入岩旋挖钻机主机应具备的基本条件:

岩石中能量耗散规律和动态断裂准则明确指出:“当加载能量小于某一门槛值时,其加载能量完全不参与裂纹扩展,全部为无用耗散能量;当加载能量达到动态断裂准则时,岩石动态破坏,无功耗散能量大约为15%。”以这一理论为出发点,入岩旋挖钻机必须具备大的加压能力和大的动力头功率(大扭矩和高转速)。首先,岩石岩石在大加压力作用下,可实现岩石节理的贯通和裂纹形成,内聚力消失从而只克服摩擦力就能从岩体上分离;可实现小岩体在压力作用下被挤压向自由面,裂纹扩展到自由面,小岩体被剪断从岩体上分离;也可实现RQD大于75的完整岩石在碾压作用下形成岩屑。只有完整的岩石被变为碎块和碎屑,才能实现钻进。其次,大扭矩和高转速的液压动力头是实现冲击作业的必要条件。在钻头截齿切削轨道上,截齿撞击凸起的岩体,动力头被减速,当截齿越过凸起的岩体转速加快冲向新的凸出岩体,在高速、低速的转化中岩体不断被撞击,高速与低速间速度差越大,凸出岩体得到的冲击越大,只有大扭矩和高转速的液压动力头才能增大高速与低速间速度差,对于旋挖钻机(功率较小的破岩机械)入岩而言,冲击能有效的制造出一些大的载荷从而越过岩石脆性断裂或塑性屈服的“门槛值”,旋挖钻机要入岩必须实现冲击过程。从入岩工况看,必须提高设备自身抗振动能力。入岩作业中的振动来源是钻头与岩石间的相互作用、钻杆弯曲变形、钻头偏心、钻具质量分布不均等。钻压在增压、减压、浮动模式下连续循环,这一循环是操作者控制的,其频率大约为0.10~0.3Hz,这也是入岩钻进的振源之一。其次,入岩作业中某一个或几个钻齿不断撞击凸起的岩石形成不规律的“刹车”现象,钻具转速越高、岩石凹凸不平越多“刹车”频次越高,这一振动有时频率很高,而且振动的激励、叠加和衰竭规律性也很差。从以上振动来源看,无法通过主动振动来抵消被迫振动造成的对设备的损坏,必须提高设备自身抗振动能力。

从岩石破碎的脆性断裂或塑性屈服的“门槛值”看,要求必须给岩石施加足够的力。这就要求入岩旋挖钻机必须有足够的重量,以实现钻机大加压能力。总之,大加压力、动力头大功率和钻机必须有足够的自重,是入岩对旋挖钻机设备本身最基本的要求。

旋挖能入岩是依靠冲击作用实现的:    

从入岩钻进中对岩石作用力的方式看,各种钻机都力求实现对岩石的冲击作用,因为冲击使设备输出的力远远超出静力输出。例如潜孔锤是通过冲击器直接冲击岩石;反循环钻进中牙轮滚刀、楔形滚刀等是通过滚刀上各个点回转半径不同实现自转过程对岩石的冲击。

旋挖钻机入岩作业是通过控制钻压来实现对岩石冲击的。钻压在图二所示的模式下连续循环浮动、增压、减压三个节拍。增压时钻头转动阻力增大而减速,减压时钻头转动阻力减小而加速,从动量、冲量转化方程可知速度变化越大,变化时间越短对岩石的冲击力越大。通过冲击,有效解决了钻机对岩石作用力不足,难以超越破碎岩石最低载荷值问题。通过对岩石的冲击也有利于自由面的形成。钻头连续转动中,刀头间歇地冲击岩石,结果在刀具运行方向上不断形成凹凸不平,旧的凸起被破坏后又形成新的凸起。这些凹凸不平是钻进的自由面,无论是大自由面还是小自由面都有利于岩石受载荷(特别是受冲击载荷)后变形从整块岩体上剥离形成岩屑,从而增加了钻进效率。钻机大的加压能力和大的动力头功率是实现入岩的设备条件,将设备能力转化为有效破岩能力必须经过脉冲加压操作方式的合理配合。从图二“入岩钻进的合理加压模式”看,旋挖钻机入岩加压模式为动、静载联合作用,静载可以提高冲击动载的作用力峰值。静载还可以将钻齿压在孔底岩石上,使动载作用直接传递到岩石,减少功率传递损失和弹性碰撞的功率损失。动载有利于使对岩石的作用载荷超越一个门槛值。


入岩能力和加压模式的有效传递及钻杆的要求:

旋挖钻机入岩钻进中,设备的扭矩和加压力以及加压模式在岩石上的体现是通过钻杆传递的,钻杆在主机能力及对岩石作用方式的传递上起至关重要的作用。为了实现对岩石的冲击作用,操作人员必须控制加压装置对钻杆进行加压、减压、浮动的循环操作,以使岩石受到冲击。如果这种脉冲式的加压力在传递过程中被结构的弹性变形吸收,岩石就得不到有效的冲击。本次试验中为单节钻杆,这有利于传递可控钻压,图二为合理的入岩加压模式,压力在大小循环中可能通过多层杆的传递被衰减,多层钻杆传递压力模式问题需重点考虑,钻杆层数越少越有利于钻机对岩石冲击作用的形成,在多层钻杆未完全伸出时,钻杆缓冲弹簧刚性越大越有利于脉冲钻压的传递。脉冲钻压峰值点过大的钻压会使钻杆局部发生失稳变形或因失稳某一局部反复承受径向交变载荷发生疲劳断裂。因此,钻杆管体要加厚,以增强径向变形抗力;材料弹性要加大,以增强在交变载荷下抗疲劳能力。

入岩作业中钻头必须得到重点关注:

在岩石的力学性能中,抗压能力最强,抗拉伸、剪切、弯曲能力差得多,而地下钻孔作业机具受作业空间限制很难直接对岩石进行直接的拉伸、剪切、弯曲。这就需要通过钻头将设备提供的压力和扭矩转化为对岩石的拉伸、剪切、弯曲。要使钻头有效钻进岩层,应从以下5个方面解决问题。

1、钻头结构与布齿:   


钻头结构与布齿决定能钻出什么形状的自由面、自由面的大小、自由面多少。从下图四、图五、图六可以看出,钻头前期钻进为后期钻进提供了自由面。


先期钻进的钻头为下一个钻进的钻头制造了岩体破碎的自由面。岩体受力后,无拘束的自由面为小岩块运行提供了空间,从图四看刀具上的压力已被转化成剪切力、拉伸力或弯矩,岩体在这些力的作用下从大岩体上剥离。两种以上的钻头交替作业能互相提供自由面(如图六),使钻进效率大大提高,从而提高了破岩能力,降低了对主机过大的功率需求。对入岩而言,不同的岩层性质要有针对性地配用钻头,钻头的结构、钻头上刀具的形状(截齿、斗齿等)和布置(疏密、空间角度)要根据岩体强度、节理的发育程度、节理的倾斜角、孔隙比、结构间距、岩体抗剪强度的内聚力和摩擦角等 岩石性质针对性设置,万能作业钻头是不存在的。

2、岩屑的运动    


岩屑对钻头在孔内钻进有阻碍作用,岩屑的阻力小,设备能力用于做有效功。用螺旋钻头、嵌岩筒钻、捞渣斗等钻头配合钻孔中,一般运用螺旋输送原理输送和引导渣屑运动和排出。渣屑流动顺畅的钻头钻进较省力。


3、齿的失效形式    


齿是直接作用于岩石的刀具,在使用中主要失效形式大致有四种:其一,摩擦热过大,齿与岩层接触面逐层软化(甚至熔化)被岩石挤压、摩擦发生流动;其二,耐磨性差;其三,一个钻头上同时作业的钻齿少而超负荷作业;其四,冲击载荷过大断齿。其它还有硬质合金过软、硬质合金与胎体焊接不合格等。过热软化而失效的截齿属于胎体材料热强性差;胎体上出现大的犁沟,说明胎体硬度远低于磨料硬度;硬质合金出现可见的犁沟,为硬质合金太软;硬质合金脱落原因为钎焊质量差;少数齿超负荷作业为钻头布齿不规矩。目前,齿失效最大原因是齿质量太差,首先是专业厂家生产的截齿在市场上占有率低,非专业厂家基本不了解什么性能的齿能满足使用要求;其次,用户买齿时图便宜,不考虑性价比。

4、几种钻头的配合使用    


几种钻头的配合使用的目的在于交互提供利于岩石破碎的自由面,将岩石破碎后,再把破碎了的岩石取出。这就涉及二个问题,第一,钻头的结构交互提供利于岩石破碎的自由面的可能性;第二,每种钻具钻进深度的掌握。用旋挖钻头入岩最常用的钻头配合模式有适合硬岩(15≤Ra≤200MPa)的模式:锥螺旋钻头+嵌岩筒钻+硬岩捞砂斗+其它工具(如大块石打捞钻头)和适合软岩(5≤Ra≤20MPa)的模式:平头螺旋钻头+硬岩捞砂斗。还有旋挖钻机配反循环工法和旋挖钻机配大口径气动潜孔锤工法等,但这二种工法均不能体现旋挖钻机的优势,在此不多说明。

5、如何捞取大块岩石


用钻杆带钻头直接捞取孔内脱落的大块石是旋挖工法中捞取大块岩石的最有效办法。操作者要会感知大块岩石已经从岩体上脱落,大块岩石从岩体上脱落后还要根据岩石的特性判断是破碎后捞渣还是整体打捞。现在市场上缺少从孔内整体打捞大块岩石工具。但必须解决在深孔捞取大块岩石问题,大块岩石不能捞出钻进就无法继续进行。

必须力求减少因振动造成的设备损坏和事故发生

在“入岩旋挖钻机主机应具备的基本条件”中阐述了设备振动的成因,振动危害如下:

设备结构在振动作用下应力循环加速,结构出现过早疲劳失效。

因为振动方向的不确定性,钻机结构受载更为复杂,在结构内部形成过多的三轴力,设备更容易被破坏。

由于振动的激励、叠加和衰竭使很多结构从受静载荷变为动载荷,而且大多为冲击载荷,对设备提出了更高的要求。

加速了组织缺陷的发育和成长,如焊接微裂纹和热影响区硬化区软化区的过渡层、材料的内部缺陷、热处理微缺陷等都会从振动中吸收能量得到发育和成长等。

为了减少因振动造成的设备损坏和事故发生,应从以下几点设计生长适合入岩旋挖钻机:

①从动载和疲劳的角度来计算结构可靠性。

②严格选择材料,选用适合的加工工艺并严格执行。

③减少容易在振动中失效结构(如:螺接)的应用。

对用入岩旋挖钻机施工提出的几点建议:

>>>>刀具的有效使用寿命是影响钻进效率和经济性的最重要因素,必须选用合格的截齿(或斗齿)。

>>>>

要选择与工程配套性良好的一种钻杆和几种钻头。

>>>>

钻进岩性不同的地质要采取不同的操作手法。

>>>>

控制每次钻进的深度、掌握清渣方法和时机、刀具的冷却等。

>>>>

岩层的钻进效率是土层的1/20~1/5,设备与工具损耗也比土层大得多,要选择工程造价合理的工程。

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