潜孔锤偏心跟管钻进技术_精品文档资料下载.pdf

1、地质灾害中图分类号:T E 9 2文献标识码:B图1国外0 d e x法潜孔跟管钻具两个动力头分别驱动钻杆和护壁套管进行的双回转跟管钻进法即土星法和海王星法等。在国内,潜孔锤跟管钻进技术是随着潜孔锤钻进技术的引进、消化发展起来的。特别是近年来,我国的水电站、高速公路、铁路4 0凿岩机械气动工具,2 0 0 7（1）图2单偏心三件套跟管钻进系统示意图及城市基础设施等建设工程中,遇到了大量的地质灾害防治、基础加固等复杂地层的工程施工,使潜孔锤跟管钻进技术得到了空前的发展。国际上已经有的潜孔锤偏心跟管钻进技术基本上在国内都得到了广泛的应用。中国地质科学院探矿工艺研究所在潜孔锤跟管钻进技术领域内研究起

2、步较早,自“七五”开始研究以来,特别是“九五”期间的进一步开发、完善,已经形成了与潜孔锤偏心跟管钻进技术相配套的数十种单偏心、双偏心、三偏心等潜孔锤跟管钻具产品,不仅服务于地质勘察、地质灾害治理领域,还满足了水电站、高速公路、铁路及城市基础设施等建设工程的需要。其中,S P系列潜孔锤偏心跟管钻具 是 专 利 产 品,专 利 号 是:Z L 2 0 0 3 2 0 1 1 5 2 0 2.8。其产品规格有:S P 1 0 8、S P 1 2 7、S P 1 4 0、S P 1 4 6、S P 1 6 8、S P 1 7 8、S P 1 9 4、S P 2 1 9、S P 2 4 5等。S P系列

3、跟管钻具可与常用的冲击器相配套。2潜孔锤偏心跟管钻进系统及工作原理2.1潜孔锤偏心跟管钻进系统潜孔锤偏心跟管钻进系统主要由潜孔冲击器、偏心跟管钻具（单偏心扩孔式或双偏心、三偏心扩孔式）、管靴、套管等构成。在潜孔锤偏心跟管钻进系统中,无论是哪种偏心跟管钻具都是通过偏心跟管钻具钻进时钻出大于套管外径的孔,并当钻进至预定地层,可将跟管钻具收敛,使跟管钻具的最大外径小于管靴、套管的内径,从而取出跟管钻具,套管则留在地层内保护孔壁。图2是单偏心三件套跟管钻进系统示意图,单偏心三件套跟管钻具由中心钻头、偏心扩孔钻头、导正器、联接销系统等组成。2.2潜孔锤偏心跟管钻进工作原理单偏心三件套潜孔锤偏心跟管钻具工

4、作时由钻机提供回转扭矩及推进动力。正常钻进时,由空气压缩机提供的压气,经钻机、钻杆进入潜孔冲击器使其工作,冲击器的活塞冲击跟管钻具的导正器,导正器将冲击波和钻压传递给偏心钻头和中心钻头,破碎孔底岩石。同时,钻机带动钻杆回转,钻杆将回转扭矩传递给冲击器并由冲击器通过花键带动跟管钻具的导正器转动,导正器上有偏心轴,导正器转动时偏心钻头张开,并在开启到设计位置后被限位,使中心钻头、偏心钻头同时随导正器旋转。偏心钻头钻出的孔径大于套管的最大外径,使套管不受孔底岩石的阻碍而跟进。套管的重力大于地层对套管外壁的摩擦阻力时,套管以自重跟进;当套管外壁的摩擦阻力超过套管的重力时,内层跟管钻具继续向前破碎岩石,

5、直到导正器上的凸肩与套管靴上的凸肩接触,此时,导正器将钻压和冲击波部分传给套管靴,迫使套管靴带动套管与钻具同步跟进,保护已钻孔段的孔壁。导正器表面开有吹岩屑的气孔,也有使孔底岩屑能够排出的气槽。大部分压缩空气经冲击器作功后通过导正器中心孔、偏心钻头和中心钻头达到孔底,冲刷已被破碎或松散的孔套管冲击器管靴偏心钻头中心钻头导正器4 1凿岩机械气动工具,2 0 0 7（1）图3单偏心三件套跟管钻具岩渣流向示意图底岩石、冷却钻头,并携带岩粉经中心钻头、导正器的排粉槽进入套管与冲击器、钻杆的环状空间被高速上返的气流或泡沫排出孔外,如图3所示。正常钻进时,导正器表面的气孔被套管靴内壁封闭,使绝大部分空气进

6、入钻头工作区,对钻头进行冷却和清洗孔底。提钻吹孔时,只要导正器表面的孔露出套管靴,解除封闭状态,大量空气将通过此二孔进入套管,对套管内岩屑进行强吹。当钻进工作告一段落,需将钻具提出时,可慢速反转钻具,偏心钻头又依靠惯性力和摩擦力收回,整套钻具的外径小于管靴、套管的内径,即可将钻具提出到配接钻杆和套管的位置或将钻具提出孔外,套管留在孔内护壁。在以冲击为主的潜孔锤偏心跟管钻进工艺中,钻压是一个很重要的参数。当正常钻进时,其钻压从理论上讲由钻具钻压P1和跟管钻压P2组成。对钻具钻压P1来讲,当保持足够钻压时,可防止钻具在冲击时反弹,使钻具紧密地与孔底岩石接触,对传递冲击功,提高破碎效率是十分重要的。

7、实践证明,在一定范围内,随着钻具钻压增大,机械钻速随之增高,但过大的钻具钻压不仅会使钻头冲击刃齿过快磨损,而且容易产生事故。据实验和生产总结,用于钻进的钻压,以每厘米钻头直径0.5 0.9 k N为宜。跟管钻压P2是决定潜孔锤跟管钻进跟管深度的主要因素,在设计确定潜孔锤跟管深度时,原则上应以钻具或套管允许施加的钻压为依据,对钻具来说:P=P1+P2 S R（1）（P2是通过钻具传递给套管的）式中S钻具组合中最弱环节杆件的断面积（通常是钻杆）R 该杆件材质的许用抗压强度。从上式中,即可求解出最大的跟管钻压P2。对套管来说:P2 S R P=P1+P2 P1+S R （2）式中S 套管的断面积 R

8、 套管材质的许用抗压强度从式（1）和（2）中可求得两个不同值的跟管钻压P2,取其小值作为施加的最大跟管钻压。在生产中,跟管的阻力Rf是随着跟管深度的增加而增大的,因此跟管钻压也应大致与之相适应,在设计跟管深度时,应尽可能使所用的跟管钻压达到设计跟管深度。3 S P系列偏心跟管钻具特点S P系列潜孔锤偏心跟管钻具主要由中心钻头、偏心扩孔钻头、导正器、联接销系统等组成,如图4所示。在该状态时,中心钻头、偏心扩孔钻头、导正器的中心轴线处于同一条中心线上,钻具在管靴、套管内可自由进出。当钻具处于如图5所示的工作状态时,其偏心扩孔钻头离开中心轴线,旋转至工作位置,中心钻头和偏心扩孔钻头进行破岩钻进,导正

9、器的凸肩带动管靴、套管进行跟管钻进。S P系列潜孔锤偏心跟管钻具使用过程中要严格遵守操作规程,才能取得较好效果。如每次钻孔前,须逐一检查偏心跟管钻具、潜孔锤、套管、套管靴等连接是否牢固、可靠,偏套管冲击器管靴导正器偏心钻头中心钻头4 2凿岩机械气动工具,2 0 0 7（1）图4单偏心三件套跟管钻具收拢状态示意图传递扭距的键平面导正器套管冲击器管靴偏心钻头中心钻头4 3图5单偏心三件套跟管钻具工作状态示意图心钻头转动是否灵活。选择的钻进参数应以“低转速、低钻压、高上返气速”为原则。钻进过程中,应注意观察套管的跟进情况及孔内排粉情况,并每钻进一段距离应该强吹排粉,以保持孔内清洁。吹孔时,钻具向上提

10、动距离严加控制。S P系列潜孔锤偏心跟管钻具分低气压（0.8 M P a以 下）和 中 高 气 压（0.8 M P a 2.5M P a）,主要取决于配套使用的潜孔冲击器。目前在我国大部分地方使用的是低气压跟管钻具,使用中高气压跟管钻具是发展趋势。S P系列潜孔锤偏心跟管钻具有如下特点:（1）扭矩传递合理,钻具工作可靠。S P系列潜孔锤偏心跟管钻具设计用平键来传递扭矩,当偏心扩孔钻头在展开到最大位置时,其键的侧平面与导正器上键的侧平面有良好的平面接触,大大改善了跟管钻具的受力条件,确保了S P系列潜孔锤偏心跟管钻具在设计寿命期内磨损较小,很好地起到了定位和传递扭矩的作用。加之选用了高强度的材料

11、,采用了特殊的热处理工艺,先进的固齿工艺,保证了S P系列偏心跟管钻具能满足各种复杂地层跟管的需要。（2）跟管钻具独具特色的联接销系统。该联接销系统在S P系列偏心跟管钻具中的功能是使中心钻头与导正器之间连接可靠,避免掉钻。主要由横销、伸缩头、竖销组成,当装配到S P系列偏心跟管钻具上时,该联接销系统为相互自锁的结构保证了中心钻头与导正器之间连接具有良好的可靠性,且装配、拆卸都非常方便,彻底解除了用户的掉钻之忧。（3）钻孔导向性好,钻进速度快。中心钻头与整套钻具处于同一条中心轴线上,起到了较好的导向作用。且中心钻头承担了跟管钻具大多数破岩任务,仅扩孔部分由偏心扩孔钻头完成,所以跟管钻具钻进速度

12、快。这种具有中心钻头起导向作用的偏心跟管钻具结构对钻孔有要求的工程,更有利于预防孔凿岩机械气动工具,2 0 0 7（1）斜,从而能最大限度地满足工程设计的要求。4潜孔锤偏心跟管钻进技术应用随着我国国民经济的飞速发展,潜孔锤偏心跟管钻进技术在我国的工程建设领域中已经得到了广泛的应用。（1）地质灾害防治在重视环境保护、改善人类生存环境的今天,由于预应力锚索具有结构简单、质量轻等优点,被广泛应用于防治滑坡、稳定高边坡等地质灾害防治领域。现在,城镇、各大中型水电站、高速公路、重要铁路等的边坡加固都要用到预应力锚索。在预应力锚索施工中,钻孔工作是最重要的。由于许多锚索孔要穿过坡积层、弃渣或破碎带,用常规

13、方法往往由于地层太破碎复杂而不能钻出有效的锚孔。潜孔锤跟管钻进方法在钻进垮塌破碎岩土体方面提供了一种快速、有效、安全的方法。如云南小湾电站左岸山体滑坡抢险工程,该工程在左岸坝肩的开挖施工过程中,即2 0 0 3年1 2月1 7日,在饮水沟及2#山脊、高程1 2 4 5 2 6 0 0 m之间发现裂缝,之后裂缝范围迅速扩大,观测资料显示,整个堆积体有整体下滑的趋势,情况相当紧急。通过现场勘查,决定对崩塌堆积体进行全面加固,加固主要采用预应力锚索和抗滑桩相结合的形式。根据观测所测得的各个部位不同的变形速度,整个堆积体分成五个区域,在这五个区域内共布置两千余根1 8 0 0 k N及2 0 0 0

14、k N的网板预应力锚索,要求预应力锚索必须穿过堆积体,进入弱风化岩层,这样,最大钻孔深度达到7 5 m,孔向均为下倾50,锚索均采用全长无粘结结构,锚固段长度根据施工部位岩层的不同分别为8 m或1 0 m。堆积体地质结构复杂,根据勘探资料显示,堆积体主要由块石、特大孤石夹碎石质粉土或碎石层组成,碎石土不成层,主要填充在块石缝隙之间,堆积体与下伏基岩面之间有一层厚0.1 5 8.0 5 m的坡积层,成分以砾石、粉砾为主。堆积体下伏基岩面不规则、起伏较大,基岩岩性主要为黑云花岗片麻岩夹薄层透镜状片岩。堆积体中地下水发育且埋深浅,地下水活动频繁。鉴于该堆积体是由山体崩塌堆积而成的,分选差且无胶结,常

15、规钻进无法成孔,使用潜孔锤跟管钻进技术快速、有效地解决了该工程的钻孔难题,为小湾电站顺利施工创造了条件。又如四川丹巴县城边山体滑坡抢险工程,发现时情况已非常紧急,且直接关系到老百姓的生命安危,使用潜孔锤跟管钻进技术解决了这些工程的钻孔难题。（2）水电站等卵石层帷幕、围堰高压旋喷潜孔锤跟管钻进技术已广泛应用于修建水电站、水库的帷幕、围堰高压旋喷孔的钻进。对于卵石层及回填物的帷幕、围堰,进行高压旋喷或摆喷作防渗处理时,遇到的最大问题就是造孔极其困难。如在四川广元紫兰坝电站围堰工程、雅安大兴电站帷幕工程、龟都府电站帷幕工程、甘肃九甸峡水利枢纽围堰工程等都有同样问题,地层既有大孤石,又有卵石、块石,采用其他方法钻进效率极低,成本又高,连工程的最低要求都达不到,采用潜孔锤跟管钻进技术,成孔效