旋挖钻机入岩机理和钻岩效率的分析

1、旋挖钻机入岩机理和钻岩效率的分析摘要：旋挖钻机破碎入岩到目前为止仍是一个世界性的难题，主要有如下原 因：岩石是一种各向异性、不均质、不连续的物质，弄清岩石的破碎机理，创造 合理的入岩条件实现快速掘进，既要依赖于力学理论和实验手段的发展，又要依 靠现代基础施工设备和工法的不断进步；对旋挖钻机而言，入岩是一个新的挑战， 既要使机器设备在施工过程各个环节中优化匹配，又要在工程中提高钻进破碎效 率，因此对设备的设计理念、钻掘时的工法实践，都提出了更高的要求。关键词：旋挖钻机；入岩；能量；简述了旋挖钻机在桩基础施工中遇到的入岩问题，对入岩过程中岩石的受力 状态以及影响因素进行分析，并针对入岩问题提出了解

2、决的措施和建议。一、参数验证性试验在整个试验过程中，安排了常规的参数验证性试验：运用数理统计的方法， 以提高岩石破碎效率、实现低成本快速钻进为目的，对不同组别的硬岩、风化岩， 从工作装置（钻杆、钻具等）、施工工艺和工法等角度设计了多组参数进行试验。 尽管样本量偏小，但仍可得出一些倾向性的结论：螺旋钻头锥角参量的变化、点式刀具截齿的不同排列方式、嵌岩筒钻的环 切参量等对提高破碎岩石的效率具有重要影响。采用不同的钻进加压模式，从能量场的角度，可合理分配破碎比功、控制 钻进加压的脉动频率、提高截齿钻具的磨蚀性等，对入岩钻机的使用经济性有重 要意义。使用点式刀具是入岩破碎的基本前提，如何增加钻机的磋碾

3、剪切和循环冲 击劈岩效应是完善入岩工法、改进设备的基本方向。二、入岩机理的初步分析压头侵入岩石时载荷与侵深之间的关系。首先，截齿侵入岩石时，在它的 前方出现一个袋状或球状的核，是物体在承受巨大压力作用下发生局部粉碎或显 著塑性变形而形成的，称之为“密实核”。其次，压头侵入岩石的特点是：载荷 p增加之初，侵深按一定比例增加，当达到某一载荷临界值时会发生突然的跃进 现象。待压头继续侵入到一个新的深度以后，载荷p再度上升，侵深h和载荷p 又恢复到某种比例关系。如此不断循环，越是脆性岩石这种跃进破碎越明显，塑 性岩石则比较缓和。再次，在曲线上升段，增加单位载荷所增加的侵深近于常数， 曲线下降部分与加载

4、机构即钻杆刚性有关，不全取决于被侵入的岩石。另外，岩 石在压头的作用下发生跃进式侵入后，崩碎的岩石坑作漏斗状，漏斗顶角的变化 是不大的，不论压头形式、侵人方法、岩石种类如何，口角一般均保持在60。 75。之间。同理，由于旋挖钻机的转矩作用，会发生水平方向的截齿压头侵入一 劈裂破坏效应，此时破碎椎体不是漏斗状，破碎角是与受力方向同向的锐角B。钻进岩石时单位能量分析。点式刀具破碎岩石，可理解为机械能转变成 表面能（把热能和声能折算在表面能内，一般其量级较小，可忽略）的过程。从能 量守恒定律出发，破碎岩石功由两部分组成，一是轴向加压力作的功Wp，二是动 力头输出转矩M作的功Wp。一般在单位面积内（1

5、m直径）钻具在轴向力作用下所 做的功wp与破碎进尺深度h的关系为：Wp=Ph，其中P为轴向加压力。另外， 转矩所做的功wr用于克服摩擦作的功Wf和破碎岩石作的功Wp，即；WF=Wh+Wn。而三*- 2 霓甲 p由此可得动力头转矩破碎岩石所作的有用功为；W,产Wf 叫 =2刨-2江孕P式中r点式刃齿平均半径；岩石摩擦系数，,，一 4 其值约为 0.4；r剪一岩石的抗剪强度；只压一一岩石的抗压强度。同时，钻头每转1周，破碎岩石所需要的功为WR,它等于岩石的抗压强度与 破碎体积之积.即WR=R压Ah式中Wr破碎岩石所用的总功；A钻具的有效工作面积。根据能量守恒原理，破碎岩石所需的功Wr应等于轴向加压

6、力P所作的功Wp 和动力头转矩破碎岩石所作的有用功眠之和。即；W广 Wp + W一 P况伽-#/)这样，整理后得到钻具每转1周破碎进尺深度h的关系式为；. _ jliA衣用, A 户上式表明，可用岩石摩擦系数和岩石抗压强度来估算研磨进尺。三、提高入岩效率的问题轴向加压力。当加在钻头上的压力高于所钻岩石的压人硬度时，岩石就由 表面破碎转为体积破碎，钻速迅速增加，随着钻压的增加截齿的磨损量也随之增 加，当压力增大到截齿的抗压强度时，截齿的磨损明显加剧，呈现破坏性磨损。 因此，钻压有一个最优值，该值保证钻头以较高的速率钻进而截齿磨损最小。选 取合理的轴压是实现高效碎岩的一个必要的前提条件，轴压应根据

7、不同的岩石性 质选取，要避免因轴压偏低造成截齿在岩石接触表面的磨损或疲劳破坏，要根据 截齿直径，确定轴力比压，以获得较高的转速。钻头截齿的冷却。人岩钻机进行特种工况施工时，所面对的是硬度较大、 耐磨性较高的岩石地层。钻具与岩石摩擦时，会在摩擦接触面产生很高的温度， 经实际测定，该温度主要取决于转速、岩石颗粒的硬度和钻具的硬度。接触面的 温度在低于500550C时磨损率较小，超过这个温度时截齿的磨损率迅速增加。 当间歇切削岩石时，其磨损要比连续长距离切削小得多，因为前者能得到一定程 度的冷却。所以钻具的及时冷却十分重要，一般采取的冷却方式是水冷却，在湿 钻过程中，冲洗液起到冷却降温的作用，以保证

8、钻具的耐磨性，提高钻进效率。岩石的可钻性分级。岩石的硬度是表述岩石破碎性质的，不同的岩石抵 抗外界破坏的能力不同，对钻掘机械的要求也有所区别。应用相对广泛的史氏岩 石分级方法采用断面积为13mm2的平端压头，以发生第一次跃进破碎时压头断 面的压强作为硬度指标，并将岩石分成12级。岩石的分级是用来判别钻机人岩 效果的参考依据，对于不同硬度的岩石，应选用合理的转矩和轴压匹配。岩石对钻具的磨蚀。入岩钻机在人岩过程中截齿的磨损十分明显，这是由 于在截齿碎岩的同时岩石也对截齿有一定磨蚀作用。岩石的磨蚀作用包含两种不 同机理，一种是擦蚀，其特征是被磨蚀物体的硬度小于磨蚀物体，后者在前者的 表面上刮削下碎屑

9、末；另一种类似于砚台受到墨的研磨，久而久之也要被磨蚀， 称之为磨损。对于钢制工具而言，除了含石英颗粒的岩石以外，都是以磨损的形 式为主。磨蚀体积与磨蚀路程成正比，正压力和磨蚀速度与体积之间的关系为V-CP式中AVL单位路程所磨损的体积（磨损率）；w 一岩石的磨蚀性系数；P正压力。在材质一定的情况下，适当地调整钻杆的轴向压力可以减小岩石对截齿的磨 蚀速度。冲击的内因.岩石是由各种不同强度的矿物组成的，各向异性和不均质是 它的特征，而大多数中硬和坚硬的岩石是脆性体。在软的地方压人深，硬的地方 压入浅，使刀体作上下往复运动，造成对岩石的冲击。冲击周期即为齿与岩石接 触（齿压入岩石）一次所需的时间，保证完全破碎的条件是冲击周期大于破碎岩石 所需的时间。截齿与岩石接触的时间还与岩石的性质有关，根据实测结果，同样 条件下脆性岩石冲击破碎所需的时问比塑性岩石小8倍。人岩钻进中，截齿以一 定的速度作圆周运动，在这个过程中对岩石进行不断的连续周期性冲击，达到碎 岩进尺的目的。总之，旋挖钻机破碎入岩到目前为止仍是一个世界性的大难题，岩石是一种 各向异性、不均质、不连续的物质，弄清岩石的破碎机理，创造合理的入岩条件 实现快速掘进，既要依赖于力学理论和实验手段的发展，又要依靠