牙輪鉆在灰?guī)r地區(qū)鉆孔中的應(yīng)用與工效分析

肖光軍,周發(fā)海

(中國(guó)水利水電第八工程局 基礎(chǔ)分局,湖南 長(zhǎng)沙 410017)

1 概 況

1.1 牙輪鉆頭鉆進(jìn)的特點(diǎn)及應(yīng)用

1.1.1 特 點(diǎn)

牙輪鉆頭因其結(jié)構(gòu)的特殊性,與傳統(tǒng)取芯鉆進(jìn)方法相比,有下列特點(diǎn):

(1)牙輪在孔底繞鉆孔軸線和繞牙輪軸滾動(dòng)時(shí),對(duì)巖石起壓入壓碎、剪切作用的同時(shí),具有一定頻率的沖擊。

(2)牙輪鉆頭靠滾動(dòng)和滑動(dòng)軸承支撐在軸頸上,回轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)矩小,消耗的功率也小。

(3)軸心載荷均勻分布在碎巖牙輪上,在牙齒與巖石不大的接觸面積上比壓,提高了碎巖效果。

(4)牙輪鉆在滾動(dòng)時(shí),在牙齒與巖石的接觸中傳遞載荷為瞬時(shí)的,因此接觸時(shí)間短,產(chǎn)生的熱量少,減少了牙齒的磨損,延長(zhǎng)了牙齒的壽命;同時(shí)瞬時(shí)接觸造成的動(dòng)載,亦強(qiáng)化了碎石,大大降低了成本,提高了工作效率。

1.1.2 牙輪鉆頭的碎石原理

在一定的壓力和回轉(zhuǎn)力作用下,鉆頭上的牙輪既公轉(zhuǎn)又自轉(zhuǎn),產(chǎn)生了滾動(dòng)、滑動(dòng)、沖擊振動(dòng)的復(fù)合碎巖作用,這種復(fù)合作用,可分為沖擊、壓碎和切削剪切作用。

(1)沖擊、壓碎作用。鉆進(jìn)時(shí),加在鉆頭上的軸心載荷(靜載),使牙齒壓碎巖石,這就是壓碎作用。鋼齒鉆頭的壓入壓碎是尖楔工具對(duì)巖石的壓入壓碎過(guò)程;而鑲硬質(zhì)合金的球齒鉆頭,則是球形工具壓入壓碎巖石的過(guò)程。

同時(shí),鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí),牙輪的縱向振動(dòng)產(chǎn)生沖擊載荷(動(dòng)載),使牙齒沖擊破碎巖石,稱為沖擊破碎。

實(shí)際工作中,鉆頭工作時(shí),產(chǎn)生的沖擊載荷有利于破碎巖石,但也會(huì)使鉆頭軸承過(guò)早地磨損,使輪齒特別是硬質(zhì)合金齒崩碎。故鉆進(jìn)硬巖層時(shí),要裝減振器,降低沖擊力的影響。

(2)剪切破碎作用。牙輪齒對(duì)巖石的剪切破碎作用,是由于牙齒相對(duì)孔底巖石的滑動(dòng)而產(chǎn)生的。產(chǎn)生滑動(dòng)的主要因素是由于牙齒布置時(shí)的超頂、移軸和復(fù)錐而產(chǎn)生的。

1.1.3 應(yīng) 用

由于以上特點(diǎn),牙輪鉆進(jìn)可用于不同巖層的鉆進(jìn),從軟巖到非常堅(jiān)硬的巖石(例如泥巖、軟頁(yè)巖、花崗巖、石英巖等)。目前牙輪鉆可用于水電站、礦床勘探、石油和天然氣及其他工程的鉆孔。

2 研發(fā)過(guò)程

2.1 課題的提出

2005年在索風(fēng)營(yíng)電站施工過(guò)程中,采用金剛石鉆頭以及合金鉆孔,由于帷幕灌漿孔較深,達(dá) 110m,施工進(jìn)度較慢、鉆頭消耗大。在此種情況下,施工單位積極與長(zhǎng)沙某鉆頭廠家聯(lián)系,按照我們的要求生產(chǎn)一種工效快、使用壽命長(zhǎng)的新型鉆頭,并在索風(fēng)營(yíng)工地初步應(yīng)用。

2.2 牙輪鉆在構(gòu)皮灘工程中的生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)

2.2.1 施工概述

為進(jìn)一步探求牙輪鉆頭在工程各巖層中的工效情況以及論證其經(jīng)濟(jì)性、優(yōu)選合理的施工工藝,現(xiàn)以EL465廊道石灰?guī)r鉆進(jìn)為例,進(jìn)行牙輪鉆的應(yīng)用及總結(jié)分析。本試驗(yàn)區(qū)為灰?guī)r地區(qū),巖石破碎,巖溶及斷層破碎帶較為發(fā)育。

根據(jù)鉆進(jìn)直徑和被鉆巖石的特性,選擇 φ56mm的鉆頭鉆孔,廊道帷幕實(shí)行雙排布置,孔深為 70.5～145m,鉆孔角度均為鉛直孔。由于施工期限緊,任務(wù)重,采用金剛石和合金鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn),起上下鉆很費(fèi)時(shí)費(fèi)勁,使造孔效率大大降低。為提高施工鉆孔進(jìn)度,結(jié)合實(shí)際情況,認(rèn)真分析巖石和鉆頭的材質(zhì),最后決定采用牙輪鉆頭進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)。

2.2.2 試驗(yàn)施工準(zhǔn)備

(1)施工使用 XY-2PC地質(zhì)鉆機(jī) 1臺(tái),φ40mm水管供水。

(2)供電設(shè)施加其他輔助設(shè)備共約 60kW,采用3×25+1×16銅芯電纜,自總開(kāi)關(guān)柜接至試驗(yàn)施工部位。

(3)施工人員共 4個(gè),包括 3個(gè)操作手,1個(gè)管理員。

(4)廢水沿廊道水溝排至污水處理池,廢渣由工人排至制定地點(diǎn)。

2.2.3 試驗(yàn)鉆孔方法

(1)準(zhǔn)備好牙輪鉆頭 1個(gè)、鉆桿、鉆具、管鉗等一切所需材料。

(2)鉆孔段長(zhǎng) :1、2、3段為 2.0m、3.0m、5.0m,第 3段以下均為 5.0m。

(3)孔徑不小于 φ56mm,開(kāi)孔孔位嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)孔位布置圖要求施工,開(kāi)孔孔位偏差不大于10cm,孔向?yàn)榇怪笨?孔底偏差不大于 1/40孔深。

(4)鉆孔方法為全斷面鉆進(jìn)。

(5)嚴(yán)格作好鉆孔記錄 ,包括鉆孔時(shí)間、鉆孔進(jìn)尺、鉆孔情況、鉆孔返水情況、鉆孔壓力、巖石情況等。

2.2.4 鉆進(jìn)過(guò)程中的洗孔

采用牙輪鉆進(jìn)行全斷面鉆進(jìn),由于滾輪對(duì)巖石的破碎作用,勢(shì)必產(chǎn)生大量的巖粉,進(jìn)而堵塞裂隙,影響后續(xù)灌漿效果,因此在鉆進(jìn)的同時(shí),從中空的鉆桿中采用大流量清水給進(jìn)洗孔,既可冷卻鉆頭,也可攜帶出大量的巖粉,避免巖粉堵塞灌漿通道。對(duì)于帷幕灌漿的深孔,沖洗水壓一般不小于 1.0MPa。為保證鉆進(jìn)時(shí)的沖洗壓力,深孔帷幕在鉆進(jìn)時(shí)采用一臺(tái) BW 250/50型泥漿泵供水,可保證巖粉被及時(shí)沖洗出來(lái),節(jié)約了后續(xù)工作中洗孔時(shí)間,從而提高了整體工效。

2.2.5 試驗(yàn)成果

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)區(qū)的實(shí)踐證明,牙輪鉆頭在鉆孔過(guò)程中,具有很高的實(shí)效性,縮短了鉆孔的時(shí)間,故在后續(xù)帷幕灌漿中普遍推廣使用牙輪鉆進(jìn)行鉆進(jìn)。

2.2.5.1 時(shí)效性

(1)原先采用的合金和金剛石鉆頭鉆孔 60m以下每米所需時(shí)間為 24min,而且必須起鉆倒出巖芯、再下鉆,重復(fù)同樣的工作,尤其到了 60～145m鉆孔處,鉆進(jìn)、起下鉆所需時(shí)間不僅增加了 70%,操作人員感覺(jué)也很疲憊,需消耗大量的體力;

(2)使用牙輪鉆進(jìn),將壓力傳遞到鉆頭上進(jìn)行沖擊壓碎巖石,然后通過(guò)鉆機(jī)水管沖洗,將巖粉沖出孔外,無(wú)需不停地起下鉆,這樣鉆進(jìn)所需時(shí)間大大減少,僅需 16min,操作手的體力也充沛,保障了施工安全有效進(jìn)行,施工進(jìn)度也大大提高。

2.2.5.2 材質(zhì)性

傳統(tǒng)的鉆頭體是用強(qiáng)度較高的 D35號(hào)鋼的無(wú)縫鋼管制成;牙輪鉆頭體是用等級(jí)更高的 D45號(hào)鋼的無(wú)縫鋼管制成,從而保證了硬質(zhì)合金刀具的穩(wěn)定性和剛性。傳統(tǒng)的鉆頭上鑲了硬質(zhì)合金;牙輪鉆頭上采用硬質(zhì)合金和金剛石相結(jié)合,硬質(zhì)合金以碳化鎢粉末為骨架金屬、鈷粉末為粘結(jié)劑,用粉末冶金方法制成。它們的區(qū)別就在于,牙輪鉆在其表面涂以很薄的一層碳化鎢合金層,可使其壽命提高幾倍。而硬質(zhì)合金的磨損的強(qiáng)烈程度取決于巖石的研磨性、鉆頭本身的材質(zhì)、破碎巖石的特點(diǎn)及所采用的鉆進(jìn)規(guī)程(鉆壓、轉(zhuǎn)速、沖洗液量)等方面。金剛石耐熱性好、抗壓強(qiáng)度高、沖擊韌性好、脆性小、表面圓滑光亮、無(wú)蝕坑及松散表層、內(nèi)部無(wú)裂紋;傳統(tǒng)的鉆頭制作精度較粗糙,易磨損,很容易開(kāi)裂,使用期較短,施工成本較高,一個(gè)鉆頭正常情況下最多能鉆 75m左右;牙輪鉆雖在制作工藝精度要求比傳統(tǒng)的嚴(yán),但磨損程度比傳統(tǒng)鉆頭要小,具有高強(qiáng)度、高彈性、高耐溫性、高耐磨性等優(yōu)點(diǎn),背錐部位堆焊采用了抗裂、抗沖擊、耐磨的新型復(fù)合材料,使用期較長(zhǎng),降低了施工成本,一個(gè)鉆頭正常情況下能鉆 200多米。

2.2.5.3 鉆壓性

傳統(tǒng)的鉆頭由于材質(zhì)上的原因,在石灰?guī)r鉆進(jìn)中不能承受較大的鉆壓,鉆壓越大磨損程度越大,轉(zhuǎn)速較低,所以鉆進(jìn)速度放慢;而牙輪鉆恰恰相反,因材質(zhì)采用復(fù)合型材質(zhì),能夠承受較大鉆壓,具有足夠的抗沖擊力硬度和抗剪強(qiáng)度,能夠充分發(fā)揮鋒利刃的作用,滿足最高的平均機(jī)械鉆速和最大的鉆頭所承受的鉆壓值,提高了施工進(jìn)度。

2.2.5.4 沖洗液量

送入孔內(nèi)的沖洗液量,主要是用于清除孔底產(chǎn)生的巖粉和冷卻鉆頭。隨著沖洗液量的增加,對(duì)孔低清除巖粉和冷卻鉆頭的能力也增強(qiáng)?？椎椎那鍧崰顟B(tài)對(duì)鉆進(jìn)影響很大,把孔底破碎后的巖屑及時(shí)沖離孔底,為連續(xù)破碎巖石新鮮面創(chuàng)造了條件,從而避免重復(fù)破碎巖屑和無(wú)意地消耗功能,同時(shí)孔底清潔也減少了鉆具的磨損和防止孔內(nèi)事故,在高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)時(shí)也能及時(shí)冷卻金剛石和胎體。傳統(tǒng)的鉆頭鉆進(jìn)時(shí)往往在孔底產(chǎn)生碎巖,壓碎程度不夠,沖洗液無(wú)法將其沖離孔底,不僅增加了鉆進(jìn)時(shí)間,而且導(dǎo)致重復(fù)破碎巖粉,不能很好地冷卻合金體,造成了鉆頭的使用成本提高;而牙輪鉆在同樣大的沖洗液流量下,能夠?qū)r石壓碎,沖出孔底接觸新鮮的巖石面,并且沖洗液能起到冷卻作用,加快了鉆進(jìn)進(jìn)尺,提高了施工進(jìn)度。

傳統(tǒng)的金剛石鉆頭一般制造成中空的,鉆孔時(shí)需要取芯,頻繁起鉆耗時(shí)費(fèi)力且?guī)r芯管消耗較大,成本也相應(yīng)增加。根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),采用傳統(tǒng)金剛石鉆頭造孔平均工效一般是 2.4m/h。全斷面合金鉆頭雖然不需要取芯,但只適用于中軟巖層鉆孔,對(duì)于地質(zhì)堅(jiān)硬巖層,合金磨損嚴(yán)重,壓力小,鉆進(jìn)速度較慢,效率低。

通過(guò)以上對(duì)比分析表明,在灰?guī)r地區(qū)采用牙輪鉆比采用傳統(tǒng)鉆頭更具優(yōu)越性,因此我分局陸續(xù)在光照水電站、沙沱水電站鉆孔施工中予以推廣。

2.3 牙輪鉆在光照和沙沱水電站中的應(yīng)用

通過(guò)在構(gòu)皮灘電站鉆孔中成功采用牙輪鉆的試驗(yàn)成果,施工單位在光照水電站、沙沱水電站普遍采用了牙輪鉆進(jìn)行鉆孔,2006～2008年,在光照水電站共完成帷幕灌漿鉆孔 6萬(wàn)余米,2008～2009年在沙沱水電站完成固結(jié)、帷幕灌漿 2萬(wàn) m,預(yù)計(jì)今年可完成帷幕灌漿 3萬(wàn)余米。

根據(jù)統(tǒng)計(jì),光照水電站帷幕灌漿造孔采用牙輪鉆后,其工效為 4.2m/h,提高率為 75%。沙沱水電站 10號(hào)壩段堵漏灌漿孔孔深 30m,采用牙輪鉆實(shí)際鉆孔工效為 4.8m/h,提高率為 100%。一般來(lái)說(shuō)隨著鉆孔深度加大,牙輪鉆的工效提高越明顯。

3 成果效益對(duì)比分析

新型牙輪鉆在鉆探領(lǐng)域中得到了空前的發(fā)展,與傳統(tǒng)鉆頭相比經(jīng)濟(jì)效益更具顯著。新型牙輪鉆鉆頭采用硬質(zhì)合金與金剛石材料相結(jié)合,對(duì)地層更具有適應(yīng)性。通過(guò)對(duì)構(gòu)皮灘、光照、沙沱三個(gè)項(xiàng)目應(yīng)用牙輪鉆的成果進(jìn)行跟蹤,總結(jié)出以下成果。

3.1 成本節(jié)余原因

牙輪鉆需要增加的成本主要是金剛石鉆頭,單個(gè)牙輪鉆消耗后,其滾輪可以再次利用,將滾輪安裝在新的金剛石鉆頭上可以重復(fù)利用。單個(gè)金剛石鉆頭價(jià)格一般為 220～230元,使用壽命一般為 200m,每米消耗 1.1元左右,按每班鉆進(jìn) 15m計(jì)算,消耗16.5元;合金滾輪單價(jià)一般在 150元左右,一個(gè)滾輪使用壽命一般為 500m,每米消耗 0.3元左右,每班鉆進(jìn) 15m消耗 4.5元。按鉆進(jìn) 1500m計(jì)算,每天平均鉆進(jìn)時(shí)間取為 6h,單臺(tái)金剛石鉆頭鉆進(jìn)需要7.5個(gè)金剛石鉆頭,成本 1650～1725元,耗時(shí) 105天。而采用牙輪鉆只增加了 3個(gè)滾輪 450元的成本,卻減少了巖芯管消耗,而且只需要 53天即可完成 1500m的鉆孔。

表1 應(yīng)用牙輪鉆節(jié)省人力、材料對(duì)比

3.2 成本節(jié)余分析

表1為三個(gè)項(xiàng)目部的牙輪鉆應(yīng)用情況。

從現(xiàn)階段三個(gè)項(xiàng)目的牙輪鉆應(yīng)用情況看,累計(jì)已節(jié)余生產(chǎn)成本 103萬(wàn)余元。新型牙輪鉆頭采用的是硬質(zhì)合金與金剛石相結(jié)合施工工藝,從硬質(zhì)合金的成分與生產(chǎn)工藝上可以看出都優(yōu)越于傳統(tǒng)鉆頭的硬質(zhì)合金,延長(zhǎng)了使用壽命,提高了工作效率,減少了施工成本;人造金剛石則是物美價(jià)廉,成本較低,其性能特點(diǎn)不僅能抗擊不同的地層巖石,而且在與硬質(zhì)合金合金相工作時(shí),使其在鉆探中相輔相成,減少摩擦從而提高使用率,比傳統(tǒng)鉆頭更具經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展,為了尋找新能源,鉆探工作尤為重要,通過(guò)鉆探可取得很好的地質(zhì)參數(shù),成為最終可靠的評(píng)價(jià)根據(jù)。通過(guò)牙輪鉆的開(kāi)發(fā)使用,能適應(yīng)不同的巖層(軟、中、硬)。通過(guò)對(duì)牙輪鉆進(jìn)行的科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明,其在施工當(dāng)中起到了很好作用,加快了施工進(jìn)度,降低了施工成本,與傳統(tǒng)的鉆頭相比,具有一定的優(yōu)越性。根據(jù)牙輪鉆的革新成果,調(diào)整牙輪鉆材質(zhì),使其不僅僅局限于灰?guī)r地區(qū),而是適用于不同的地質(zhì)巖層,是后續(xù)技術(shù)改進(jìn)的重點(diǎn)。