第四章 沖擊回轉(zhuǎn)

第四章沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)第一節(jié)概述概念

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)是在鉆頭已承受一定靜載荷的基礎(chǔ)上，以縱向沖擊力和回轉(zhuǎn)切削力共同破碎巖石的鉆進(jìn)方法。

回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)

鉆壓、回轉(zhuǎn)扭矩及沖洗液均通過(guò)鉆桿傳遞給鉆頭。在堅(jiān)硬地層鉆進(jìn)速度較低。頂驅(qū)式?jīng)_擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)

沖擊能量從頂部由鉆桿（釬桿）傳遞給鉆頭。該方法較簡(jiǎn)單，但對(duì)鉆桿的損傷較大。潛孔式?jīng)_擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)

沖擊能量直接（或通過(guò)巖心管）作用于鉆頭。該方法沖擊能的損失少，對(duì)鉆桿的損傷少。頂驅(qū)式潛孔式按產(chǎn)生沖擊回轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)分類頂驅(qū)式潛孔式在鉆桿頂部用風(fēng)動(dòng)、液動(dòng)或電動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)沖擊，并同時(shí)回轉(zhuǎn)鉆桿沖擊能通過(guò)鉆桿傳遞，能量利用率低，鉆進(jìn)孔深受到限制以液力或氣力驅(qū)動(dòng)靠近孔底的沖擊器，產(chǎn)生沖擊載荷，同時(shí)由地面機(jī)構(gòu)施加軸向壓力和回轉(zhuǎn)扭矩沖擊能直接傳給鉆頭，能量利用率高，可鉆更深的孔，且鉆孔速度快潛孔式機(jī)構(gòu)比頂驅(qū)式機(jī)構(gòu)的能量利用率高沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)適用的地層

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)最適用于粗顆粒的不均質(zhì)巖層，在可鉆性Ⅵ～Ⅷ級(jí)，部分Ⅸ級(jí)的巖石中，鉆進(jìn)效果尤為突出。近幾年來(lái)，沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)不僅應(yīng)用于硬質(zhì)合金鉆進(jìn)，還應(yīng)用于金剛石鉆進(jìn)及牙輪鉆進(jìn)，所以，它既可鉆進(jìn)較軟的巖層，又可鉆進(jìn)堅(jiān)硬的巖層。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)應(yīng)用于小口徑金剛石鉆進(jìn)，不僅可提高鉆進(jìn)效率和鉆頭壽命，而且還可克服裂隙地層的堵心，堅(jiān)硬致密地層的"打滑"，及某些地層的孔斜等問(wèn)題。同時(shí)，在巖土工程的大口徑施工中也有用武之地。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)1、鉆進(jìn)效率高硬質(zhì)合金沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)在5～7級(jí)，部分8級(jí)巖石中鉆進(jìn)，比普通硬質(zhì)合金回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)效率高50～100％。小口徑金剛石沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)在8～10級(jí)完整巖石中鉆進(jìn)，比普通金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法高20～50％。在致密弱研磨性的“打滑”地層則可提高50～100％或更高。2、鉆孔質(zhì)量好沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法，由于鉆頭破碎巖石的方式不同于回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，所以使用的鉆進(jìn)規(guī)程，鉆壓小，轉(zhuǎn)速低，同時(shí)進(jìn)尺又快，故不易發(fā)生孔斜。3、孔內(nèi)事故少，回次進(jìn)尺長(zhǎng)，純鉆進(jìn)時(shí)間利用率高由于在沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中鉆壓小，轉(zhuǎn)速低，沖洗液量大，孔內(nèi)干凈，管材磨損少，從而就大大減少鉆具折斷，燒鉆，埋鉆，卡鉆等孔內(nèi)事故。另外，輕微的卡鉆還可以利用沖擊器的震擊作用自行排除，故純鉆進(jìn)時(shí)間可提高20～25%.4、鉆探成本低液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)由于效率高，材料消耗少，純鉆進(jìn)時(shí)間利用率高，故鉆探成本可下降15～20％。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的核心部件是沖擊器（潛孔錘）。按驅(qū)動(dòng)介質(zhì)分類液動(dòng)沖擊器氣動(dòng)沖擊器機(jī)械作用式?jīng)_擊器油壓沖擊器電動(dòng)沖擊器

液動(dòng)沖擊器以高壓水或泥漿作為驅(qū)動(dòng)介質(zhì)。盡管液動(dòng)沖擊器1887年就獲得專利，但實(shí)際到20世紀(jì)50年代，前蘇聯(lián)和中國(guó)才開(kāi)始研究并在地質(zhì)鉆探中采用。該沖擊器置于巖心管（3～4.5m長(zhǎng)）頂部，對(duì)于中硬以上的巖石，較之單純的回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)具有明顯優(yōu)勢(shì)，并且可與繩索取心和水力反循環(huán)連續(xù)取心相結(jié)合，已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)巖心鉆探、水文水井鉆探、工程施工鉆井、石油鉆井等領(lǐng)域。但由于其自身沖擊能較小，故鉆進(jìn)效果仍低于氣動(dòng)沖擊器。

氣動(dòng)沖擊器也稱為風(fēng)動(dòng)潛孔錘，是用壓縮空氣作為驅(qū)動(dòng)介質(zhì)。其沖擊器緊連鉆頭（若取心也可連接一根巖心管），由于單次沖擊功大，上返巖屑風(fēng)速高，鉆進(jìn)效率可比液動(dòng)沖擊器高2～3倍。近年來(lái)又出現(xiàn)了一些新的進(jìn)展，如：用于反循環(huán)連續(xù)取心的貫通式氣動(dòng)沖擊器；用潛孔錘偏心擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行跟管鉆進(jìn)；將3～8個(gè)單體潛孔錘組成集束式潛孔錘用于大口徑鉆進(jìn)；利用潛孔錘解卡、起拔套管和用于泡沫鉆進(jìn)等。

機(jī)械作用式?jīng)_擊器是利用某種機(jī)械運(yùn)動(dòng)，在鉆具回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生沖錘上下運(yùn)動(dòng)。這些機(jī)構(gòu)可以是電機(jī)，電磁裝置，也可以是渦輪或特種機(jī)構(gòu)。第二節(jié)液動(dòng)沖擊器液動(dòng)沖擊器有閥沖擊器無(wú)閥沖擊器正作用沖擊器反作用沖擊器雙作用沖擊器射流式?jīng)_擊器射吸式?jīng)_擊器一、正作用沖擊器它以液體壓力推動(dòng)沖錘下行進(jìn)行沖擊，而以彈簧力作用恢復(fù)其原位，故稱之為"正作用"液動(dòng)沖擊器正作用液動(dòng)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-閥座正作用沖擊器工作原理（分四個(gè)階段）：1、閉閥啟動(dòng)加速運(yùn)行階段：沖錘活塞5在錘簧6的作用下處于上位，其中心孔被活閥4蓋住，液流瞬間被阻，液壓急劇增高而產(chǎn)生水錘（也稱水擊）效應(yīng)。在液壓作用下，沖錘活塞和活閥一同下行，壓縮閥簧3和錘簧6；2、自由行程階段：當(dāng)活閥下行到一定位置時(shí)，活閥被閥座9限制，活閥停止運(yùn)行并與沖錘活塞脫開(kāi)，液流經(jīng)沖錘活塞中心孔而流向孔底，液壓下降，活閥在閥簧作用下返回原位；沖錘活塞在動(dòng)能作用下利用慣性繼續(xù)運(yùn)行；3、沖擊階段：在沖錘沖程末了，沖錘沖擊鐵砧7，沖擊能量經(jīng)鐵砧-巖心管接頭-巖心管等傳至鉆頭，4、回程階段：沖擊之后，沖錘活塞在錘簧力作用下彈回；再次與活閥接觸，完成一個(gè)沖擊周期。正作用沖擊器特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)1、沖擊器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟；2、沖錘活塞向下作功時(shí)，可利用高壓室中巨大的水錘能量；缺點(diǎn)回動(dòng)彈簧的反作用力將抵消相當(dāng)大的沖擊力。SYZX273液動(dòng)錘二、反作用沖擊器它是利用高壓液流的壓力推動(dòng)沖錘活塞上行，并壓縮工作彈簧儲(chǔ)存能量，經(jīng)彈簧釋放能量而作功，推動(dòng)沖錘下行，產(chǎn)生沖擊。反作用液動(dòng)沖擊器1-工作彈簧；2-外殼；

3-沖錘活塞；4-鐵砧反作用沖擊器工作原理（1）高壓液流進(jìn)入沖擊器對(duì)沖錘活塞3產(chǎn)生作用，當(dāng)沖錘活塞上下端壓力差超過(guò)工作彈簧1的壓縮力和沖錘活塞本身的質(zhì)量時(shí)，迫使沖錘活塞上行，并壓縮工作彈簧儲(chǔ)存能量；與此同時(shí)，鐵砧4的水路被逐步打開(kāi)，高壓液流開(kāi)始流向孔底，液壓下降，沖錘活塞利用慣性繼續(xù)上行。（2）當(dāng)沖錘3上行到上死點(diǎn)時(shí)，沖錘下部的液流已暢通地流向孔底，工作室壓力降低，由于沖錘活塞自身質(zhì)量和工作彈簧釋放儲(chǔ)存能量，便驅(qū)動(dòng)沖錘活塞急速向下運(yùn)動(dòng)而沖擊鐵砧；（3）產(chǎn)生沖擊作用的同時(shí)，由于沖錘活塞3與鐵砧4相接觸而又封閉了液流通向孔底的通路，液壓開(kāi)始上升，當(dāng)上升到一定值，再次作用于沖錘活塞，使其上行，開(kāi)始第二個(gè)工作周期。反作用沖擊器特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)1、沖擊器由于被壓縮彈簧釋放出的能量與沖錘活塞自重同時(shí)作用，故可獲得較大的單次沖擊功；2、沖擊器內(nèi)部壓力損失小，能量利用率高。3、對(duì)沖洗液的適應(yīng)能力較強(qiáng)。缺點(diǎn)要求有大剛度的彈簧，彈簧的工作壽命短，只有40～100小時(shí)。三、雙作用沖擊器沖錘活塞的正沖程和反沖程均由液體壓力推動(dòng)－－雙作用。整個(gè)結(jié)構(gòu)中彈簧易損件很少（或者沒(méi)有）。雙作用液動(dòng)沖擊器1-帶孔的活閥座;2-活閥;3-外套;4-支撐座;5-導(dǎo)向密封件;6-塔形沖錘活塞;

7-導(dǎo)向密封件;8-節(jié)流環(huán);9-砧子（1）當(dāng)鉆具到達(dá)孔底時(shí)，由于鉆具自重作用，使活接頭f被壓緊到外套上的g處，這時(shí)沖擊器內(nèi)壓力工作腔d處的液流，分別作用在活閥2和塔形沖錘活塞6上，由于活閥上下兩端的壓差，迫使活閥上移到最上位置；由于沖錘活塞上下兩端面積不同而產(chǎn)生壓力差，迫使其也向上移動(dòng)；（2）當(dāng)沖錘活塞上行到與活閥接合時(shí)，通道d1被關(guān)閉，沖錘活塞與活閥便一起急速下行，當(dāng)下行h時(shí)，活閥被支撐座4限止，沖錘活塞與活閥分離，借助慣性作用繼續(xù)下行，下行到s時(shí)，沖擊砧子9；由于沖錘活塞中心通道被打開(kāi)，液流又恢復(fù)循環(huán)，在液流壓力作用下，活閥急劇上升，沖錘活塞也急劇上行，如此運(yùn)行，周而復(fù)始進(jìn)行。雙作用沖擊器工作原理1、沖擊器采用差動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式，故必須有既滑動(dòng)又隔壓的密封件；2、為使沖擊器內(nèi)部能形成一個(gè)壓力差，在鐵砧部位設(shè)有“節(jié)流環(huán)”、“下閥”等元件；3、在與沖錘活塞中間部位和活閥上部對(duì)應(yīng)的外殼處設(shè)有“呼吸道”；4、從理論上講，該沖擊器的液流功率恢復(fù)較高。

雙作用沖擊器特點(diǎn)四、射流式?jīng)_擊器射流式?jīng)_擊器是我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的一種采用雙穩(wěn)射流元件作為控制機(jī)構(gòu)的新型鉆具。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-下接頭射流式?jīng)_擊器工作原理1-射流元件;2-缸體;3-活塞;4-沖錘;5-砧子;6-巖心管;7-鉆頭;D、F-信號(hào)孔;C、E-輸出道;A、B-放空孔射流式?jīng)_擊器工作原理（1）高壓液流從射流元件1的噴嘴噴出，產(chǎn)生附壁作用，假如先附壁于右側(cè)，高壓液流便由E輸出，進(jìn)入缸體2的上部，推動(dòng)活塞3下行。此時(shí)，與活塞連接的沖錘4便沖擊砧子5，沖擊能量便經(jīng)巖心管傳至鉆頭7上，完成一次沖擊作用。（2）活塞沖程末了，上缸液壓升高，反饋訊號(hào)回到F控制孔，促使射流由E切換到C輸出，液流經(jīng)C進(jìn)入缸體下缸，推動(dòng)活塞上行，做返回動(dòng)作。（3）回程末了，反饋訊號(hào)又回到D，將射流切換到開(kāi)始位置，液流又從E輸出，進(jìn)入上缸，如此往返，實(shí)現(xiàn)沖擊作用。上、下缸的回水，則通過(guò)E、C輸出道而返到放空孔B、A，再經(jīng)與放空孔連接的水路及砧子內(nèi)的孔，流入巖心管。射流式?jīng)_擊器特點(diǎn)：1、射流沖擊器除活塞與沖錘外無(wú)其他運(yùn)動(dòng)零件，也無(wú)彈簧、配水活閥等易損零件，因而鉆具工作可靠，使用壽命較長(zhǎng)；2、沖錘向下沖擊砧子時(shí)，沒(méi)有自由行程階段和彈簧對(duì)沖擊力的抵消作用，因而沖擊器能量利用率高；3、能適用于高溫高壓條件下的深井作業(yè)；4、鉆進(jìn)中產(chǎn)生的高壓水錘波比閥式小，鉆具工作平穩(wěn)。5、缺點(diǎn)：射流元件內(nèi)部易發(fā)生沖蝕磨損，壽命短。五、射吸式?jīng)_擊器該沖擊器系利用高壓液流噴射時(shí)的卷吸作用，使活塞沖錘的上下腔產(chǎn)生交變壓力差推動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)。射吸式?jīng)_擊器1-噴嘴;2-上腔;3-沖錘活塞;4-閥（活塞套）;5-沖錘;6-下腔;7-砧子啟動(dòng)前，沖擊器的沖錘活塞3及活塞套4均處于行程下限，液流通道暢通。啟動(dòng)時(shí)，工作液體從噴嘴1噴出，高速射流的卷吸作用將活塞上腔介質(zhì)抽往下腔，上腔迅速降壓；進(jìn)入下腔的液流，由于通道擴(kuò)大，流速減慢和砧子7節(jié)流孔的增壓作用，使活塞下腔壓力升高；于是，上、下腔形成壓差，使沖錘活塞與活塞套同時(shí)上行。由于活塞套的質(zhì)量較輕，運(yùn)動(dòng)速度較快，先抵達(dá)行程上限，隨后沖錘活塞也抵達(dá)行程上限，至此回程結(jié)束。射吸式?jīng)_擊器工作原理沖程時(shí),由于沖錘活塞頂部錐體與活塞套下端閉合,高速液流被迅速切斷而產(chǎn)生水擊，上腔壓力猛增；與此同時(shí)，沖錘活塞下腔壓力急劇下降，故上、下腔間壓力差推動(dòng)沖錘活塞和活塞套向下運(yùn)動(dòng)?；钊椎诌_(dá)行程下限后，沖錘活塞因慣性繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，直至沖擊砧子為止。此時(shí)，通道完全打開(kāi)，液流暢通，活塞套與沖錘活塞又進(jìn)入下一循環(huán)的回程，如此周而復(fù)始地產(chǎn)生沖擊。射吸式?jīng)_擊器特點(diǎn)1、無(wú)彈簧裝置，運(yùn)動(dòng)部件及易損零件少；2、結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，便于操作使用；3、液流在腔體內(nèi)暢通性較好；4、對(duì)密封性能要求較低；5、適于小口徑鉆進(jìn)；第三節(jié)風(fēng)動(dòng)潛孔錘一、有閥潛孔錘這類潛孔錘由配氣機(jī)構(gòu)的閥片控制氣體推動(dòng)活塞上、下運(yùn)動(dòng)。有閥潛孔錘按排氣方式又分為旁側(cè)排氣和中心排氣兩種，目前使用較多的為中心排氣式。即缸內(nèi)廢氣是從鉆頭中心孔排出。雖然這種潛孔錘結(jié)構(gòu)比較復(fù)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(jìn)效率。J200B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1,DTHbit2,Chuck3,BitRetainingKey4,Spring5,Stud6,Bushing7,Piston8,InnerCylinder9,WearSleeve10,ValveSeat11,ThrottlePlug12,ClackValve13,ValveChest14,DiscSpring15,AdjustableSpacer16,CheckValveSpring17,CheckValve18,"O"ring19,BackAdapter二、無(wú)閥潛孔錘該類潛孔錘控制活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的配氣系統(tǒng)布置在活塞或氣缸壁上，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行配氣。其特點(diǎn)是：利用壓氣的膨脹功，推動(dòng)活塞繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，從而減少了動(dòng)力氣的消耗；取消了復(fù)雜的配氣機(jī)構(gòu)，代之以簡(jiǎn)單的配氣氣路，氣道路程短，氣壓損失小。該類潛孔錘主要有國(guó)產(chǎn)W系列和國(guó)外DHD系列。W200型無(wú)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(jìn)氣座；8-內(nèi)缸；9-外缸；10-節(jié)流塞；11-活塞；12-隔套；13-導(dǎo)向套；14-圓鍵；15-下接頭；16-鉆頭工作原理：壓縮空氣經(jīng)上接頭1、止逆塞4進(jìn)入進(jìn)氣座7的下腔，然后氣體分成兩路：一路經(jīng)進(jìn)氣座7的中心孔道和節(jié)流塞10進(jìn)入活塞11和鉆頭16的中心孔道至孔底冷卻鉆頭和清除巖粉；另一路氣體進(jìn)入外缸9和內(nèi)缸8間的環(huán)形腔，此腔為活塞運(yùn)動(dòng)的進(jìn)氣室，推動(dòng)活塞上下運(yùn)動(dòng)。位于進(jìn)氣室的氣體，經(jīng)內(nèi)缸上的徑向孔以及活塞上的環(huán)形氣槽進(jìn)入下缸時(shí)，活塞開(kāi)始返程向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)活塞上移關(guān)閉進(jìn)氣氣路時(shí)，活塞靠氣體膨脹運(yùn)行，當(dāng)下缸與排氣孔路相通時(shí)，活塞靠慣性運(yùn)行，故對(duì)無(wú)閥潛孔錘而言，其返程包括進(jìn)氣、壓縮空氣膨脹、活塞慣性滑行三個(gè)階段。同理，活塞在沖程過(guò)程中，首先氣體經(jīng)活塞上的環(huán)形氣槽進(jìn)入上缸，然后，也經(jīng)歷沖程進(jìn)氣、壓縮空氣膨脹、活塞慣性滑行三個(gè)階段，完成整個(gè)工作循環(huán)。所不同的是各階段運(yùn)行的長(zhǎng)度不同，沖程要保證有足夠的進(jìn)氣長(zhǎng)度，使活塞獲得較大的速度，而具有較大的沖擊能。PercussiveDTHHammerforQuarrying,undergroundproductiondrilling,explorationandcivilengineeringapplications...MultiHammer第四節(jié)液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆頭常用的有硬質(zhì)合金和金剛石鉆頭兩大類。目前在石油鉆井中，液動(dòng)沖擊器也可使用牙輪鉆頭。一、硬質(zhì)合金鉆頭

1、鉆頭鋼體（1）材質(zhì)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭鋼體承受沖擊載荷、軸向靜載荷和回轉(zhuǎn)扭矩，處于很復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)（主要是動(dòng)應(yīng)力）。當(dāng)鉆頭下至已經(jīng)縮徑的孔底時(shí)，鉆頭鋼體還要承受強(qiáng)烈的側(cè)壓力。因此，對(duì)鋼體材料的性能有如下要求：①高的抗擠壓、抗彎、抗扭強(qiáng)度；②高的抗沖擊韌性；③對(duì)焊料有良好的潤(rùn)濕性；④有足夠的抗壓皺能力；⑤能進(jìn)行熱處理。制造鉆頭體的材料要符合GB3423－82的規(guī)定，可用DZ40～DZ65的無(wú)縫鋼管及一般合金鋼無(wú)縫鋼管。（2）壁厚及長(zhǎng)度都比普通回轉(zhuǎn)鉆頭要大。增大壁厚：增加合金片在鋼體內(nèi)的接觸面積，增大抗擠壓、抗彎強(qiáng)度，一般10～14mm；增加長(zhǎng)度：為了安裝巖心卡簧，方便擰卸和多次使用。2、硬質(zhì)合金要求具有較高的硬度、抗彎強(qiáng)度及抗沖擊強(qiáng)度，一般硬度大于HRA86，抗彎強(qiáng)度大于140kg/mm2。可根據(jù)巖石特性、鉆頭結(jié)構(gòu)和沖擊器沖擊功大小來(lái)選擇硬質(zhì)合金牌號(hào)。巖石強(qiáng)度低，沖擊器單次沖擊功小，可選用YG4c，YG6x，YG8等；巖石強(qiáng)度高，沖擊器單次沖擊功大，可選用YG11c，YG15等。3、焊接質(zhì)量要高焊縫必須有足夠的強(qiáng)度，以適應(yīng)繁重的工作載荷。沖擊回轉(zhuǎn)硬質(zhì)合金鉆頭所采用的硬質(zhì)合金切削具我國(guó)常用的取心式硬質(zhì)合金鉆頭有HCT型、大八角型、大八角肋骨型、長(zhǎng)方片狀肋骨型、異形鉆頭等。圖示為HCT型硬質(zhì)合金鉆頭，主要參數(shù)如表所列。該鉆頭把柱狀合金垂直鑲焊于鉆頭體上，采用不對(duì)稱雙面刃（刃角＝95°，負(fù)前角＝30°），液路通道斷面較大，有利于鉆頭冷卻和減少背壓。圖HCT型硬質(zhì)合金鉆頭結(jié)構(gòu)圖表HCT型硬質(zhì)合金回轉(zhuǎn)沖擊鉆頭主要參數(shù)鉆頭型號(hào)合金

(粒)水口

(個(gè))硬質(zhì)合金特性外徑

(mm)內(nèi)徑

(mm)底出刃(mm)鋼體材料型號(hào)牌號(hào)沖擊刃角負(fù)前角HCT-56-1

HCT-56-2

HCT-56-36

8

66

8

6TC108或T110

TC107或T107

TC208YG6X或YG6T

YG6X

YG6X95°

95°

95°30°

30°

30°56

56

5639

39

394

4

445#

45#

45#二、金剛石鉆頭液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用金剛石鉆頭主要是取心孕鑲式鉆頭，常用在堅(jiān)硬、“打滑”地層中，但一般要用高頻低沖擊功的液動(dòng)沖擊器。與常規(guī)金剛石鉆頭相比，沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的金剛石鉆頭在結(jié)構(gòu)上應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

(1)首選人造孕鑲金剛石鉆頭或聚晶體鉆頭；

(2)一般選用高強(qiáng)度的或經(jīng)過(guò)渾圓化和金屬鍍層處理的金剛石；

(3)因?yàn)榻饎偸瘑尉У目箾_擊韌性與粒度成反比，故粒度不要太大，可選用70～80目左右的金剛石，金剛石濃度75%左右；(4)要有足夠的胎體強(qiáng)度和硬度，避免受沖擊作用而破裂，一般選用中硬-硬胎體，唇面形狀以平底形、圓弧形和同心圓尖齒形為好；

(5)由于沖洗液量大，為減少?zèng)_洗液流經(jīng)鉆頭時(shí)所產(chǎn)生的阻力，鉆頭的過(guò)水面積應(yīng)增大，除主水口外，可增設(shè)副水口，加長(zhǎng)加深鉆頭鋼體內(nèi)壁水槽，適當(dāng)增大胎體外徑。

大陸科學(xué)鉆探用孕鑲金剛石鉆頭（二次鑲焊法制造）三、風(fēng)動(dòng)潛孔錘鉆頭可分取心式和全面鉆進(jìn)式兩種，目前后者使用最多。全面鉆進(jìn)用風(fēng)動(dòng)動(dòng)潛孔錘鉆頭就結(jié)構(gòu)而言，可分為整體式和分體式兩種。根據(jù)碎巖材料類型，可分為硬質(zhì)合金型和金剛石加強(qiáng)型。根據(jù)切削刃形狀的不同，又可分為刃片型、柱齒型和片柱混裝型三種。這里重點(diǎn)介紹柱齒型。1.柱齒

1.1硬質(zhì)合金柱齒

風(fēng)動(dòng)潛孔錘鉆頭所用的硬質(zhì)合金牌號(hào)和性能與液動(dòng)沖擊鉆頭類似，其柱齒型號(hào)有：K30、K40、K41等型，如圖所示。具體型號(hào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中都做了詳細(xì)規(guī)定，如K4012A，"K"表示礦產(chǎn)開(kāi)采用，"40"表示半球形柱齒，"12"表示直徑為12mm，"A"表示高度。這些型號(hào)的合金柱齒中，就強(qiáng)度而言，半球齒最高，錐球齒次之，楔形齒最低；但鑿巖效率則相反。因此，鉆鑿極堅(jiān)硬和堅(jiān)硬、磨蝕性強(qiáng)的巖石應(yīng)采用半球齒，鉆鑿中硬或堅(jiān)硬、性脆的巖石采用錐球齒，鉆進(jìn)軟巖時(shí)宜采用楔形齒。圖

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)

硬質(zhì)合金柱齒由于其自身的耐磨性較低，當(dāng)鉆進(jìn)堅(jiān)硬磨蝕性巖石時(shí)，鉆頭周邊柱齒磨損嚴(yán)重，鉆頭壽命短。為此，國(guó)內(nèi)外科研和生產(chǎn)制造者采取各種途徑解決該問(wèn)題，如新成分硬質(zhì)合金，雙性能硬質(zhì)合金等，取得了一定效果，但都沒(méi)有治本，最好的辦法是采用金剛石加強(qiáng)柱齒。1.2金剛石加強(qiáng)柱齒

該柱齒有聚晶型和孕鑲型兩種類型，它們都是將金剛石復(fù)合到硬質(zhì)合金柱齒頭部，在其上形成耐磨性很好的金剛石層，同時(shí)利用硬質(zhì)合金良好的沖擊韌性，所不同的是燒結(jié)工藝和鉆頭結(jié)構(gòu)。金剛石加強(qiáng)柱齒可延長(zhǎng)鉆頭壽命，提高鉆速降低鉆進(jìn)成本。

聚晶型柱齒在金剛石壓機(jī)上采用高溫高壓技術(shù)燒結(jié)而成。為了克服金剛石聚晶層與硬質(zhì)合金基體的熱膨脹系數(shù)不同，彈性模量不同，在金剛石聚晶與硬質(zhì)合金基體間采用了兩層過(guò)渡層，在原料配比上力圖實(shí)現(xiàn)由100%金剛石均勻過(guò)渡到100%的WC/Co，使得彈性梯度與熱膨脹梯度逐漸均勻變化，殘余應(yīng)力與剝落現(xiàn)象大大減少。孕鑲型柱齒采用熱壓法燒結(jié)而成，其金剛石層中的金剛石含量為75%左右，采用了特殊的配方和燒結(jié)工藝，使得金剛石層與硬質(zhì)合金基體牢固地連接在一起。HighestResistance,SuperiorToughness,HighestDiamondVolume,

andStressEngineeredInsertsDIAMONDGAUGE

FULLDIAMONDFACE

復(fù)合球齒潛孔錘鉆頭(已鉆進(jìn)1961米)2.潛孔柱齒鉆頭

這是一種用冷壓方法在鉆頭體的鉆孔中嵌裝一定數(shù)量柱齒的鉆頭。選20Ni4Mo、34CrNiMo等成分的鋼材做鉆頭體。

與刃片型鉆頭比較，這類鉆頭的柱齒鉆頭在鉆孔過(guò)程中能自行修磨，使鉆頭的鉆進(jìn)速度趨于穩(wěn)定；柱齒損壞20%時(shí)，鉆頭仍可繼續(xù)工作，而刃片型鉆頭在崩角后便不能使用；這種鉆頭嵌裝工藝簡(jiǎn)單，一般用冷壓法嵌裝即可。

柱齒鉆頭按頭部形狀可分為二翼形鉆頭、三翼形鉆頭和四翼形鉆頭。二翼形鉆頭多用于小口徑的潛孔沖擊器上。三翼形適宜于硬巖條件下工作，四翼形鉆頭宜用在中硬及中硬以下巖石。圖6-11是J200型沖擊器用的四翼形柱齒鉆頭，它近似于半球形的頭部，使邊齒的傾斜角擴(kuò)大到45°，提高了鉆頭的壽命。圖6-11J200型沖擊器用柱齒鉆頭柱齒鉆頭還可按頭部外形分為平頭型、圓弧型、中間凹陷型及中間凸出型等。與刃片型超前刃鉆頭相比，圓弧型和中間凸出型鉆頭具有較高的鉆孔速度。中間凹陷型鉆頭，由于鉆孔時(shí)產(chǎn)生凸出的巖核起到定心的作用，所以，它能鉆較直的孔。

（a）—平端面；（b）—凹心端面；（c）—凸端面圖

潛孔球齒鉆頭端面形狀第五節(jié)沖擊回轉(zhuǎn)破巖機(jī)理沖擊載荷碎巖的特點(diǎn)是接觸應(yīng)力瞬間可達(dá)極高值，應(yīng)力比較集中，所以盡管巖石的動(dòng)硬度要比靜硬度大，但仍易產(chǎn)生裂紋。而且沖擊速度愈大，巖石脆性增大，有利于裂隙發(fā)育。因此，用不大的沖擊能（例如數(shù)十焦耳），就可以破碎極堅(jiān)硬的巖石。

在沖擊回轉(zhuǎn)碎巖過(guò)程中，鉆頭刃具上同時(shí)作用有軸向靜壓力PJ、沖擊力PC和回轉(zhuǎn)力矩M。刃具除沖擊碎巖外，同時(shí)還有切削碎巖作用。所以，具有沖擊碎巖和回轉(zhuǎn)碎巖兩者的特征，互相補(bǔ)充，發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)。一、破巖機(jī)理圖沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)碎巖過(guò)程根據(jù)沖擊碎巖和回轉(zhuǎn)碎巖作用的主次，又將沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)分為沖擊-回轉(zhuǎn)碎巖和回轉(zhuǎn)-沖擊碎巖兩種形式。1、沖擊-回轉(zhuǎn)碎巖

主要以沖擊載荷碎巖為主，軸向靜壓力主要用來(lái)克服鉆具的反彈力，改善沖擊能的傳遞。回轉(zhuǎn)力矩主要是使切削具沿孔底剪切兩次沖擊間殘留的巖石脊峰。因此，擬訂最佳回轉(zhuǎn)速度時(shí)，應(yīng)能夠?qū)⒅虚g凸起的扇形巖脊剪碎。這種碎巖方法要求沖擊器具有低頻率，大沖擊功，風(fēng)動(dòng)潛孔錘即屬此類。對(duì)于脆性巖石來(lái)說(shuō)，利用這種沖擊剪崩和回轉(zhuǎn)剪切作用，造成大顆粒巖體的剝離作用。隨著巖石的脆性與硬度增大，碎巖效果愈加顯著。2、回轉(zhuǎn)-沖擊碎巖

回轉(zhuǎn)沖擊碎巖是把高頻低沖擊功，加在一般回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的硬質(zhì)合金鉆頭或金剛石鉆頭上。它主要用于小口徑鉆進(jìn)，液動(dòng)沖擊器即屬此類。該方法之所以能破巖，主要是巖石受高頻沖擊力后，一方面在刃具接觸處產(chǎn)生應(yīng)力集中，增大了破碎體積；另一方面巖石內(nèi)部分子被迫振蕩而產(chǎn)生疲勞破壞并降低了強(qiáng)度，再加上軸向的靜壓和回轉(zhuǎn)切削，因而增加了破巖的效果。二、影響沖擊回轉(zhuǎn)碎巖效果的因素沖擊能量試驗(yàn)表明，隨著沖擊能量的增大，巖石的破碎穴也越大、越深。但是，并非沖擊器的沖擊能量越大越好。因?yàn)樵u(píng)定碎巖效果的合理性，還必須考慮到單位體積破碎能（碎巖比功），它表示了碎巖的能量消耗水平。國(guó)內(nèi)外的研究表明，無(wú)論單次沖擊或多次沖擊鉆進(jìn)，沖擊能量A和碎巖比功a的關(guān)系基本一樣，可以將a-A曲線分成三部分（如圖所示）。圖a－A曲線的三個(gè)區(qū)域A＜A0是傷痕區(qū)，這時(shí)小的沖擊能不足以使巖石產(chǎn)生破碎坑，且破碎下的巖粉很細(xì)，因而比功很大；A0≤A≤Ac為過(guò)渡區(qū)（陰影部分），該區(qū)內(nèi)測(cè)定的比功a變化不定；A＞Ac為穩(wěn)定區(qū)，該區(qū)內(nèi)比功a變化不大，且值較小。對(duì)于一般巖石，每厘米刃長(zhǎng)上沖擊能量若超過(guò)10J，即Ac=10J/cm，破碎比功a認(rèn)為有穩(wěn)定值。2、沖擊間隔在兩次沖擊之間，切削刃回轉(zhuǎn)一個(gè)角度，這個(gè)角度稱之為沖擊間隔。沖擊間隔反映了轉(zhuǎn)速與沖擊頻率之間的關(guān)系，使兩次沖擊間的巖脊能被全部剪崩或切削掉的最大間隔，稱為“最優(yōu)沖擊間隔”，常用相鄰兩次沖擊間的最優(yōu)夾角β表示。

最優(yōu)沖擊間隔與沖擊器的沖擊功，巖石性質(zhì)，沖擊齒圓弧半徑R和切削刃角α等有關(guān)。隨著沖擊功的增加，巖石的最優(yōu)角β增加，如花崗閃長(zhǎng)巖，當(dāng)A=6.1J/cm時(shí)，β優(yōu)=5°；A=12.5J/cm時(shí),β優(yōu)=7.5°。隨著巖石硬度的降低，最優(yōu)角β增大，如當(dāng)A=6.1J/cm時(shí)，大理巖β優(yōu)=7.5°，花崗巖β優(yōu)=5°。3、沖擊應(yīng)力波沖擊器所產(chǎn)生的沖擊力以應(yīng)力波的形式經(jīng)砧子、巖心管、鉆頭傳遞給巖石。這種應(yīng)力波對(duì)于沖擊能量的傳遞效率和碎巖效果有重要的影響。

不同的活塞形狀和不同的撞擊面接觸條件，都將產(chǎn)生不同的入射應(yīng)力波形。一般而言，細(xì)長(zhǎng)的沖錘形狀，入射波的幅度低，作用時(shí)間長(zhǎng)；短而粗的沖錘形狀，入射波的幅度高，作用時(shí)間短。如圖所示。入射波形對(duì)碎巖的影響是：緩和的入射波形比陡的入射波形有較高的鑿入效率，這是由于鑿入起初不需要很大的力，隨著刃具侵深增加，所需力也增大，故緩和的波形與之相匹配。改變?nèi)肷洳ǖ男螤睿苏{(diào)整活塞的形狀和斷面積之外，還可以用調(diào)整撞擊面的接觸條件來(lái)達(dá)到。

圖不同入射波形和沖錘形狀的關(guān)系

L-錘長(zhǎng);d1、d2-錘兩端的直徑(mm)

第六節(jié)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)規(guī)程一、鉆壓

鉆壓能使巖石內(nèi)部形成預(yù)加應(yīng)力，同時(shí)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(jìn)尺磨損量也增加，故為了減少切削刃的磨損，鉆壓不能過(guò)大，但又必須克服沖擊器的反彈力。在液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中，當(dāng)用硬質(zhì)合金鉆頭時(shí)，對(duì)硬度不大和研磨性弱的巖石，要充分發(fā)揮回轉(zhuǎn)切削