大直徑液動潛孔錘鉆進(jìn)的特殊性

大直徑液動潛孔錘鉆進(jìn)的特殊性

1解決鉆孔彎曲、降低鉆孔成本的技術(shù)措施20世紀(jì)80年代，液體潛水鉆技術(shù)在巖芯小直徑的勘探中得到了廣泛應(yīng)用。實(shí)踐證明,該項(xiàng)技術(shù)可以克服金剛石鉆頭打滑現(xiàn)象,提高鉆進(jìn)效率,減小鉆孔彎曲,節(jié)約管材,降低鉆探成本。目前,小口徑高頻液動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)臻于成熟并得到廣泛應(yīng)用,技術(shù)效果明顯。近一段時期,許多基層施工單位提出在基巖水文水井、礦山通風(fēng)孔鉆進(jìn)施工中應(yīng)用大直徑液動潛孔錘。研究分析大直徑液動潛孔錘鉆進(jìn)方法的技術(shù)特點(diǎn),提出對相關(guān)設(shè)備、工藝的適應(yīng)性的要求,完成大直徑液動潛孔錘的結(jié)構(gòu)改善及性能優(yōu)化,無疑會進(jìn)一步推動該技術(shù)的全面發(fā)展和普及應(yīng)用。以下介紹本人的一點(diǎn)體會,望同行們指正。2大直徑液動潛孔錘液壓參數(shù)設(shè)計分析1)小直徑液動潛孔錘一般屬高頻低功值型,通常配用金剛石或硬質(zhì)合金取芯鉆頭鉆進(jìn)。其功效有四個方面:第一,沖擊器的高頻沖擊振動以及大泵量脈動液流,改變了鉆頭破碎巖石及排粉條件,提高了機(jī)械鉆速,相應(yīng)亦可延長鉆頭使用壽命;第二,沖擊器正常工作狀況下的沖擊振動,具有減輕巖芯堵塞的作用,能夠增加鉆進(jìn)回次長度;第三,鉆進(jìn)采用的小鉆壓、低轉(zhuǎn)數(shù)及其較高的鉆速,能夠抑制因地層因素產(chǎn)生的鉆孔彎曲;第四,當(dāng)泥漿泵輸出功率較大,鉆具沖擊能量傳遞效率較高時,在部分脆性巖石中,硬質(zhì)合金鉆頭及大粒度金剛石鉆頭能夠產(chǎn)生沖擊碎巖(體積破碎)效果。大直徑液動潛孔錘鉆進(jìn)一般很少使用金剛石取芯鉆頭,而以硬質(zhì)合金取芯鉆頭為主,亦采用牙輪鉆頭、硬質(zhì)合金鉆頭進(jìn)行全面破碎鉆進(jìn)。在大直徑全面鉆進(jìn)鉆孔采用沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn),前述的沖擊器高頻振動減輕巖芯堵塞的功效將無效應(yīng),而其主要功效則是通過大直徑液動潛孔錘的有效沖擊作用使巖石產(chǎn)生體積破碎,提高機(jī)械鉆速。因此,大直徑液動潛孔錘不可照搬小直徑液動潛孔錘的“高頻低功”特性指標(biāo),而應(yīng)保證相對于鉆頭單位刃長或孔底單位破碎面積而言的沖擊能量。即使在大直徑取芯鉆進(jìn)中,由于粗徑鉆具質(zhì)量大,應(yīng)力波傳遞效率低,潛孔錘亦應(yīng)設(shè)計具有較大的沖擊能量。換言之,大直徑液動潛孔錘功頻參數(shù)設(shè)計應(yīng)接近同孔徑氣動潛孔錘的性能參數(shù)。2)無論是與氣動潛孔錘相比,還是與小直徑液動潛孔錘鉆進(jìn)相比,大直徑液動潛孔錘的工作條件更為惡劣。大直徑鉆孔通常采用的泥漿質(zhì)量、性能(如泥漿自凈化能力、流變特性、潤滑特性、固相成分及含量等)遠(yuǎn)不及小口徑鉆孔應(yīng)用的低固相泥漿,同時鉆孔內(nèi)沖洗液上返流速低、攜帶巖粉能力差、孔底不清潔。因此,大直徑液動潛孔錘必須具有更高的工作可靠性和穩(wěn)定性,內(nèi)部零件應(yīng)具有較好的抗磨蝕特性。3)大直徑液動潛孔錘內(nèi)腔巖粉回灌可能性明顯大于小直徑液動潛孔錘。因此,大直徑液動潛孔錘防巖粉回灌機(jī)構(gòu)的設(shè)置是完全必要的,而小直徑液動潛孔錘多不設(shè)該裝置。4)大直徑液動潛孔錘鉆進(jìn)鉆柱回轉(zhuǎn)速度低,同時鉆頭與潛孔錘本體外徑相差較大,潛孔錘的外保徑問題不及小口徑金剛石液動潛孔錘鉆進(jìn)突出。但是,大直徑液動潛孔錘解體十分困難,因而大直徑液動潛孔錘應(yīng)在具有可靠強(qiáng)度的前提下保證解體方便、省力,結(jié)構(gòu)參數(shù)易于調(diào)整。3設(shè)備配置建議大直徑液動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)的推廣普及主要取決于兩個方面:第一,該項(xiàng)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益;第二,現(xiàn)行設(shè)備、工藝方法、人員素質(zhì)對該項(xiàng)技術(shù)的適應(yīng)性。生產(chǎn)實(shí)踐已經(jīng)證明,大直徑液動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益是明顯的。這里僅選擇對現(xiàn)行設(shè)備、工藝方法的適應(yīng)性加以分析。1)目前施工部門大排量往復(fù)式泥漿泵有BW600、BW850、BW1200型等系列產(chǎn)品?，F(xiàn)階段大直徑液動潛孔錘應(yīng)主要按照上述泥漿泵的能力設(shè)計。從這一角度可以講,現(xiàn)有大排量往復(fù)式泥漿泵基本能夠適應(yīng)液動潛孔錘鉆進(jìn)的需要。但同時也有必要對往復(fù)式泥漿泵提出更嚴(yán)格的要求,應(yīng)該進(jìn)一步提高往復(fù)式泥漿泵產(chǎn)品質(zhì)量,延長活塞與缸套的密封壽命,配備安全可靠的壓力表。大排量往復(fù)式泥漿泵宜單獨(dú)配置動力機(jī),以便于調(diào)整流量和壓力參數(shù),避免往復(fù)式泥漿泵與鉆機(jī)的相互干擾。BW系列大排量往復(fù)式泥漿泵為雙缸雙作用型,沖洗液液流脈動大,有必要在泵的輸出管路上專門安裝一個大容積的穩(wěn)壓罐。2)為保證大直徑液動潛孔錘工作穩(wěn)定性和可靠性,延長內(nèi)部零件壽命,應(yīng)對大直徑鉆孔沖洗液介質(zhì)提出更高的要求。大直徑液動潛孔錘鉆探最適宜采用清水或無固相沖洗液;而低密度泡沫泥漿對沖擊器輸出參數(shù)有一定影響,當(dāng)采用泥漿時,其固相含量應(yīng)不大于6%,含砂量低于1%。機(jī)臺現(xiàn)場沖洗液循環(huán)系統(tǒng)必須符合鉆進(jìn)規(guī)程要求,當(dāng)泥漿自身凈化能力很差時,應(yīng)當(dāng)配置泥漿除砂器等凈化設(shè)備。3)大直徑鉆孔通常使用Φ60mm×7.1mm、Φ73mm×9.2mm、Φ89mm×9.4mm、Φ114mm×8.6mm四種規(guī)格的鉆桿,相應(yīng)鎖接頭最小通孔直徑分別為44mm、54mm、68mm、95mm。根據(jù)計算可知,鉆桿與孔壁間環(huán)狀空間的上返液流沿程阻力損失,遠(yuǎn)小于鉆桿內(nèi)液流沿程阻力損失,同時鉆桿鎖接頭內(nèi)孔變徑處局部阻力損失亦遠(yuǎn)小于鉆桿內(nèi)液流沿程阻力損失。因此,大直徑液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)可根據(jù)鉆桿內(nèi)沖洗液沿程壓力損失選擇鉆桿規(guī)格,一般鉆桿內(nèi)沖洗液液流沿程壓力損失,不應(yīng)超過往復(fù)泵額定輸出壓力的25%～30%。各種規(guī)格的鉆桿內(nèi)部液流沿程壓力損失(計算值)見表1?，F(xiàn)行鉆桿鎖接頭磨損或變形后密封性變差,沖洗液泄漏量大,現(xiàn)場應(yīng)采取纏線、加墊O型橡膠圈等密封措施。4潛孔錘性能優(yōu)化1)液動潛孔錘有閥式正作用、閥式反作用、閥式雙作用、無閥式反作用、無閥式雙作用等多種形式。任何一種型式都有自己的優(yōu)勢,哪一種型式更適用于大直徑液動潛孔錘,業(yè)內(nèi)人士意見不一。因此,大直徑液動潛孔錘研究應(yīng)該跨越小直徑液動潛孔錘多型式共存的發(fā)展階段,集以往小直徑液動潛孔錘研究之經(jīng)驗(yàn),直接進(jìn)入研究開發(fā)高性能復(fù)合式產(chǎn)品階段。復(fù)合式結(jié)構(gòu)將成為大直徑液動潛孔錘的研究方向。2)大直徑液動潛孔錘的研究重點(diǎn)首先應(yīng)該是提高潛孔錘單次沖擊能量及能量輸出和傳遞效率。提高沖擊能量的關(guān)鍵是通過合理的結(jié)構(gòu)或機(jī)構(gòu)保證充分發(fā)生、利用“水擊”效果,減輕、削弱“水墊”的有害影響。與液動潛孔錘輸出性能相關(guān)的可變因素很多,諸如閥室內(nèi)腔容積、上接頭通孔直徑、沖錘的長度、撞擊副的形狀、活塞直徑及內(nèi)通孔直徑、彈簧的剛度和預(yù)壓量、閥和錘的質(zhì)量、摩擦阻力、液體泄漏量等。因此,大直徑液動潛孔錘的研究設(shè)計,不能單純采用類比放大小直徑液動潛孔錘的方法,應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)技術(shù)基礎(chǔ)研究,指導(dǎo)科研設(shè)計,積極采用CAD方法優(yōu)化潛孔錘的性能。3)小直徑液動潛孔錘系列與小口徑管材系列及鉆孔直徑系列相對應(yīng),其系列直徑為43、54、73、89mm。大直徑液動潛孔錘系列化原則不應(yīng)因襲小直徑液動潛孔錘,其系列不宜根據(jù)鉆孔直徑或大直徑巖芯鉆探管材系列對應(yīng)確立。大直徑液動潛孔錘應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有大排量往復(fù)泵的能力(系列)設(shè)計主要技術(shù)參數(shù),并依此形成大直徑液動潛孔錘系列。該系列本體外徑應(yīng)根據(jù)液動潛孔錘結(jié)構(gòu)和鉆進(jìn)工藝需要來決定,在達(dá)到鉆進(jìn)所需的功頻指標(biāo)及適應(yīng)大排量往復(fù)泵的輸出參數(shù)的前提下,潛孔錘本體直徑應(yīng)小型化。本體直徑小型化的潛孔錘閥室內(nèi)腔容積小,水擊效果強(qiáng),對于沖擊能量的傳遞亦無不利影響。其經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性是非常明顯的,技術(shù)上也是合理的。根據(jù)《水文水井鉆探管材》(GB9808-9812-88)規(guī)定,在Φ149～311mm鉆孔直徑范圍內(nèi),鉆頭直徑系列有Φ149、173、200、223、251、280、311mm,對應(yīng)的巖芯管規(guī)格(外徑×壁厚)為Φ140mm×7.7mm、Φ168mm×8.9mm、Φ194mm×8.3mm、Φ219mm×8.9mm、Φ245mm×8.9mm、Φ273mm×8.9mm、Φ289mm×9.5mm。目前施工部門應(yīng)用的大排量往復(fù)式泥漿泵系列產(chǎn)品的主要性能見表2。依據(jù)大排量往復(fù)式泥漿泵能力對應(yīng)設(shè)計三級大直徑液動潛孔錘即可基本適應(yīng)前述鉆孔系列鉆進(jìn)需要,也就是說,大直徑液動潛孔錘產(chǎn)品的主系列可定為三種規(guī)格,且系列最大本體直徑不應(yīng)超過Φ250mm。為滿足較小直徑鉆孔大泵量鉆進(jìn)的特殊要求,可在主系列的基礎(chǔ)上派生出三個加長型品種(減小本體直徑而性能基本不變)。4)大直徑液動潛孔錘在結(jié)構(gòu)設(shè)計中還應(yīng)解決以下實(shí)用化問題:(1)設(shè)計可靠的防止巖粉回灌機(jī)構(gòu)大直徑鉆孔內(nèi)沖洗液上返流速低,攜帶排除巖屑能力差,孔底巖屑?xì)埩舳?下鉆過程中防回灌機(jī)構(gòu)可避免巖粉回灌卡塞或磨蝕潛孔錘內(nèi)部零件。(2)消除“空打”現(xiàn)象?！翱沾颉笔侵笣摽族N在鉆孔內(nèi)未接觸孔底而處于懸吊狀況下,送入沖洗液時仍產(chǎn)生有效沖擊?！翱沾颉爆F(xiàn)象屬孔內(nèi)事故隱患,并且不利于正常鉆進(jìn)前的全泵量沖孔排粉。(3)大直徑液動潛孔錘應(yīng)消除運(yùn)動副上的“積砂死區(qū)”,減少密封副、彈簧等易損零件,從設(shè)計和制造工藝兩方面著手,延長零件的使用壽命。(4)大直徑液動潛孔錘質(zhì)量大,承受的回轉(zhuǎn)扭矩亦很大,螺紋副擰卸十分困難。同時大直徑液動潛孔錘應(yīng)用的工作介質(zhì)較差,易出現(xiàn)零部件磨損、阻卡現(xiàn)象,拆檢是經(jīng)常性的。從設(shè)計角度降低大直徑潛孔錘螺紋副的卸扣扭矩是非常必要的。降低螺紋副擰卸力矩的措施有:選擇傳動效率較高的螺紋齒型;提高螺紋尺寸加工精度;降低螺紋表面粗糙度;理化處理螺紋表面;采用不同錐