钻孔灌浆机具技术应用探讨.docx

钻孔灌浆机具技术应用探讨.docx

《钻孔灌浆机具技术应用探讨.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钻孔灌浆机具技术应用探讨.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

钻孔灌浆机具技术应用探讨

1钻孔机具

1.1钻孔机具的一般配置

灌浆工程的钻孔机具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2-3-1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2-3-1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

1.2钻机

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。

1.2.1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Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ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Ⅰ、Ⅱ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式液压钻机，表2-3-1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2-3-1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-1A

180

150

90～75

140～1010

11

500

北京探矿机械厂

XY-1

100

75～110

90～75

142～570

8.8

500

DK-150

150

36～59

0-360

135～1289

7.5

600

XY-2

300

56～300

0-90

65～1172

22

950

重庆探矿机械厂

XY-2PC

150

56～150

0-90

81～1190

11

650

GX-ITD

150

75～150

0-90

90～600

11

500

GX-50

100

75～150

0-90

99～378

7.5

360

SGZ-1A

150

75～110

0～360

95～1000

11

690

杭州钻机制造厂

SGZ-ⅢA

300

75～130

0～360

129～1200

18.5

920

HXY-1

100

48～150

0-90

145～600

11

500

合肥探矿机械厂

GXY-1A

200

46～150

0-360

61～654

11

650

无锡探矿机械厂

HT-150A

150

56～110

0～360

83～854

11

380

衡阳探矿机械厂

HY-1A

100

50～110

0～360

142～570

11

750

注：

主机重量有的不含动力机，有的包含。

1.2.2冲击回转式钻机

冲击回转式钻机是以回转式钻机为基础，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2-3-2。

表2-3-2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-2-1

50

120～300

120

15～132

30

3700

北京探矿机械厂

GZ-150

80

73～150

0～90

10～144

37

2000

QDG-1

25

150～200

20～90

25～130

11

1000

DK－150

100

36～59

0～360

135～1290

7.5

300

北京风动机械厂

MGJ-50

60

50～70

0～180

26～48

11

720

重庆探矿机械厂

MGY-100

100

100～200

20～110

6～162

37

3000

MD-30

50

65～130

0～90

11～118

15

无锡探矿机械厂

MD-50

50

110～150

－10～90

20～167

18.5

590

MD-100

100

110～200

0～90

11～212

37

3460

JMZ-150

30～50

80～150

-10～90

山东地质探矿机械厂

MK-2

75

75

0~90

10~155

7.5

550

煤科院西安钻探研究所

MK-4

200

75

0~90

10~300

22

1100

SM系列

60～315

0～360

0～463

75～110

9000～10500

意大利soilmec

Klemm802系列

150

254

0～90

80.5～114

8500～21000

德国宝峨公司

Mustang系列

★

30～100

阿特拉斯-柯普柯

注：

主机重量有的不含动力机，有的包含。

1.2.3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。

1.3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。

1.3.1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2-3-3。

（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3～5级岩层。

如页岩、砂页岩和胶结不紧密的砂岩等。

其结构型式见图2-3-2。

表2-3-3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

（mm）

主要尺寸（mm）

肋骨数

硬合金数（粒）

备注

D

D1

d

C

阶梯肋骨钻头

152/112

150

130

116

10

4

14

参见图2-3-1

132/92

130

110

96

10

4

14

112/73

110

91

77

9.5

4

12

93/57

91

75

61

8

4

12

77/42

75

60

46

7.5

4

10

单双粒

钻头

154/131

150

142.5

135

—

—

18

参见图2-3-2

134/112

130

123

116

—

—

12～18

114/92

110

103

96

—

—

12

95/73

91

84

77

—

—

9

79/57

75

68

61

—

—

9

59

56

49

42

—

—

6

内外镶合金钻头

152/133

150

—

135

—

—

10～12

参见图2-3-3

132/114

130

—

116

—

—

10

112/94

110

—

96

—

—

8

93/75

91

—

77

—

—

6～8

75/59

75

—

61

—

—

6

58/40

56

—

42

—

—

4

三八连续掏槽式合金钻头

94/74

91

—

77

—

—

4组（12）

参见图2-3-4

78/58

75

—

61

—

—

3组（9）

59/39

56

—

42

—

—

2组（6）

扭方柱硬合金钻头

113/93

110

103

96

—

—

9

参见图2-3-5

94/74

91

84

77

—

—

6～9

78/58

75

68

61

—

—

6

59/39

56

49

42

—

—

4

品字形硬合金钻头

114/93

110

103

96

—

—

5组（15）

参见图2-3-6

95/74

91

84

77

—

—

4组（12）

79/58

75

68

61

—

—

3组（9）

全断面

矛式合金

钻头

114

110

—

—

—

—

—

参见图2-3-7

95

91

—

—

—

—

—

79

75

—

—

—

—

—

60

56

—

—

—

—

—

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。

图2-3-2阶梯式肋骨钻头

（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3～5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5～7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。

其结构型式见图2-3-3。

图2-3-3内外镶硬合金钻头

（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5～7级多裂隙地层。

其结构型式见图2-3-4。

图2-3-4三八式硬合金钻头

（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10～15°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5～7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。

其结构型式见图2-3-5。

图2-3-5扭方柱硬合金钻头

（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，起扩孔保径作用，镶T310型硬质合金切削具。

钻头中间有一个φ27mm的水眼，为增大水流速度，可制成φ14mm的收敛式水眼，形成强力冲洗。

适用于钻进2～4级红色黏土，疏松砂岩及塑性强的地层。

其结构型式见图2-3-6。

图2-3-6矛式钻头

（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3～4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。

其结构型式见图2-3-7，规格尺寸见表2-3-4。

图2-3-7三翼片合金钻头

表2-3-4三翼阶梯式硬质合金钻头尺寸单位mm

钻头直径（mm）

d

D

D1

D2

D3

R

L1

L2

134

110

130

94

58

110

70

60

180

114

90

110

86

62

91

60

55

170

95

71

91

67

43

75

50

50

160

79

55

75

51

27

66

40

45

150

1.3.2金刚石钻头

（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2-3-5、表2-3-6及图2-3-8、图2-3-9、图2-3-10、图2-3-11。

表2-3-5金刚石钻头尺寸表单位：

mm

类型

规格

D

+0.5

+0.3

D1

+0.1

-0.1

d

+0.1

-0.1

d1

-0.05

-0.10

d2

-0.05

-0.10

d3

+0.2

d4

d0

水口（个）

单

管

钻

头

φ46

46

44

29

39

37.5

32

34.5

37

3～6

φ56

56

54

39

49

47.5

42

44.5

47

4～12

φ66

66

64

49

59

57.5

52

54.5

57

6～14

φ76

76

74

59

69

67.5

62

64.5

67

8～16

双

管

钻

头

φ36

36

35

21.5

31

29.5

29.5

32.5

2～4

φ46

46

45

29

41

39.5

39.5

42.5

3～6

φ56

56

55

39

51

49.5

49.5

52

4～12

φ66

66

65

49

61

59.5

59.5

62

6～14

φ76

76

75

59

71

69.5

69.5

72

8～16

图2-3-8单管金刚石钻头结构图

图2-3-9双管金刚石钻头结构图

表2-3-6金刚石扩孔器尺寸表单位：

mm

类型

规格

D

-0.1

D1

+0.3

+0.1

d

+0.1

d1

-0.05

-0.10

d2

-0.05

-0.10

d3

-0.1

d0

+0.2

d1ˊ

+0.1

+0.05

d2ˊ

+0.1

+0.05

单

管

扩

孔

器

φ46

44

46.5

31.5

37.5

36

34.5

39.5

37.5

39

φ56

54

56.5

41.5

47.5

46

44.5

49.5

47.5

49

φ66

64

66.5

51.5

57.5

56

54.5

59.5

57.5

59

φ76

74

76.5

61.5

67.5

66

64.5

69.5

67.5

69

类型

规格

D

+0.1

-0.1

D1

+0.3

+0.1

d

+0.1

d1

-0.05

-0.10

d2

-0.05

-0.10

d3

d0

d1ˊ

d2ˊ

双

管

扩

孔

器

φ36

35

36.5

26

31

29.5

—

—

—

—

φ46

45

46.5

36

41

39.5

—

—

—

—

φ56

55

56.5

46

51

49.5

—

—

—

—

φ66

65

66.5

56

61

59.5

—

—

—

—

φ76

75

76.5

66

71

69.5

—

—

—

—

图2-3-10单管金刚石扩孔器结构图

图2-3-11双管金刚石扩孔器结构图

（2）金刚石取芯钻具

灌浆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。

①单管取芯钻具（图2-3-12）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。

图2-3-12单管取芯钻具

1-钻头；2-卡簧；3-扩孔器；4-岩芯管

②单动双管取芯钻具（图2-3-13）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，是金刚石钻进中常用和主要的配套工具之一。

图2-3-13单动双管取芯钻具

1-分水接头；2-轴；3-挂管接头；4-单动钢球；5-四用接头；6-球阀；7-球阀座；

8-外管；9-内管；10-内管短接；11-扩孔器；12-卡簧座；13-卡簧；14-钻头

③三层岩芯管取芯钻具（图2-3-14）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。

图2-3-14三层岩芯管取芯钻具

1-短内管；2-内管接头；3-钢球；4-内管；5-外管；6-三层管；7-扩孔器；

8-超前取样器；9-扶正器；10-钻头

④喷射式孔底反循环钻具（图2-3-15）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。

图2-3-15喷射式孔底反循环钻具

a-弯管型喷射式孔底反循环双动双管钻具：

1-导正管；2-喷嘴接头；3-喷嘴；

4-扩散管；5-外管；6-连接管；7-弯管；8-接箍；9-异径接头；10-内管

b-分水接头型喷射式孔底反循环单管钻具：

1-导正管；2-喷嘴接头；3-喷嘴；

4-扩散管；5-垫圈；6-连接管；7-分水接头；8-岩芯管

1.3.3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φ75、φ91、φ110、φ130、φ150五种规格。

其结构尺寸见表2-3-7及图2-3-16。

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2-3-7钻粒钻头尺寸表单位：

mm

规格

D

D1

D2

d

d1

d2

b

R

重量（kg）

φ75

75

57

62

68-12

66.5-12

66

78

200

6.3

φ91

91

73

78

84-14

82.5-14

82

95

172

7.8

φ110

110

90

95

103-14

101.5-14

101

115

161

10.9

φ130

130

110

115

122-16

120.5-16

120

136

157

12.7

φ150

150

130

135

141-16

139.5-16

139

157

153

15.3

图2-3-16钻粒钻头结构图

1.3.4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。

（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。

无阀式冲击器的结构形式见图2-3-17。

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2-3-8。

潜孔锤钻头一般有柱齿状或球齿状钻头，其型号有φ80、φ90、φ96、φ100、φ200、φ250等。

图2-3-17无阀气动潜孔锤结构示例图

1－上接头；2－密封圈；3－弹簧；4－止逆阀；5－垫圈；6－密封垫圈；7－进气座；8－内缸；

9－外缸；10－喷嘴；11－活塞；12－隔套；13－导向套；14－圆键；15－下接头；16－钻头

表2-3-8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）

CIR65

68

56

0.5～1.2

2.5～5.1

3.8～9.1

CIR80

89

72

0.5～1.2

4.5～8.1

6.4～15.3

CIR90

95、100

80

0.5～1.2

5.0～9.2

14.0

7.9～19

CIR110

110、120

96

0.5～1.2

7.9～14.9

12.8～30.6

CIR150

155

136

0.5～0.7

15.9

13.3

24.7～59.4

CIR170

175

156

0.5～0.7

16.8

13.3

31.9～76.5

J-100B

105～115

95

0.4～0.7

9

14.5

15

J-150B

150～160

136

0.4～0.7

15

14.2

33

WC-85

95～120

85

0.5

18～22

10～16

8～12

WC-150

165

142

0.5

5～7.5

15

19～22.7

DH