整個接觸面，而是幾個區(qū)域。鉆壓和沖擊載荷對導(dǎo)正器和導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭應(yīng)力影響較小，而側(cè)向巖土頂推力對導(dǎo)正器和導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭應(yīng)力影響大，如圖6所示。

②最大應(yīng)力應(yīng)變出現(xiàn)位置在步驟一、二、三的計算結(jié)果中是一致的，都在相同位置出現(xiàn)塑性屈服，如圖7所示。

這些位置是偏心跟管鉆具在工作過程中的應(yīng)力危險位置，這種屈服流動可能造成的零件失效形式有三種：（1）塑性破壞，由于持續(xù)塑性流動，導(dǎo)致零件出現(xiàn)塑性斷裂或垮塌。（2）零件產(chǎn)生較大的塑性變形，影響正常使用功能。（3）塑性疲勞破壞。

我們看到，計算中的接觸器塑性屈服流動是自限性的，即隨著塑性屈服流動，接觸面積增加，導(dǎo)致接觸應(yīng)力集中下降，使屈服流動停止，不會產(chǎn)生持續(xù)的屈服流動。在分析結(jié)果中，我們也看到屈服流動區(qū)域集中在一個小的區(qū)域中，不會持續(xù)擴大。

圖6 導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭接觸配合結(jié)果示意圖

圖7 最大應(yīng)力應(yīng)變出現(xiàn)位置

分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)總變形小于0.005mm，沒有產(chǎn)生較大的塑性變形，也不會影響接觸配合和設(shè)備的功能完整性。

③隨著步驟二考慮了套管對鉆具進行約束作用及步驟三考慮了套管和巖土同時對鉆具進行約束作用，其最大應(yīng)力應(yīng)變值相應(yīng)變小，如圖8、9、10所示，這證明了步驟一、二對鉆具載荷約束情況是較為合理的，也是偏于安全的。

4 SD型潛孔錘跟管鉆具生產(chǎn)試驗

生產(chǎn)試驗主要考核SD型潛孔錘跟管鉆具的各項性能參數(shù)，實施地點分別為四川省石棉縣大渡河流域國電大崗山水電站、云南省麗江梨園水電站等地。

（1）國電大崗山水電站生產(chǎn)試驗情況

SD型潛孔錘跟管鉆具在進行了第一次現(xiàn)場鉆具結(jié)構(gòu)合理性初步試驗并得到確認(rèn)后，于2008年10月至12月在四川省石棉縣大渡河流域國電大崗山水電站2000 kN錨索孔進行了試驗。試驗設(shè)備、器具為：

空壓機：柳州富達移動式螺桿空氣壓縮機；

鉆機：無錫雙帆YG-80錨固鉆機；

鉆桿：φ89×1500mm；

套管：φ168×10×1500mm；

圖8 各步驟導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭最大應(yīng)力強度比較

圖9 各步驟導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭最大彈性應(yīng)變比較

圖10 各步驟導(dǎo)向偏心復(fù)合鉆頭最大塑性應(yīng)變比較

鉆具：SD168型跟管鉆具。

鉆進地層：大崗山水電站左岸壩頂以上壩肩邊上游接近水口邊坡，左岸壩頂以上至纜機平臺邊坡高135m，基巖裸露、崩坡基層，零星分布，邊坡內(nèi)發(fā)育10余條巖脈和斷層，高程1135m以下為拱肩槽邊坡，1270m高程以上為纜機邊坡，1135m至1360m高程之間地形坡度為50～70度，基巖裸露，由Y24-1花崗巖構(gòu)成陡壁，有輝綠巖脈穿插，零星分布崩坡積物。

此次試驗共跟管鉆進了201米，跟管鉆具工作穩(wěn)定、可靠、壽命長，取得了比用戶現(xiàn)用的偏心跟管鉆具平均跟管鉆進時效提高了50%以上的好效果。

（2）麗江梨園水電站綜合試驗情況

2009年6月至8月，在對跟管鉆具進行進一步改進完善后，又在云南省麗江梨園水電站進行了綜合性試驗。

此次試驗對空壓機、鉆機、鉆桿、潛孔錘及管靴、套管等進行了盡可能合理的選型、配套，具體的試驗設(shè)備、器具為：

空壓機：美國壽力移動式螺桿空壓機；

鉆機：成都哈邁YXZ70A型錨固鉆機；

鉆桿：φ89×1500mm；

套管：φ168×10×1500mm；

套管靴：內(nèi)螺紋套管靴；

沖擊器：英格索蘭DHD350型高氣壓沖擊器，工作氣壓0.7～2.4MPa；

鉆具：SD168型高氣壓潛孔錘偏心跟管鉆具。

鉆進地層：地質(zhì)情況非常復(fù)雜，覆蓋層比較厚，破碎帶以玄武巖為主，同時夾有較多的粘土，并伴有大孤石。該邊坡正在下滑。

此次綜合性試驗共施工2000kN的錨索孔8個，累計有效跟管進尺共191.5米，取得了比較好的綜合性試驗效果。此次試驗SD168型跟管鉆具為大噸位預(yù)應(yīng)力錨索孔跟管鉆進快速施工提供了一種好的方法。達到或超過了課題的考核指標(biāo)。

5 結(jié)語

當(dāng)前我國地質(zhì)災(zāi)害防治工作十分繁重，特別是汶川地震、玉樹地震引發(fā)的次生地質(zhì)災(zāi)害和三峽庫區(qū)以及因降雨誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害很多，新型潛孔錘跟管鉆具——SD型潛孔錘跟管鉆具的研制成功為地質(zhì)災(zāi)害治理特別是邊坡應(yīng)急處置提供了一種新方法，對加強地質(zhì)災(zāi)害治理技術(shù)研究，保障國家財產(chǎn)和人民生命安全具有重大的現(xiàn)實意義。

[1]王恭先.滑坡防治工程措施的國內(nèi)外現(xiàn)狀[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，1998，9（1）.

[2]長春地院探工系.多工藝空氣鉆進技術(shù)[M].（上），1987.