巖心鉆探鉆進方法4-沖擊回轉(zhuǎn)鉆進

2023/1/31工程鉆探11沖擊回轉(zhuǎn)鉆進工藝原理2常用沖擊器分類、結(jié)構(gòu)及工作原理3沖擊回轉(zhuǎn)鉆進用鉆頭4沖擊回轉(zhuǎn)鉆進規(guī)程5沖擊回轉(zhuǎn)鉆進應(yīng)用范圍巖心鉆探鉆進方法4-沖擊回轉(zhuǎn)鉆進2023/1/31工程鉆探2●最早的雛形為手持釬桿人工錘擊鑿巖，嗣后發(fā)展為在回轉(zhuǎn)鉆進基礎(chǔ)上增加沖擊器，形成以縱向沖擊和回轉(zhuǎn)切削共同破碎巖石的鉆進方法。●目前有兩大類沖擊回轉(zhuǎn)鉆進機構(gòu)：頂驅(qū)式和潛孔式。●潛孔式?jīng)_擊回轉(zhuǎn)鉆進的核心器具是沖擊器，根據(jù)驅(qū)動介質(zhì)類型可分為液動沖擊器、氣動沖擊器、機械沖擊器等?！褚簞記_擊器以高壓水或泥漿作為驅(qū)動介質(zhì)。1887年就獲得專利，但實際到20世紀50年代，前蘇聯(lián)和中國才開始研究并在地質(zhì)取心鉆探中廣泛采用。●氣動沖擊器也稱為風動潛孔錘，是用壓縮空氣作為驅(qū)動介質(zhì)，多用于全面鉆進。2023/1/31工程鉆探31沖擊回轉(zhuǎn)鉆進工藝原理

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進是鉆頭在靜壓作用下進行回轉(zhuǎn)，同時施加縱向沖擊動載，從而形成以回轉(zhuǎn)切削和縱向沖擊相結(jié)合的碎巖鉆進方法。1.定義：

一些沖擊鉆進（如鋼繩沖擊鉆進）中雖然有孔內(nèi)鉆具或鉆頭的回轉(zhuǎn)，但未主動施加回轉(zhuǎn)外載荷，只是變換沖擊位置。所以將其劃分為純粹的沖擊鉆進。鋼粒、硬合金和金剛石鉆進中，也會因各種原因產(chǎn)生振動，但未主動施加沖擊外載，所以是純粹的回轉(zhuǎn)鉆進。2023/1/31工程鉆探42.與沖擊回轉(zhuǎn)鉆進有關(guān)的巖石破碎機理研究結(jié)論①沖擊動載作用下巖石易產(chǎn)生大剪切破碎，這對硬巖（特別是粗顆粒硬巖）效果更為明顯；②在有一定預壓下沖擊破碎巖石，巖石的強度要降低50—80%；實驗證明，對同種巖石，沖擊載荷破碎的坑穴遠大于靜壓載荷破碎的坑穴。這可用巖石的剪切強度只是抗壓強度的1/6—1/12進行解釋。實驗證明，同樣是沖擊破碎巖石，有預壓條件比無預壓條件的強度要低的多。2023/1/31工程鉆探5④切削具在動載作用時與巖石接觸時間短，磨損小。③巖石在動載作用下脆性增加，有利于裂隙發(fā)育和脆性破碎；實驗證明，靜載作用下不產(chǎn)生破碎坑穴的巖石，如孔隙性石灰?guī)r，在動載作用下產(chǎn)生了破碎坑穴，說明巖石脆性增加。⑤巖石在動載下強度、硬度和破碎比功都增加。磨損量與摩擦功成正比，摩擦功與摩擦時間成正比，所以，摩擦時間越長，磨損量越大。大量試驗證明，巖石的動硬度高于靜硬度。2023/1/31工程鉆探63.

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進碎巖過程圖(a)：靜壓回轉(zhuǎn)鉆進。鉆頭在靜壓和回轉(zhuǎn)兩種外力作用下向下螺旋鉆進。圖(b)：沖擊鉆進。鉆頭在唯一沖擊力作用下上下運動。圖(c)：沖擊回轉(zhuǎn)鉆進。鉆頭在靜壓力、回轉(zhuǎn)扭矩和沖擊力三種外載共同作用下向下螺旋鉆進。最優(yōu)沖擊夾角2023/1/31工程鉆探7◆在堅硬、脆性的巖石中鉆進，巖石破碎主要是沖擊力的結(jié)果。4.在不同巖石中的破碎機理

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進鉆遇巖石性質(zhì)不同時，靜壓力、回轉(zhuǎn)扭矩和沖擊力三種外載荷在碎巖過程中發(fā)揮的作用不同。

靜壓力因為不可能達到壓入破碎巖石的應(yīng)力要求，所以，它主要的作用是克服沖擊反彈，保證沖擊能量的傳遞?；剞D(zhuǎn)扭矩所起的作用是將裂隙發(fā)育的巖石剪切掉，同時變換切削具的沖擊位置。2023/1/31工程鉆探8◆在中硬、塑性的巖石中鉆進，巖石破碎主要是靜壓力和回轉(zhuǎn)扭矩的結(jié)果。

在塑性巖石中鉆進，因為沖擊器的沖擊能量大部分被巖石塑性變形所吸收，所以，它不可能對巖石破碎起到主要作用。這時靜壓力使切削具吃入巖石，回轉(zhuǎn)扭矩使切削具剪切巖石，沖擊力只起到促進巖石裂隙發(fā)育、脆性增加的輔助碎巖效果。2023/1/31工程鉆探9

由于在兩類巖石中三種外載荷各自發(fā)揮的作用不同，決定了在兩類巖石鉆進中所用的規(guī)程參數(shù)不同。

在堅硬、脆性的巖石中鉆進：要注重發(fā)揮沖擊器的作用，并且注意回轉(zhuǎn)速度與沖擊頻率和沖擊功的配合，將其控制在兩次沖擊之間的夾角上。在中硬、塑性的巖石中鉆進:對沖擊頻率和沖擊功的要求不高，主要是應(yīng)將鉆壓加得足夠，保證切削具吃入巖石的深度足夠。此時，對轉(zhuǎn)速的控制就并不要求合理的沖擊夾角了?！魞深惒煌瑤r石中的不同破碎機理，決定了采用的工藝規(guī)程參數(shù)應(yīng)當不同。2023/1/31工程鉆探107.2

常用沖擊器分類、結(jié)構(gòu)及工作原理

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進的縱向沖擊動載是由安裝在靠近鉆頭的專門的沖擊器產(chǎn)生的，根據(jù)沖擊器的驅(qū)動方式，一般將沖擊器分為以下幾類：7.2.1沖擊器分類②氣動沖擊器——以壓縮空氣為動力介質(zhì)。這類沖擊器習慣稱為“潛孔錘”，在全面鉆進鉆孔施工中使用最多，如錨固孔施工。①液動沖擊器——以高壓液體（水或泥漿）為動力介質(zhì)。這類沖擊器在我國巖心鉆探中使用最多。2023/1/31工程鉆探11③機械沖擊器——利用某種機械運動使沖錘上下運動。這類沖擊器一般采用端面牙嵌機構(gòu)、凸輪機構(gòu)等將鉆具的回轉(zhuǎn)運動變?yōu)榭v向沖擊運動。受工作原理和材料強度的影響，壽命一直未能取得較大突破，故目前還未大量進入生產(chǎn)使用。④其它沖擊器——如電磁、電機、渦輪等，未見實用。2023/1/31工程鉆探127.2.2常用液動沖擊器結(jié)構(gòu)及工作原理液動沖擊器無閥式射流式有閥式正作用反作用雙作用射吸式2023/1/31工程鉆探13①正作用液動沖擊器圖7.1正作用液動沖擊器

1-外殼；2-活閥座墊圈；3-閥簧；

4-活閥；5-沖錘活塞；6-錘簧；

7-鐵砧；8-緩沖墊圈；9-閥座

結(jié)構(gòu)：如圖所示。工作原理：以液體壓力推動沖錘下行進行沖擊，以彈簧作用力復位。特點：結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟。沖錘活塞向下作功時，可利用高壓室中巨大的水錘能量；但復位彈簧的反作用力將抵消相當大的沖擊力。7.2.2.1閥式液動沖擊器2023/1/31工程鉆探14結(jié)構(gòu)：如圖所示。工作原理：利用高壓液流的壓力推動沖錘活塞上行，并壓縮工作彈簧儲存能量，經(jīng)彈簧釋能而作功。特點：結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，由于被壓縮彈簧釋放出的能量與沖錘活塞自重同時作用，故可獲得較大的單次沖擊功，沖擊器內(nèi)部壓力損失小，能量利用率高。但工作彈簧的工作壽命只有40～100h。

②反作用液動沖擊器

圖7.2反作用液動沖擊器

1-工作彈簧；2-外殼；

3-沖錘活塞；4-鐵砧2023/1/31工程鉆探15結(jié)構(gòu)：如圖所示。工作原理：沖錘活塞正沖程和反沖程均由液體壓力推動。特點：結(jié)構(gòu)較復雜。采用差動運動方式，必須有既滑動又隔壓的密封件，以使沖擊器內(nèi)部能形成一個壓力差，在鐵砧部位設(shè)有"節(jié)流環(huán)"、"下閥"等元件，在與沖錘活塞中間部位和活閥上部對應(yīng)的外殼處設(shè)有"呼吸道"。從理論上講，該沖擊器的液流功率恢復較高。③雙作用液動沖擊器圖7.3雙作用液動沖擊器

1-帶孔的活閥座;2-活閥;3-外套;4-支撐座;5-導向密封件;6-塔形沖錘活塞;7-導向密封件;8-節(jié)流環(huán);9-砧子2023/1/31工程鉆探167.2.2.2無閥式液動沖擊器①射流式液動沖擊器

圖7.4射流沖擊器結(jié)構(gòu)圖

1-上接頭;2-射流元件;3-缸體;4-活塞;5-沖錘;6-外缸;7-砧子;8-花鍵套;9-下接頭

結(jié)構(gòu)：如圖所示。工作原理：由我國獨創(chuàng)的采用雙穩(wěn)射流元件作為控制機構(gòu)、沖錘活塞正、反沖程均由高壓液體推動的新型鉆具。特點：結(jié)構(gòu)較簡單，除活塞與沖錘外無其他運動零件，也無彈簧、配水活閥等易損零件，因而鉆具工作可靠，使用壽命長；沖錘向下沖擊砧子時，沒有自由行程階段和彈簧對沖擊力的抵消作用，因而沖擊器能量利用率高；能適用于高溫高壓條件下的深井作業(yè)。缺點是對沖洗液雜質(zhì)含量要求高，否則射流原件易堵塞。2023/1/31工程鉆探17③射吸式液動沖擊器

結(jié)構(gòu)：如圖所示。工作原理：由我國獨創(chuàng)的利用高壓液流噴射時的卷吸作用，使沖錘活塞的上下腔產(chǎn)生交變壓力差推動沖錘活塞往復運動實現(xiàn)沖擊作用的新型鉆具。特點：結(jié)構(gòu)簡單，運動部件及易損件少，液流在腔體內(nèi)暢通性較好，適于小口徑鉆進。圖7.6射吸式?jīng)_擊器

1-噴嘴;2-上腔;3-沖錘活塞;4-活塞套;5-外殼;6-下腔;7-砧子2023/1/31工程鉆探187.2.3常用氣動沖擊器結(jié)構(gòu)及工作原理

氣動沖擊器以氣體做為工作介質(zhì)，習慣稱為潛孔錘。潛孔錘也可根據(jù)配氣方式分為有閥式和無閥式兩類，下面分別介紹它們的結(jié)構(gòu)和工作原理。①有閥式潛孔錘結(jié)構(gòu)：如圖所示。工作原理：由配氣機構(gòu)的閥片控制高壓氣體推動沖錘活塞上、下運動實現(xiàn)沖擊。特點：結(jié)構(gòu)比較復雜，加工要求較高，但排除巖粉的效果較好，故可降低鉆頭的磨耗和提高鉆進效率。圖7.7J200B型潛孔錘1-接頭;2-鋼墊圈;3-調(diào)整圈;4-碟簧;5-節(jié)流塞;6-閥蓋;7-閥片;8-閥座;9-活塞;10-外殼;11-內(nèi)缸;12-襯套;13-柱銷;14-彈簧;15-卡釬套;16-鋼絲;17-圓鍵;

18-密封圈;19-止逆塞;20-彈簧;21-磨損片;22-配氣桿;23-鉆頭2023/1/31工程鉆探19結(jié)構(gòu)：如圖所示。工作原理：該類潛孔錘控制活塞往復運動的配氣系統(tǒng)布置在活塞或氣缸壁上，當活塞運動時，自動進行配氣。特點：利用壓氣的膨脹功，推動活塞繼續(xù)運動，從而減少了動力氣的消耗；取消了復雜的配氣機構(gòu)，代之以簡單的配氣氣路，氣道路程短，氣壓損失小。②無閥式潛孔錘圖7.8W200型無閥潛孔錘1-上接頭；2-密封圈；3-彈簧；4-止逆塞；5-墊圈；6-密封墊圈；

7-進氣座；8-內(nèi)缸；9-外缸；10-節(jié)流塞；11-活塞；12-隔套；

13-導向套；14-圓鍵；15-下接頭；16-鉆頭2023/1/31工程鉆探20①鉆頭鋼體

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進鉆頭在結(jié)構(gòu)設(shè)計上與回轉(zhuǎn)鉆進用鉆頭類似，只是沖擊回轉(zhuǎn)鉆進鉆頭的受力比回轉(zhuǎn)鉆進復雜，強度要求高，故在鉆頭和切削具耐沖擊的性能上進行了提高。7.3沖擊回轉(zhuǎn)鉆進用鉆頭圖7.9HCT型硬質(zhì)合金鉆頭結(jié)構(gòu)圖

材料：40Cr和40CrNi合金結(jié)構(gòu)鋼，韌性好于回轉(zhuǎn)鉆進鉆頭用的45號中碳鋼。

壁厚：厚度10—14mm，比回轉(zhuǎn)鉆進鉆頭8—10mm強度提高，切削具的焊接牢固性亦提高。

形狀：一般做成多邊形以增加外環(huán)過水面積，可減少背壓和提高排粉速度。

螺紋：為與回轉(zhuǎn)鉆進鉆頭保持互換性，一般做成一樣，只在沖擊功大于100焦耳后，才采用特殊螺紋。普通沖擊器沖擊功一般15~70焦耳。2023/1/31工程鉆探21②硬合金

材料：為提高耐沖擊韌性，沖擊回轉(zhuǎn)鉆進鉆頭采用含鈷量高的硬合金切削具，如YG15或YG13c。雖然耐磨性能有所降低，但切削具與巖石接觸時間短，回轉(zhuǎn)速度也低，故對鉆頭耐磨壽命影響不大。形狀及尺寸：一般采用截面尺寸較大的八角不對稱柱狀硬合金。圖7.10硬質(zhì)合金柱齒外型圖

(a)-楔形齒(K30型);(b)-半球型齒(K40型);(c)-錐球齒(K41型)2023/1/31工程鉆探22③硬合金切削具的數(shù)量、排列、出刃▲與回轉(zhuǎn)取心鉆進鉆頭相比，由于硬合金尺寸增大，其數(shù)量一般就要減少；▲排列方式與回轉(zhuǎn)取心鉆進鉆頭基本相同，但一般不用深度或?qū)挾忍筒?；▲與回轉(zhuǎn)取心鉆進鉆頭相比，由于沖擊回轉(zhuǎn)鉆進吃入巖石更深，所以出刃更大；▲液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進使用的沖洗液量大，故水口也大。2023/1/31工程鉆探23潛孔錘全面鉆進潛孔錘鉆頭2023/1/31工程鉆探247.4沖擊回轉(zhuǎn)鉆進規(guī)程①鉆壓P

對不同類型巖石，采用不同的鉆壓參數(shù)。中硬以上巖石脆性大，鉆壓的主要作用不是碎巖，而是保持切削刃緊貼巖石，保證沖擊反彈不大，所以鉆壓不宜大。中硬以下巖石塑性為主，鉆壓的主要作用是切入巖石碎巖，鉆壓宜大。7.4.1液動沖擊器鉆進規(guī)程2023/1/31工程鉆探25②轉(zhuǎn)速n

硬巖主要靠沖擊，轉(zhuǎn)速要低，高了只會增加磨損。軟巖主要靠剪切切削，轉(zhuǎn)速可高一點。金剛石鉆頭出刃小，沖擊作用主要是小沖擊功的促進裂隙發(fā)育，鉆進還得靠磨削，轉(zhuǎn)速要高。如用孕鑲金剛石鉆頭進行沖擊回轉(zhuǎn)鉆進時，應(yīng)開高轉(zhuǎn)速，一般在500～700r/min。2023/1/31工程鉆探26③沖洗液量Q

其功用不但要冷卻鉆頭、排除巖粉，更重要的是為沖擊器提供能量。所以，沖洗液量主要以沖擊器的需要確定。液動沖擊器的沖洗液流量和壓力直接影響沖擊器的工作性能——沖擊功與沖擊頻率。因此，液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進的泵量要遠大于普通回轉(zhuǎn)鉆進，并且，泵壓也要高得多。2023/1/31工程鉆探277.4.2潛孔錘鉆進規(guī)程①鉆壓P

鉆壓能使巖石內(nèi)部形成預加應(yīng)力，同時改善沖擊能量的傳遞條件。但是，隨著鉆壓的增加，切削刃的單位進尺磨損量也增加，故為了減少切削刃的磨損，鉆壓不能過大，但又必須克服潛孔錘的反彈力。目前，潛孔錘鉆進大都使用全面鉆頭，其沖擊功都比較大，鉆壓對碎巖的影響較小。據(jù)前蘇聯(lián)資料報導，其鉆壓為液動沖擊器鉆進時的1/3就可獲得較好的鉆進效果。2023/1/31工程鉆探28②轉(zhuǎn)速n

潛孔錘和液動沖擊器鉆進選擇轉(zhuǎn)速的方法相同。

對于硬質(zhì)合金潛孔錘鉆進，回轉(zhuǎn)的目的僅是為了改變硬質(zhì)合金切削刃破巖的位置，合理的轉(zhuǎn)速主要根據(jù)最優(yōu)沖擊間隔來確定。

若回轉(zhuǎn)速度過慢時，切削刃將打入先前沖擊過的坑穴中，從而引起鉆頭回轉(zhuǎn)受阻，使鉆進效率降低。若回轉(zhuǎn)速度過快，鉆速不會增加，卻會導致切削刃過早磨損。所以，轉(zhuǎn)速是否合理將直接影響鉆速和鉆頭壽命。

式中：D--鉆頭平均直徑，mm；δ--最優(yōu)沖擊間隔，mm；f--沖擊器沖擊頻率，Hz；m--鉆頭的最優(yōu)沖擊頻率，Hz；n--轉(zhuǎn)數(shù)，r/min。

如對于J-200型及W-200型風動潛孔錘鉆進，轉(zhuǎn)速一般在15～30r/min范圍內(nèi)較為合理。(r/min)(6-1)2023/1/31工程鉆探29③沖洗介質(zhì)（空氣）的流量和壓力

在潛孔錘鉆進中，因鉆速快，單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的巖屑量大且?guī)r屑重，故需比普通空氣鉆進大的風量才能使井底干凈。此外，潛孔錘本身也需要一定的額定風量才能正常工作。具體風量應(yīng)根據(jù)潛孔錘對風量的要求和鉆孔環(huán)狀上返風速計算來定，選擇其大者。上返風速：取心鉆進v=10～15m/s；無巖心鉆進v=20～25m/s。從潛孔錘工作要求來看，工作風壓要大于上、下配氣室的壓差，潛孔錘活塞才能作上下往復運動。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的潛孔錘有兩種：低壓潛孔錘，所需風壓是0.5～0.7MPa；高壓潛孔錘，所需風壓為0.8～1.1MPa。鉆進時，還需加上隨著鉆孔深度增加而帶來的沿程壓降(0.0015MPa/m)和克服水位以下的水柱壓力。

2023/1/31工程鉆探307.5沖擊回轉(zhuǎn)鉆進應(yīng)用范圍最適用于6—9級中硬至堅硬的粗粒不均質(zhì)巖石地層。

目前：液動沖擊器適用地層條件最廣；氣動沖擊器次之；機械式?jīng)_擊器不受地下水的條件限制。①適用地層2023/1/31工程鉆探31用于硬合金鉆進最好，目前也是使用量最多的；用于金剛石鉆進較好，主要是用于孕鑲金剛石鉆頭；用于鋼粒鉆進和牙輪鉆進也行，這兩種鉆進方法的切削具是活動的，無法控制最佳沖擊夾角?？蛇m用目前幾乎所有的回轉(zhuǎn)鉆進方法。②適用鉆進方法2023/1/31工程鉆探32主要取決于沖擊器自身能力和驅(qū)動介質(zhì)設(shè)備能力。③適用孔深

液動沖擊器必須靠壓差工作，鉆孔太深，孔內(nèi)液柱壓力大，背壓就大，使用就受泵能力和沖擊器能力限制了，目前一般在2000米以內(nèi)；氣動沖擊器以空氣作為動力，空氣容易膨脹，壓力就降低很快，鉆孔排屑困難，所以目前一般用于淺孔。機械式?jīng)_擊器理論上不受孔深限制，可惜其目前自身技術(shù)還不過關(guān)，使用很少。2023/1/31工程鉆探33總結(jié)2.沖擊器可按驅(qū)動介質(zhì)分為以下幾類：①液動沖擊器——以高壓液體（或泥漿）為動力介質(zhì)。②氣動沖擊器——以壓縮空氣為動力介質(zhì)。③機械沖擊器——利用某種機械運動使沖錘上下運動。④其它沖擊器——如電磁、電機、渦輪等，未見實用。目前最常用的為液動沖擊器和氣動沖擊器（潛孔錘）。1.沖擊回轉(zhuǎn)鉆進是鉆頭在靜壓作用下進行回轉(zhuǎn)，同時施加縱向沖擊動載，從而形成以回轉(zhuǎn)切削和縱向沖擊相結(jié)合的碎巖鉆進方法。2023/1/31工程鉆探34總結(jié)

在中硬、塑性的巖石中鉆進，巖石破碎主要是靜壓力和回轉(zhuǎn)扭矩的結(jié)果。沖擊力只起到促進巖石裂隙發(fā)育、脆性增加的輔助碎巖效果。

在堅硬、脆性的巖石中鉆進，巖石破碎主要是沖擊力的結(jié)果。靜壓力主要的作用是克服沖擊反彈，回轉(zhuǎn)扭矩所起的作用是將裂隙發(fā)育的巖石剪切掉，同時變換切削具的沖擊位置。