一種新型硬巖鉆頭的研制

楊鑫 王智超

摘要：基于巖石破碎機(jī)理，針對(duì)鉆頭侵入巖層后切削巖石的實(shí)際狀態(tài)，進(jìn)行受力分析，為鉆頭工作過程中出現(xiàn)的問題提供分析依據(jù)。通過對(duì)鉆頭參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，更好的提高了鉆頭的鉆進(jìn)效率。

關(guān)鍵詞：硬巖鉆頭;鉆頭受力;鉆進(jìn)效率

隨著硬巖鉆頭的大面積應(yīng)用，出現(xiàn)了諸多形式的硬巖鉆頭，各種硬巖鉆頭在鉆進(jìn)過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)鉆進(jìn)效率低，鉆頭截齒在使用壽命內(nèi)過早脫落等現(xiàn)象，大大影響的施工進(jìn)度，本文通過對(duì)硬巖鉆頭鉆進(jìn)過程中的受力分析，找出影響鉆頭鉆進(jìn)效率和使用壽命的相關(guān)因素，為硬巖鉆頭的進(jìn)一步研究提供一定參考。

1.鉆頭的主要結(jié)構(gòu)（圖1）

硬巖鉆頭主要結(jié)構(gòu)有截齒 鉆頭體，葉片。通過對(duì)葉片和截齒進(jìn)行不同形式變化，合理組合，可以制成適合復(fù)雜土層情況的鉆頭。

2.鉆頭在工作過程中的主要受力情況及出現(xiàn)的問題

鉆頭進(jìn)入巖層后，鉆頭各部位都受到土體擠壓，受力情況復(fù)雜，這里對(duì)鉆頭頂部的截齒侵入巖石后滿足巖石破碎條件情況下的受力情況進(jìn)行分析，見圖2，其受力具有一定代表性。在垂直壓力Py的作用下，截齒與巖石接觸面間壓強(qiáng)到達(dá)或略超過巖石的壓入硬度時(shí)，巖石接觸面多處發(fā)生裂紋后發(fā)生脆性斷裂，形成大顆粒巖屑從截齒兩側(cè)崩出。

隨后，鉆頭的整體旋轉(zhuǎn)，由于截齒對(duì)巖石產(chǎn)生水平切削力Px，裂紋在巖石脆性斷裂后進(jìn)一步擴(kuò)展。在Py和Px的共同作用下，對(duì)截齒齒前的巖石產(chǎn)生剪切作用，當(dāng)一個(gè)大剪切結(jié)束后，截齒所受到的巖石切削阻力迅速降低，截齒在不斷的旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中，截齒尖端不斷發(fā)生小體積剪切。經(jīng)過一段時(shí)間小體積剪切后，巖屑與截齒的接觸面積不斷增大，在當(dāng)齒尖與巖石充分接觸時(shí)，再一次發(fā)生大剪切。這是巖石高效率破碎的狀態(tài)下，有軸壓Py作用下硬巖鉆頭的主要受力情況。

總之，鉆頭刃侵入巖石，壓強(qiáng)達(dá)到某一臨界值時(shí)，巖石突然發(fā)生崩落，鉆頭會(huì)有突然的躍進(jìn)，鉆頭所受會(huì)壓強(qiáng)瞬間下降，隨后壓強(qiáng)又會(huì)增加到某一臨界值。

鉆機(jī)工作中會(huì)出現(xiàn)鉆頭鉆進(jìn)緩慢切削齒嚴(yán)重?fù)p壞的現(xiàn)象。排除人為操作出現(xiàn)上述問題，從受力情況分析，在壓力Py較小的情況下，硬巖鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，此時(shí)鉆頭與巖石主要進(jìn)行摩擦運(yùn)動(dòng)，而Py垂直壓力小于巖石極限強(qiáng)度，出現(xiàn)鉆頭鉆進(jìn)緩慢而切削齒由于劇烈摩擦運(yùn)動(dòng)而損壞，此時(shí)如果操作不當(dāng)，就會(huì)出現(xiàn)憋鉆卡鉆現(xiàn)象。

3.鉆頭各參數(shù)優(yōu)化

用于樁基礎(chǔ)施工中的鉆頭對(duì)巖層的破碎能力，主要取決于鉆頭形狀、鉆頭上截齒的排布狀態(tài)，成樁成孔設(shè)備施加在鉆頭上的垂直壓力Py。

3.1 鉆頭上截齒的分布情況

截齒入巖后，相鄰截齒間會(huì)產(chǎn)生各自的自由面。鉆頭受Py作用力向下鉆進(jìn)中，鉆頭上各部位的截齒，以鉆頭軸線為中心成圓周運(yùn)動(dòng)，會(huì)為相鄰截齒創(chuàng)造自由面，Brych 的試驗(yàn)對(duì)硬巖鉆頭的布齒很有參考價(jià)值，對(duì)于中強(qiáng)風(fēng)化鉆頭而言，相鄰截齒在鉆頭上的排布間隔距離為10cm～12cm為宜。

此外，需要注意位于鉆頭葉片頂端的截齒，在鉆進(jìn)過程中，先接觸巖層，對(duì)巖石進(jìn)行剪切鉆進(jìn)，受力較鉆頭葉片末端的截齒受力更大一些，所以頂端截齒與葉片焊接強(qiáng)度，以及截齒與葉片的角度要有嚴(yán)格的限制。通常，葉片頂端會(huì)有相應(yīng)的加固措施，防止由于截齒所受切削力過大，造成相應(yīng)位置的葉片變形或開裂。

3.2 鉆頭上截齒與葉片間的角度

鉆頭上截齒入巖角度過大或過小都會(huì)影響鉆頭鉆進(jìn)效率，截齒入巖后的角度合理的情況下，結(jié)合一定的軸向壓力，會(huì)大大提高鉆頭破碎巖石的能力。從鉆頭主要針對(duì)于中強(qiáng)風(fēng)化硬巖設(shè)計(jì)考慮，針對(duì)截齒在葉片上的排布的位置，進(jìn)行了一系列的鉆進(jìn)試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐，獲得的大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，將截齒與葉片間的角度設(shè)定為45°～65°不等，以保證在相同軸向加壓力的情況下，與周圍巖石接觸的截齒面積盡可能小，增大接觸壓強(qiáng)，利于鉆頭進(jìn)入高效破碎巖石狀態(tài)。

3.3 鉆頭優(yōu)化后的鉆進(jìn)效果

鉆頭使用情況：該硬巖鉆頭配合動(dòng)力頭具有一定加壓力的長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)使用，在遼寧凌源市某小區(qū)1～5號(hào)樓進(jìn)行施工，施工樁徑為φ800，φ1000，φ1200，其單樁豎向抗壓承載力特征值分別為2250kpa，3250kpa，4500kpa ，滿足樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求，樁端持力層強(qiáng)風(fēng)化安山巖入巖深度不小于3倍樁徑。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考察結(jié)果，鉆進(jìn)效率優(yōu)于同時(shí)作業(yè)的旋挖鉆機(jī)。

4.硬巖鉆頭開發(fā)的建議

4.1選用高質(zhì)量的硬巖鉆頭

一方面選擇高耐磨性，高強(qiáng)度的截齒，另一方面根據(jù)鉆進(jìn)地層的實(shí)際情況定制所需鉆頭結(jié)構(gòu)或改善現(xiàn)有的鉆頭結(jié)構(gòu)，以便更好的切削巖石和利于截齒間排屑，結(jié)合鉆頭截齒分布技術(shù)，設(shè)計(jì)制造出適合中硬及較硬巖層的鉆頭。

4.2研究新型的截齒與PDC復(fù)合片復(fù)合型鉆頭

采用新型的制造結(jié)構(gòu)制作硬巖鉆頭，可以考慮截齒與PDC混合布置于鉆頭上的設(shè)計(jì)思路。截齒合理排布于鉆頭最易磨損部位，將PDC復(fù)合片布置于鉆頭葉片主要切削部位，既有利于鉆頭及時(shí)修復(fù)與部件更換，又增加了鉆頭整體使用壽命，使鉆頭鉆進(jìn)過程中具有較高的鉆進(jìn)速率和較小的磨損量。

參考文獻(xiàn)：

[1]BRYCH J. Rock Mechanics for Underground Coal Gasification [ C ] / / National Technical Information Service. Proceeding s of the 12th Annual Underground Coal Gasificatio n Sympo -sium. Washing ton DC： U. S. Department of Commerce， 1986： 188 - 195.

[2]徐小荷，余靜.巖石破碎學(xué)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1984.