熱機(jī)碎巖鉆具設(shè)計與工程試驗(yàn)研究

吳景華，孫友宏

（1.成都理工大學(xué)，成都610059；2.長春工程學(xué)院勘查與測繪學(xué)院，長春130021；3.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，長春130012）

1 概述

摩擦熱—機(jī)械能聯(lián)合碎巖，簡稱熱機(jī)碎巖，是一種新型的碎巖理論與方法。它不僅解決了硬巖破碎的效率問題，而且還將機(jī)械碎巖中工具與巖石之間因摩擦而產(chǎn)生的大量摩擦熱能變廢為寶。在機(jī)械碎巖中，碎巖的同時，工具與巖石之間因摩擦而產(chǎn)生大量的摩擦熱能，過去這種摩擦熱能在碎巖過程中被認(rèn)為是有害的，它會導(dǎo)致工具發(fā)熱，若不及時將熱量帶走，將對工具產(chǎn)生熱損傷，甚至發(fā)生嚴(yán)重的孔內(nèi)燒鉆事故，因此，在碎巖過程中，常用沖洗液來冷卻工具，帶走摩擦熱能。但通過應(yīng)用熱機(jī)碎巖理論的試驗(yàn)證明，溫度的升高，使得巖石的切削阻力、磨蝕性和強(qiáng)度均大幅度降低，能大幅度提高鉆進(jìn)速度，即對碎巖效率來說這種熱能又是有益的。在金剛石鉆進(jìn)過程中，燒鉆前的一小段時間鉆進(jìn)速度會成倍提高就是這個道理。因此，摩擦熱能的存在導(dǎo)致了鉆頭壽命與碎巖效率間的矛盾，熱機(jī)碎巖鉆具及其工程試驗(yàn)研究就是針對這一矛盾展開的。

熱機(jī)碎巖原理如圖1所示，熱機(jī)碎巖鉆頭有2部分組成：一部分是摩擦元件，它的作用是與巖石摩擦產(chǎn)生熱量來弱化巖石，也可以叫摩擦塊或熱發(fā)生器；另一部分是切削元件，實(shí)際就是鉆頭的切削齒，用來切削被摩擦元件熱作用弱化后的巖石。由于大多數(shù)巖石經(jīng)過“熱處理”后的強(qiáng)度、硬度及研磨性等都有不同程度的降低，因此，較普通硬質(zhì)合金鉆頭，熱機(jī)鉆頭的鉆進(jìn)效率大幅度提高，鉆進(jìn)范圍也進(jìn)一步擴(kuò)大，可以鉆進(jìn)Ⅺ級花崗巖，鉆進(jìn)速度達(dá)到或超過金剛石鉆頭鉆進(jìn)速度甚至是金剛石鉆頭鉆進(jìn)速度的幾倍。

圖1 熱機(jī)碎巖原理

2 鉆具的設(shè)計

室內(nèi)試驗(yàn)鉆具即TM－59鉆具（模仿俄羅斯鉆具），有如下幾個不足：（1）不具有卡心裝置；（2）只適用于無級小變量泵；（3）深孔無法排除巖粉。為此筆者設(shè)計了QX－60熱機(jī)碎巖取心鉆具。由于QX－60熱機(jī)碎巖取心鉆具克服了以上不足，因此QX－60鉆具較TM－59鉆具更先進(jìn)、合理，適合于野外實(shí)鉆生產(chǎn)。鉆具原理圖如圖2所示。

圖2 QX－60熱機(jī)碎巖鉆具原理圖

3 室內(nèi)模擬分流實(shí)驗(yàn)

QX－60熱機(jī)碎巖整套鉆具應(yīng)能適合于野外工作泵的要求，因此必須解決排粉與鉆頭底部建立熱效應(yīng)的矛盾。要解決這個矛盾，必須將水量進(jìn)行分流：一部分到達(dá)孔底形成熱效應(yīng)并初步排粉，另一部分接近孔底進(jìn)行快速排除巖粉。

室內(nèi)試驗(yàn)的主要目的就是測定鉆具的分流情況。具體操作是：將QX－60鉆具的3個分水孔引出3根膠管，并將整套鉆具連接在XY－4型鉆機(jī)的主動鉆桿上，啟動BW－250型泥漿泵，測量在不同泵量下，3個分水口的分流狀況及孔底水量情況。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測量分水情況見圖3，實(shí)驗(yàn)記錄情況如表1。

圖3 室內(nèi)分流試驗(yàn)測試

表1 室內(nèi)分流測試記錄

試驗(yàn)用孔底水量應(yīng)在7～9L／min之間，因此實(shí)際野外試驗(yàn)應(yīng)選取小剛度（小直徑）彈簧。

4 野外試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)現(xiàn)場情況

試驗(yàn)工程地層為：較完整花崗閃長巖，巖石可鉆性級別為7～9級，在地下400m巷道內(nèi)成孔，孔深350m（鉆進(jìn)孔段為4～6m處）。施工主要設(shè)備：鉆機(jī)為XY－4型，鉆具為QX－60熱機(jī)取心鉆具，水泵為ZBB－2型變量泥漿泵，QX－60鉆具分水接頭彈簧直徑Ф4.5mm（為了與水泵的泵量、泵壓匹配，同時考慮到室內(nèi)試驗(yàn)的情況），鉆頭為sic配方熱機(jī)碎巖鉆頭。

4.2 試驗(yàn)記錄

（1）試驗(yàn)記錄

表2為轉(zhuǎn)速388r／min時的試驗(yàn)情況，表3為轉(zhuǎn)速574r／min的試驗(yàn)記錄；圖4為野外鉆進(jìn)現(xiàn)場，圖5為野外鉆具分流。

表2 轉(zhuǎn)速388r／min試驗(yàn)記錄

表3 轉(zhuǎn)速574r／min試驗(yàn)記錄

圖4 野外鉆進(jìn)現(xiàn)場

圖5 野外鉆具分流情況

（2）鉆進(jìn)情況

鉆頭唇面平均高度：17mm（有效耐磨高度10mm）；鉆頭平均總進(jìn)尺1.75m；平均磨損高度1.65m；初步算出鉆頭平均壽命為10.6m；鉆進(jìn)時平均最高時效為：4.5m。

5 結(jié)語

經(jīng)過初步的野外實(shí)鉆實(shí)驗(yàn)，可以得出初步結(jié)論并發(fā)現(xiàn)了一些問題。

5.1 結(jié)論

（1）QX－60鉆具工作性能好，不但能達(dá)到分流的效果，同時切削齒也會獲得相應(yīng)的壓力，鉆具工作效果好。

（2）在7～9級巖層鉆進(jìn)，水量分流適中（既能滿足排粉，又能在孔底建立熱效應(yīng)），熱機(jī)碎巖鉆進(jìn)效率高。

（3）sic配方鉆頭在巖石可鉆性為7～9級地層鉆進(jìn)，鉆頭摩擦元件和切削元件工作狀態(tài)良好，比金剛石鉆頭鉆進(jìn)效率高。

（4）鉆具卡心裝置證明效果良好。

5.2 注意解決的問題

（1）彈簧的剛度，必須與水泵泵壓相匹配，使之達(dá)到在足夠的泵壓下（滿足切削齒要求壓力），完成分流作用。

（2）鉆具應(yīng)設(shè)置可調(diào)墊片，配合彈簧使用。

（3）分流水口開口方向應(yīng)使水流向上流動，防止分流水參與孔底循環(huán)。

[1]勃拉托夫г.с.熱機(jī)取心鉆進(jìn)的科學(xué)—實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)[M].圣—彼得堡，2000：15－25.

[2]張祖培 .金剛石鉆進(jìn)技術(shù)[M].北京：地質(zhì)出版社，1993：25－30.

[3]孫友宏，李國民.鉆探試驗(yàn)技術(shù)[M].長春：長春科技大學(xué)出版社，1995：15－17.

[4]劉廣志 .金剛石鉆探手冊[M].北京：地質(zhì)出版社，1991：120－123.

[5]Г.С.勃拉托夫.熱機(jī)取心鉆進(jìn)的科學(xué)[D].圣彼得堡：圣彼得堡礦業(yè)學(xué)院，2001.5－25.

[6]張祖培.巖土鉆掘新技術(shù)[M].北京：地質(zhì)出版社，2003：40－43.

[7]吳景華.熱機(jī)碎巖鉆進(jìn)工藝試驗(yàn)研究[J].探礦工程，2008（1）：10－15.