钻孔灌浆设备

1、第二章 钻孔灌浆设备第一节 钻孔设备1 钻孔设备的一般配置灌浆工程的钻孔设备包括钻机和钻进工具。钻进工具是指水龙头以下与其连接组成的全套工具。不同的钻进方法机具配置不完全相同。图2.1-1为回转式岩芯钻机主要设备布置及钻具结构示意图。本节介绍水利水电工程中常用的钻机和主要钻孔工具。（a） （b） （c） （d）图2.1-1 回转式岩芯钻机主要设备布置及钻具结构示意图a-金刚石钻进的钻具；b-硬质合金钻进的钻具；c-全断面钻进的钻具；d-钢粒钻进的钻具；1-钻机；2-动力机；3-水泵或泥浆泵；4-钻塔；5-钢丝绳；6-水龙头；7-送水管；8-吸水管；9-水箱；10-主动钻杆；11-套管；12-钻

2、杆接箍；13-钻杆；14-钻杆锁接头；15-沉淀管；16-沉淀管接头；17-岩芯管；18-钻里钻头；19-钻铤；20-钻铤接箍；21-钻铤锁接头；22-岩芯管接头；23-扩孔器；24-金刚石钻头；25-全断面钻头；26-硬质合金钻头2 钻机2.1钻机的功能钻机是造孔的专用设备，其基本功能是以机械动力带动钻机，以回转、冲击、振动或冲击回转等方式在地壳中钻进成孔。2.2 钻机的结构原理目前，水利水电钻探灌浆主要应用油压给进式立轴钻机和转盘钻机。其基本组成可概括为“三大机构”、“两大系统”，即：回转机构、给进机构、升降机构；机械传动系统和液压传动系统。2.2.1机械传动系统机械传动系统是将输入的动力

3、经变速、变向、变矩分配给回转、升降机构。其作用有三：变速变矩；分配动力；改变运动形式和换向。该系统主要包括联轴节、离合器、变速箱和分动箱。2.2.2 液压传动系统液压传动系统是利用油泵输出的压力油液驱动油马达、油缸等液动机构，以使立轴回转和控制给进机构、移动钻机、松紧卡盘及拧卸钻杆等。该系统主要包括：动力机构、操纵机构、执行机构及辅助装置。动力机构油泵或称能力转换器，由它供给油路系统的压力油，作为整个液压系统工作的动力源。常用的油泵有齿轮泵、叶片泵与柱塞泵等。操纵机构又称控制、调节装置。它包括：调整压力的压力阀（溢流阀、减压阀等）；调节速度的节流阀；变换方向的换向阀等各种不同的阀类。执行机构又

4、称液动机，它包括实现往复运动的各种型式的油缸及旋转运动的油马达等。辅助装置包括油箱、油管、油接头、滤油器及控制仪表等。2.2.3 回转机构回转机构是回转钻具，带动钻头破碎孔底岩石。油压给进、机械传动式钻机的回转机构有立轴式回转器和转盘式回转器。2.2.3.1立轴式回转器的组成、结构型式及特点立轴式回转器的结构见图2-1-2。它主要由箱体、变角装置、横轴、锥齿轮付、立轴导管、立轴及卡盘等组成。其中立轴与卡盘，除传递回转运动外，还通过油缸与横梁带动钻具上下运动。立轴式回转器具有下列特点：（1）立轴式回转器与给进系统在结构上紧密联系，构成一个独立的部件。回转和给进运动通过立轴与卡盘传至钻具。（2）回

5、转器的变角范围大，导向性能好，适于钻进任何倾角的钻孔。图2-1-2 立轴式回转器结构示意图1横轴（或半轴）；2主动伞齿轮；3轴承；4变速箱外壳；5变角装置；6回转器外壳；7轴承；8下压盖；9立轴导管； 10立轴； 11被动伞齿轮；12下卡盘；13上卡盘； 14横梁； 15活塞杆； 16油缸； 17活塞。（3）立轴通孔较小，升降钻具时，回转器必须让开孔口。让开方式主要有后移式和开合式。（4）回转器的锥齿轮传动比较小。（5）回转器本身不能拧卸钻具，需另配拧管机。（6）回转器的结构复杂，制造工艺要求较高。2.2.3.2 转盘式回转器的组成、结构型式及特点转盘就是转盘式钻机的回转器。转盘有两种结构型式

6、：一种是心管定位式，另一种是壳体定位式。前者应用较为广泛。转盘的组成和基本结构见图2-1-3。它由横轴、锥齿轮付、转盘、转柱、回转梁、卡筒、心管及箱体和机座等组成。转盘具有下列特点：图2-1-3 转盘结构示意图1链轮；2横轴；3轴承；4轴颈；6轴承座；7主动锥齿轮；8轴承；9心管；10套轴；11从动锥齿轮；12转盘；13转柱；14回转梁；15卡筒；16螺钉；17变速部分；18机座；19箱体。（1）转盘直接安装在孔口处的机座上，其重心低、强度大、稳定性好。（2）锥齿轮付传动比较大。（3）转盘可以完成拧卸钻具任务，不必另配拧管机。（4）一般转盘通孔都较大，升降钻具可不让开孔口。（5）转盘的变角范围

7、较小，一般为60°90°。（6）卡盘中心与转盘中心的同心度很难保证。（7）转盘结构简单，加工制造较方便。2.2.3.3 给进机构给进机构是调整破碎岩石所需要的轴向压力和控制给进速度。目前，机械传动式钻机采用的给进机构有油压给进和手动机械给进两类。手动机械给进机构有手轮（把）给进、钢绳给进、主动钻杆给进与螺旋差动给进等形式。有的钻机还具有双重给进机构，如XJ-100型钻机既有手动给进机构，又有蜗轮蜗杆齿筒式和机械给进机构。液压给进是一种先进的给进方式，通过操纵液压控制阀，来调整轴向压力和给进速度，实现加压钻进、减压钻进和快速倒杆。它除完成给进系统的功能外，还可完成松紧卡盘工作

8、。2.2.3.4 升降机构升降机构是用以完成钻具、套管和附属工具的升降工作。升降机构的主要工作件是升降机，它主要由传动系统、卷筒和制动器组成。目前，常用的钻机均采用行星轮系传动式升降机，习惯称游星式升降机。图2-1-4 游星式升降机结构示意图1升降机轴；2升降机传动齿轮；3中心轮Za；4游星轮轴；5游星轮Zg； 6内齿圈Zb；7卷筒； 8提升抱闸； 9制动抱闸；10游星架（1）游星式升降机的结构：我国钻进绝大多数采用卷筒与内齿圈固定的定轴轮系传动型游星式升降机，其传动系统结构见图2-1-4。（2）游星式升降机的工作原理与操纵状况：升降机工作原理示意图见图2-1-5。图2-1-5 行星式升降机工

9、作原理示意图（a）提升 （b）制动 （c）下降1中心齿轮；2行星齿轮；3齿圈；4支架提升：升降机接受动力后，中心轮处于转动状态，扳下提升抱闸手把，同时松开制动抱闸，提升抱闸闸住，提升制圈及行星齿轮的支架等，此时，行星齿轮在中心齿轮带动下只能自转并带动齿圈转动，卷筒就缠绕钢绳进行提升。制动：扳下制动抱闸、刹住下降制圈，同时松开提升抱闸，卷筒、内齿圈被闸住不转，钻具停止升降。由于中心齿轮继续转动，故在齿圈及中心齿轮的影响下，行星齿轮构成的“转动体”转动，行星齿轮既自转又公转，转动方向和速度是固定的。下降：提升和制动抱闸都处于松开状态，在钻具自重作用下，卷筒反转，放松钢丝绳，下降钻具。2.3 钻机的

10、种类与选择应根据施工环境、岩石性质、钻孔深度、钻孔方向、钻孔直径和灌浆方法等因素选择高效率的钻孔方法和钻机。2.3.1 回转式钻机回转式钻机是目前使用最多的一种钻孔设备。按其回转机构的不同，回转式钻机分为立轴式、转盘式和动力头式三种。其中立轴式又分为手把式、液压式、螺旋差动式和全液压式四种。其中，立轴式液压钻机由于分档较多，转速高，机体较轻，操作简便、能耗较低，是我国帷幕灌浆钻孔的主要设备，这种钻机按其钻进能力分为100米、300米、500（600）米、1000米，即、四种规格，在灌浆工程中四种规格的钻机都有应用，但应用较多的还是、型轻型钻机。我国许多钻探机械厂都能生产各种规格的不同型号的立轴

11、式液压钻机，表2-1-1为部分国产钻机型号和主要性能。我国一直也从国外进口一些回转式钻机，但数量不多，使用不很广。表2-1-1 灌浆工程常用的部分回转钻机型号和规格性能钻机型号钻孔深度（m）钻孔直径（mm）钻孔倾角（°）转速（r/min）配备动力（kW）主机重量（kg）制造商XY-1A1801509075140101011500北京探矿机械厂XY-11007511090751425708.8500DK36013512897.5600XY-2300563000-9065117222950重庆探矿机械厂XY-2PC150561500-9081119011650G

12、X-ITD150751500-909060011500GX-50100751500-90993787.5360SGZ-1A15075110036095100011690杭州钻机制造厂SGZ-A300751300360129120018.5920HXY-1100481500-9014560011500合肥探矿机械厂GXY-1A200461500-3606165411650无锡探矿机械厂HT-150A1505611003608385411380衡阳探矿机械厂HY-1A10050110036014257011750注：主机重量有的不含动力机，有的包含。2.3.2 冲击回转式钻机冲击回转式钻机是以回转

13、式钻机为基础，在钻头上部连接一个专门的冲击器（也称潜孔锤），在钻进中钻机提供一定的轴向压力和回转力矩，冲击器给钻具一定频率的冲击能量，在孔底以冲击和回转切削的共同作用破岩钻进的一种机械。按使用动力的不同，常用的冲击器有风动式和液动式。与回转钻进相比，它钻孔速度快，机动灵活，钻孔费用较低。冲击回转式钻机的种类较多，灌浆工程中常用的型号及其性能见表2-1-2。表2-1-2 部分冲击回转钻机型号及性能表钻机型号钻孔深度（m）钻孔直径（mm）钻孔倾角（°）转速（r/min）配备动力（kW）主机重量（kg）制造商QDG-2-15012030012015132303700北京探矿机械厂GZ-15

14、0807315009010144372000QDG-125150200209025130111000DK1501003659036013512907.5300北京风动机械厂 MGJ-506050700180264811720重庆探矿机械厂MGY-100100100200201106162373000MD-3050651300901111815无锡探矿机械厂MD-505011015010902016718.5590MD-10010011020009011212373460JMZ-150305080150-1090山东地质探矿机械厂MK-27575090101557.5550煤科院西安钻探研究所M

15、K-42007509010300221100SM系列603150360046375110900010500意大利soilmecKlemm802系5114850021000德国宝峨公司Mustang系列30100阿特拉斯-柯普柯注：主机重量有的不含动力机，有的包含。2.3.3 冲击式钻机冲击式钻机（凿岩机）在灌浆工程中多用于回填灌浆、固结（浅孔）灌浆和衔接帷幕灌浆的钻孔。虽然冲击钻机的钎杆也须作回转运动，但这种转动并不是在打击钎杆时发生，钎头刃在冲击破碎岩石时并不转动，是一种纯冲击式钻机。在施工中常用的冲击钻机有手提式凿岩机、气腿式凿岩机（轻型、重型）等。2.4 钻机的

16、维护保养钻机是钻探灌浆的重要设备，只有通过正常的维护和保养，才能使钻机延长使用寿命和保持良好的工作状况。2.4.1 钻机的维护2.4.1.1 开动前的检查与维护（1）检查变速箱、回转器、减速箱、液压油箱等的油量是否适当。（2）检查制动装置、离合器、锁紧装置和分动机构等的作用是否可靠，必要时进行调整。（3）在开车试运转中，注意检查仪表是否灵敏可靠。2.4.1.2 运转中的操作与维护（1）挂档变速前，先要扳开离合器。（2）操作离合器时，必须轻匀、平稳。（3）使用卷扬机时，严禁将升降手把和制动手把同时闸紧。（4）在钻进过程中，随时注意轴承、齿轮传动力等有无冲击声；温度是否超过烫手温度（60）。若发现

17、问题应及时处理。2.4.2 钻机的保养钻机的保养作业按以下要求进行。2.4.2.1 每班保养（1）将机器外表洗擦干净，注意保持底座滑道、立轴、导向杆的滑动面清洁和良好的润滑状态。（2）紧固外表所有起固定作用的螺钉、螺帽和保险销。（3）按照要求向需要润滑部位和油嘴加注适量的机油或黄油。（4）检查各密封部位有无漏油现象，如有，立即消除。（5）检查皮带的松紧是否合适，有无损伤。（6）检查各齿轮箱和压力油箱的油位，必要时加添油液。（7）消除机器在本班内发生的一切故障。2.4.2.2 每周保养（1）彻底进行每班保养所规定的各项作业。（2）检查立轴箱或转盘箱的油量是否适当，进行必要的加添。（3）检查卡盘有

18、无松动和损伤，将卡盘上盖卸开，将卡盘外露部分擦拭干净，并注入黄油。（4）检查摩擦离合器、升降机的制带的作用是否可靠，清除制带上的泥、油等脏物，并进行必要的修整。（5）检查手动油泵的作用是否可靠。2.4.2.3 每月保养（1）彻底进行每周保养所规定的各项作业。（2）清洗液压油箱和过滤器。检查液压油是否清洁，有无变质，必要时应予更换。（3）检查传动变速箱、立轴箱或转盘箱、离合器油泵传动齿轮箱中油料是否清洁，必要时应予更换。（4）对所有采用润滑油润滑的部位，普遍加上足够的润滑油。（5）检查离合器、传动变速箱、回转器（或转盘）、横梁卡盘、升降机等主要部件的技术状况，如有损伤应进行修理或更换。2.4.3

19、 钻机检修机械检修工作十分重要，生产单位要合理安排，把工作和检修有机结合起来，钻机检修周期参见表2-1-3。表2-1-3 钻机检修周期表类别间隙时间（运转小时）检修要求检查和修理内容小修356400检查调整更换机油，紧固各部位连接螺栓。调整链条和三角皮带的松紧程度，压紧圆锥滚动轴承的透盖。检查并调整转盘大小伞齿轮背帽的松紧程度，个别销键的更换。中修15002000主要零部件的拆检达到运转圆滑，温度正常，减少晃动和噪音拆洗离合器，修圆制带，修换销键，主要易损零件（如轴、齿轮、轴承的修换）大修50006000全面检查修理、恢复设计制造的技术性能机体磨损部分的焊补镗孔，主要零部件的修换，校正机架，铆

20、接制带，整钉铭牌，外表喷漆。3钻具钻具即钻进工具，它由主动钻杆、钻杆、钻铤、岩芯管、沉淀管、各种连接接头、接箍以及钻头组成。这里主要介绍几种常用的钻头和扩孔器。3.1 硬质合金钻头硬质合金钻头的结构要素有钻头体、切削具出刃、切削具镶焊角、切削具在钻头底面的排布、切削具在钻头上的数目、钻头的水口和水槽等。硬质合金钻头适合于7级以下硬度的岩石中钻孔，有较高的钻进效率。与钻粒钻头相比，它具有钻进时钻机平稳，成本低，孔壁圆整，不受钻孔方向的限制等优点，但在坚硬岩石中钻进效率不高。常用硬质合金钻头的结构型式及主要参数见表2-1-4。表2-1-4 常用硬质合金钻头的型式及主要参数钻 头结构型式钻头直径（m

21、m）主要尺寸（mm）肋骨数硬合金数（粒）备 注DD1dC阶 梯肋骨钻头152/11215013011610414132/921301109610414112/7311091779.541293/57917561841277/427560467.5410单双粒钻 头154/131150142.513518134/1121301231161218114/92110103961295/73918477979/577568619595649426内外镶合金钻头152/1331501351012132/11413011610112/9411096893/7591776875/597561658/4056

22、424三八连续掏槽式合金钻头94/7491774组(12)78/5875613组(9)59/3956422组(6)扭方柱硬合金钻头113/9311010396994/749184776978/58756861659/395649424品字形硬合金钻头114/93110103965组(15)95/749184774组(12)79/587568613组(9)全断面矛式合金钻头114110959179756056全断面翼片钻头结构型式和主要尺寸参见图2-3-7和表2-3-4注：取芯钻头的钻头直径表示方法是以分子表示包括出刃的外径，以分母表示包括出刃的内径。通常所称“钻头直径”是指不包括合金出刃的钻头

23、最大外径（D）。全断面钻头的直径是指包括合金出刃的钻头最大外径。（1） 阶梯肋骨钻头。阶梯肋骨钻头是用T105型硬合金切削具焊接而成的，其特点是肋骨片较厚、水口宽、钻进时孔底呈阶梯状。可钻进35级岩层。如页岩、砂页岩和胶结不紧密的砂岩等。（2）内外镶硬合金钻头。内外镶硬合金钻头镶有T313型硬质合金，在较坚硬地层也可镶T105切削具，可斜镶也可直镶。适用于35级岩层，如均质石灰岩、大理石、较松散的砂岩及页岩等，也可镶T110型合金，用以钻进57级和部分8级不均质岩层，如长兴灰岩、硅化灰岩和凝灰岩等。（3）三八式硬合金钻头。也称三八连续掏槽式硬合金钻头，这种钻头把T105、T107、 T110型

24、小、中、大八角柱状硬质合金切削具顺序排成一组，产生连续掏槽，扩槽的破岩作用，耐磨性较高，适用于57级多裂隙地层。（4）扭方柱硬质合金钻头。也称“负前角阶梯钻头”，该钻头镶T130型硬质合金，方柱切削具扭转45°，分内、中、外三环分布。并把切削具成1015°负前角斜镶。三环的底出刃不同，成阶梯状。其特点是能承受较大的轴向压力，不易崩刃，可钻进57级及部分8级中硬岩层。特别适用于钻进研磨性大，均匀性差的岩层，如辉长岩、玄武岩、砂岩、风化的辉绿岩、闪长岩、矽嘎岩、硅化的页岩和石灰岩等。（5）矛式钻头。矛式钻头是一种不取芯、全断面硬质合金钻头，钻头主翼片呈锥形，侧翼片较短，起扩孔保

25、径作用，镶T310型硬质合金切削具。钻头中间有一个27mm的水眼，为增大水流速度，可制成14mm的收敛式水眼，形成强力冲洗。适用于钻进24级红色黏土，疏松砂岩及塑性强的地层。（6）三翼片阶梯硬质合金钻头。翼片阶梯硬质合金钻头体的形状呈炮弹形，可用普通钻粒钻头改制，翼片用15mm厚钢板制成阶梯形，在翼片边缘镶S306型硬质合金。这种钻头适用于钻进34级页岩，部分5级砂页岩及灰岩，是适于强力规程的一种钻头。其规格尺寸见表2-1-5。表2-1-5 三翼阶梯式硬质合金钻头尺寸 单位mm钻头直径(mm)dDD1D2D3RL1L213411013094581107060180114901108662916

26、055170957191674375505016079557551276640451503.2 金刚石钻头3.2.1金刚石钻头与扩孔器金刚石钻头具有钻进效率高，钢材消耗少等优点。它不受岩石硬度、钻孔方向的限制。金刚石钻头与扩孔器可分为表镶或孕镶两种方式，这里主要介绍的是孕镶金刚石钻头与扩孔器。根据地矿标准，孕镶金刚石钻头和扩孔器的规格分别见表2-1-6、表2-1-7。 表2-1-6 金刚石钻头尺寸表 单位：mm类型规格D+0.5+0.3D1+0.1-0.1d+0.1-0.1d1-0.05-0.10d2-0.05-0.10d3+0.2d4d0水口（个）单管钻头464644293937.53234

27、.53736565654394947.54244.547412666664495957.55254.557614767674596967.56264.567816双管钻头36363521.53129.529.532.524464645294139.539.542.536565655395149.549.552412666665496159.559.562614767675597169.569.572816表2-1-7 金刚石扩孔器尺寸表 单位：mm类型规格D-0.1D1+0.3+0.1d+0.1d1-0.05-0.10d2-0.05-0.10d3-0.1d0+0.2d1+0.1+0.05d2+

28、0.1+0.05单管扩孔器464446.531.537.53634.539.537.539565456.541.547.54644.549.547.549666466.551.557.55654.559.557.559767476.561.567.56664.569.567.569类型规格D+0.1-0.1D1+0.3+0.1d+0.1d1-0.05-0.10d2-0.05-0.10d3d0d1d2双管扩孔器363536.5263129.5464546.5364139.5565556.5465149.5666566.5566159.5767576.5667169.53.2.2金刚石取芯钻具灌浆

29、工程先导孔和检查孔常常需要采取岩芯，合理地选择和使用取芯钻具是提高岩芯采取率的重要条件。常用的有单管取芯钻具、单动双管取芯钻具，较特殊的有三层岩芯管取芯钻具、喷射式孔底反循环取芯钻具等。单管取芯钻具 它构造简单，制造容易，操作方便。钻具强度大，使用费用低。在完整、均质的岩层，或对取芯要求不很高的情况下使用。单动双管取芯钻具 这种钻具的内管接头与外管接头之间设有轴承组，可使内管不随钻杆转动，岩芯进入内管后能保持相对静止，也不受循环液冲洗，因此取芯率高。使用单动双管取芯钻具能提高钻速和回次长度，降低金刚石消耗，延长钻头使用寿命。单动双管取芯钻具可在节理、片理、裂隙发育和软硬互层的地层中使用，是金刚

30、石钻进中常用和主要的配套工具之一。三层岩芯管取芯钻具 在某些粉状岩层、遇水溶解地层、胶结不好的土层或对岩芯品质要求很高的情况下，要在内管中设置第三层管，以便更好地保护岩芯。第三层管有两种类型：一种是塑料管（低压聚乙烯管），另一种是金属半合管。钻进时岩芯进入第三层管中，当装满岩芯的内管总成取出后，卸去两端的连接件，有内管中取出第三层管。若是塑料管则用刀将其切开，若是半合管则将其分开即可取出满足要求的岩芯。由于设置了第三层管，钻头内径将减小3mm左右。喷射式孔底反循环钻具 这种钻具分为弯管型和分水接头型两种形式。其工作原理是冲洗液在泵压作用下由钻杆流至喷嘴喷出，经由称承喷装置进入弯管或分水接头，再

31、流至钻具外的环状间隙，向上返出或向下流动。由于高速射流的作用，喷嘴附近形成负压，导致岩芯管中所存冲洗液被吸附流进承喷装置混合、流出，从而形成孔底反循环。喷射式孔底反循环钻具在硬、脆、碎地层中钻进，取芯可靠，采取率高，同时由于孔内清洁，能大大减少卡、埋钻事故。3.3 钻粒钻头由于人造金刚石的应用，金刚石钻进工艺发展迅速，钻粒钻进的应用大大缩小。钻粒钻头标准系列有75、91、110、130、150五种规格。其结构尺寸见表2-1-8。钻进效率的高低，钻头水口起主要作用，常用的钻头水口形状有单弧形、双弧形、单斜边、双斜边、斜梯形等。表2-1-8 钻粒钻头尺寸表 单位：mm规格DD1D2dd1d2bR重

32、量（kg）7575576268-1266.5-1266782006.39191737884-1482.5-1482951727.81101109095103-14101.5-1410111516110.9130130110115122-16120.5-1612013615712.7150150130135141-16139.5-1613915715315.33.4 冲击器按动力方式，冲击器可分为液动冲击器、风动冲击器（潜孔锤）和机械作用式冲击器。前两种用得较多。3.4.1风动冲击器（潜孔锤）潜孔锤是在孔底做功的冲击器。分为阀式和无阀式两种型式，无阀式冲击器对风压要求较低，零件使用寿命长，适应性

33、强，较多采用。潜孔锤由配气装置、活塞、气缸、外套和一些附属零件组成。目前我国主要风动工具厂都能生产不同型号、性能和规格的无阀冲击器，其主要类型与技术参数见表2-1-9。潜孔锤钻头一般有柱齿状或球齿状钻头，其型号有80、90、96、100、200、250等。表2-1-9 部分潜孔锤的型号与技术参数型号钻孔直径（mm）外径（mm）风压（MPa）耗风量（m3/min）频率（Hz）冲击功（kg·m）CIR6568560.51.22.55.13.89.1CIR8089720.51.24.58.16.415.3CIR9095、100800.51.25.09.214.07.919CIR110110

34、、120960.51.27.914.912.830.6CIR1501551360.50.715.913.324.759.4CIR1701751560.50.716.813.331.976.5J-100B105115950.40.7914.515J-150B1501601360.40.71514.233WC-8595120850.518221016812WC-1501651420.557.5151922.7DH-4105115920.562.462.2814.722.333.315.266.5DH-61521651360.562.467.136.8203145197.7DHD-340A10511

35、5920.562.462.313.318.13015.869.43.4.2液动冲击器液动冲击器是以冲洗泵输送的高压液流做为动力源的。液动冲击器种类较多，其中阀式冲击器比较成功。可用于灌浆工程钻孔的主要是阀式正作用液动冲击器，有TK系列、ZF-56型、EPL-1型等。3.4.2.1TK系列液动冲击器TK系列液动冲击器是一种正作用冲击器，由冶金工业部第一地质勘探公司探矿技术研究所1980年研制成功的。这种冲击器包括：TK-56型、75型、91A型、TK-60S型和TK-75S型。其中后两种是绳索取心冲击回转钻具中的冲击器。实践证明，使用TK系列冲击器能够较大幅度地提高钻进效率和钻探质量，降低生产成

36、本，深受使用单位欢迎。主要技术参数见表2-1-10。（1）.结构与工作原理TK系列冲击器是以高压液流推动活塞冲锤下行冲击铁砧，而借弹簧力使活塞冲锤恢复到原来位置。当活塞冲锤在冲锤弹簧的作用下处于上位，其中心孔被阀盖住。在高压液流作用下，活塞和阀一同下行，压缩弹簧打击铁砧。在即将打钻之前的瞬间，阀由于阀座所阻，阀与活塞冲锤分开，在阀弹簧的作用下恢复到上位。在阀离开活塞冲锤后，中心孔开放，活塞上面卸压。活塞冲锤在弹簧作用下上返，当其与阀接触后，继续下行。循环周而复始，形成连续冲击。表2-1-10 TK系列冲击器技术参数表型 号TK-56TK-75ATK-91A钻孔直径（mm）57、607591、1

37、10冲击器外径（mm）557373钻进方法金刚石或硬质合金冲击回转金刚石或硬质合金冲击回转金刚石或硬质合金冲击回转工作压降（MPa）高频1.11.91.01.91.52.2低频1.52.52.03.02.03.5工作泵量(L/min)高频55906012090150低频72120120180180200单次冲击功（kg.m）高频0.41.30.61.80.72.0低频0.93.52.907.2057冲击频率（次/min）高频240031002300300024003200低频170023001600230012001500总长（mm）167216021700质量（kg）253537（2）钻具的

38、特点冲击器性能良好，工作可靠，易损件寿命长，故障少。TK-56、TK-75A型冲击器主要易损件的寿命均高于国外同类产品。冲击器结构简单，质量轻，制造和维修容易，造价低，适用范围广，既可用于清水钻进，也可用于含砂量低的泥浆钻进。冲击器适用于不同钻进方法的需要。更换阀簧与阀簧座，调节泵量，可获得不同的冲击功和冲击频率。既可用于金刚石冲击回转钻进，也可用于硬质合金冲击回转钻进。泵压、泵量较低，操作简单，使用方便，易于推广应用。采用金刚石冲击回钻进时所用设备、附属器具与回转钻进基本相同，仅需配备耐压（大于10MPa）钢丝编织胶管、稳压罐（容积20L）、防震泵压表以及耐高压流量表。（3）应用效果TK系列

39、液动冲击回转钻具在全国冶金、地质、水利水电等8个系统所属200多个勘探队推广应用，总进尺近30万m，为提高钻进效率和钻探质量做出了较大贡献，创造了巨大的经济效益。绳索取心冲击器还打入国际市场，进入澳大利亚和加拿大的钻探机台。该系列液动冲击回转钻具荣获1987年度冶金工业培科技进步一等奖和1988年度国家科技进步三等奖。生产实践证明，TK系列冲击器具有以下优点：钻进效率高，是克服金刚石钻头“打滑”的现象的有效手段。在6级以上中硬和坚硬岩层中，冲击回转钻进的钻速均高于普通回转钻进的钻速。钻速可提高15%30%，最高达10余倍。岩层越硬，提高的幅度越大，在911级岩层中可提高30%以上。水利电力部成

40、都勘测设计院1983年9月份使用TK-56型冲击器钻进1011级流纹岩，进尺为835m，平均小时效率比金刚石回转钻进提高46%，回次进尺提高75%。黄委会设计院地质勘探总队1994年在11级石英砂岩地层中使用TK-75型冲击器进行冲击回转金刚石钻进，平均小时效率比金刚石回转钻提高125%，最高达193%。长江委三峡勘测研究院1996年在11级石英砂岩“打滑”地层采用TK-91型冲击器进行金刚石冲击回转钻进，采用天然孕镶金刚石钻头，胎体硬度HRC40±5金刚石粒度2040目，平均小时效率是金刚石回转进的几十倍。四川冶金地质609队在相同地层中采用相同金刚石钻头冲击回转钻进，纯钻进时间利

41、用率由24%提高到48%，台月效率由200m提高到475m。回次进尺长。冲击回转钻进时，岩心管在高频脉冲作用下发生颤动，使岩心顺利进入岩心管，防止岩心堵塞。所以，无论是在破碎地层还是在倾角较大的地层，均不易发生岩心堵塞现象，从而提高了回次进尺。一般情况下，回次进尺可提高30%50%以上，最高可提高110%。取心质量好。由于减少岩心堵塞，避免了岩心磨损，因而冲击回转钻进岩心采取率比回转钻进有显著提高。如长江委三峡勘测研究院在石砂层地层采用冲击回转钻进，岩心采取率由20%提高到91%，彻底改变了“打滑”地层岩心采取率过低的现象，深受地质人员欢迎。提高压水试验成果质量。冲击回转钻进，孔壁光滑规则，孔

42、径均匀，利于压水试验器顺利升降及胶塞封隔试段，从而提高压水试验质量。延长钻头寿命。金刚石回转钻进“打滑”地层时，往往用酸腐蚀、投石英砂或地表研磨钻头、采用软胎体钻头等方式来克服“打滑”现象，导致钻头寿命降低。冲击回转钻进一般使用胎体硬度为HRC4045较硬胎体钻头，钻头平均寿命可提高一倍以上。降低钻探成本。冲击回转钻进，小时效率提高，回次进尺增加，纯钻率提高，钻头寿命延长，缩短施工周期，从而可降低钻探成本。一般可降低10%30%。3.4.2.2 ZF-56型液动冲击器ZF-56型液动冲击器是一种带减耗阀的正作用活阀式高频冲击器，它是由河北省地质局综合研究地质大队研制的，经过生产试验，取得了良好

43、的实用效果。（1）主要技术性能外径：54mm；钻头直径：5659mm；泵量：60100L/min；泵压：（2.03.5）MPa；冲击频率：4257Hz；长度1.5m；质量1820kg。（2）冲击器的特点高频小冲击功，可以用于金刚石或硬度较高的硬质合金冲击回转钻进，不需配备减速装置，便于大范围推广。泵量小，泵压适中，可以利用现有泥浆泵，无需采用新泵。所需钻具、钻头、钻进规程、操作方法与常规钻进方法大致相同，便于工人掌握。结构简单，便于调试，易于修理。易损零件容易更换，便于加工，具有一定寿命。采用活阀式配水机构，密封点少，能够采用轻泥浆钻进。启动容易，工作稳定可靠调节范围宽。在满足泵量、泵压进，性

44、能不受孔深限制。冲击器有冲孔机构，有较高的有效作用系数。（3）应用效果20世纪年代以来，地质矿产系统开发出6个系列近30个规格的液动冲击器，ZF-56型冲击器就是其中的一种。到90年代初，该系统推广液动冲击器总台数2000台套，进尺超过100多万米。实践证明，推广液动冲击器后普遍获得较好效果，在中硬、坚硬和硬、脆、碎岩层中技术经济指标均明显优于回转钻进，钻进效率提高30%60%，甚至100%以上，成本降低15%，钻孔弯曲度得到改善。硬、脆、碎地层中岩心采取率提高到90%以上。台月效率提高52%100%。陕西省勘测设计院在坚硬“打滑”地层（可钻性11级）采用ZF-56型液动冲击器。在金刚石冲击回

45、转钻进中，平均小时效率达0.47m/h，比金刚石回转钻进提高倍。3.4.2.3 型双作用冲击器型冲击器是一种阀式双作用冲击器。原长江流域规划办公室勘测总队承担“六五”科技攻关项目“型双作用冲击器”的科研任务，并获得原水利电力部科技进步四等奖。（1）冲击器主要技术性能外径：54mm；钻头直径：59mm；泵量60114L/min；泵压（1.52.2）MPa；冲击频率：1735Hz；长度：1.8；冲击行程：1214mm；启动泵压：（200500）kPa；启动泵量：3245L/min；质量：25kg（以上数据由地质部勘探技术研究所测定）。（2）冲击器的特点目前国内已研制的冲击器，泵量、泵压大都比较高，

46、要求管路密封严格，现有水泵难以达到要求。水利水电勘探的特点是孔浅，为此，设计了一种泵压较低、泵量较小的冲击器，冲击频率和冲击功不能满足金刚石和硬质合金冲击回转钻进的需要，测试表明，有以下特点：起动性能好。泵量32L/min、泵压200kPa便能启动。活塞运动灵活性较好。冲击器正常工作时，泵压不高，如泵压2.1MPa、泵量90L/min。对管路密封要求可大大降低。采用活阀式分流器，提高背压以减少冲击功。活阀式分流器，使送入孔底的流量占57%。（3）冲击器工作原理在冲击器工作前，冲锤活阀与下活阀停在铁砧上。液流通过冲锤活阀、铁砧中心的通孔流向孔底。当水泵送入的高压液流通过铁砧内孔下部的节流孔时，由

47、于节流产生背压、下活阀面积大于上活阀面积，液流将冲锤活阀与下活阀抬起，并使其与上活阀1接触，切断水路。这时在高压水锤力作用下，推动上活阀及冲锤活阀、下活阀一同急速下行。当上活阀行至行程限位器时，因被限制而停止运动。而冲锤活阀与下活阀在惯性力和重力作用下，继续下行，冲击铁砧。上活阀在弹簧作用下复位。如此反复动作，即可冲击钻进。在金刚石冲击回转钻进中，要维持冲击器正常工作所需的一般应大于100L/min。如果把这些泵量全部送入孔底，必然导致泵压过大，对钻头产生浮托力，增加液流对钻头胎体的冲蚀和岩心的冲刷以及对钻头钢体的冲蚀。因此，必须对冲击器作功后的液体进行分流。活阀式分流器的工作原理：经冲击器作

48、功后的液流进入分流器活阀内腔，一部分从相隔120度的分流孔流入管外空间，另一部分从阀内腔收缩孔流入岩心管、钻头到管外空间与分流体一同返回地表。当下端压力升高时，活阀失去原来的平衡状态，便向上运动，堵塞部分或全部分流孔，造成憋泵，预示孔内故障，应立即提钻。（4）应用效果长办勘测总队在万安、构皮滩、三峡等水利枢纽坚硬或“打滑”地层中采用EPL1型冲击器进行金刚石冲击回转钻进，台时效率比金刚石回转钻进提高40%70%，回次进尺提高75%，岩心采取率可以达到90%95%，成本有所降低。该冲击器性能就不断完善。3.4.2.4 钻进技术参数应根据岩性、钻头直径与结构、硬质合金块数、金刚石钻头唇部面积等因素

49、进行合理选择。（1）钻压硬质合金冲击回转钻进，钻压的作用主要是保证切削具与岩石能紧密接触，以便有效地传递冲击功，对碎岩不起主要作用。钻压不宜过大，一般以（45）kN为宜。金刚石冲击回转钻进，钻压与金刚石回转钻进基本相同。（2）钻速硬质合金冲击回转钻进，转速都较低，这是为了降低切削具的磨损和增加回次长度，一般常用低转速6070r/min。对硬岩或强研磨性岩石，碎岩主要靠冲击作用。转速一般为3045r/min。裂隙发育地层，转速可达120170r/min。金刚石冲击回转钻进，由于孕镶钻头主要靠细粒金刚石磨削作用，因而转速应高。一般应采用450940r/min。（3）冲洗液量冲洗液量是冲击回转钻进的一个关键参数。因为冲洗液不仅影响洗孔质量，而且直接影响冲击器的工作性能冲击功和冲击频率，从而影响钻进效率。在钻进时，只要地层允许，水泵合适，应尽可能采用较大的冲洗液量。冲击器所需的冲洗液量一般在60150L/min，这样的冲洗液量能够满足洗孔和冷却钻头的需要。在一般情况下，冲击器（500600）kPa时就可以开始工作，当达到（1.82.0）MPa时，冲击器工作就稳定。孔深增加时，会产生压力损失，平均每百米增加（200300）kPa。3.4.2.5操作注意事项（1）初次使用时，可在孔口进行启动试验。冲击器启动容易，工作正常，就可下