一種新型硬巖鉆頭的研制

楊鑫 王智超

摘要：基于巖石破碎機理，針對鉆頭侵入巖層后切削巖石的實際狀態(tài)，進行受力分析，為鉆頭工作過程中出現(xiàn)的問題提供分析依據(jù)。通過對鉆頭參數(shù)進行優(yōu)化，更好的提高了鉆頭的鉆進效率。

關鍵詞：硬巖鉆頭;鉆頭受力;鉆進效率

隨著硬巖鉆頭的大面積應用，出現(xiàn)了諸多形式的硬巖鉆頭，各種硬巖鉆頭在鉆進過程中經常會出現(xiàn)鉆進效率低，鉆頭截齒在使用壽命內過早脫落等現(xiàn)象，大大影響的施工進度，本文通過對硬巖鉆頭鉆進過程中的受力分析，找出影響鉆頭鉆進效率和使用壽命的相關因素，為硬巖鉆頭的進一步研究提供一定參考。

1.鉆頭的主要結構（圖1）

硬巖鉆頭主要結構有截齒 鉆頭體，葉片。通過對葉片和截齒進行不同形式變化，合理組合，可以制成適合復雜土層情況的鉆頭。

2.鉆頭在工作過程中的主要受力情況及出現(xiàn)的問題

鉆頭進入巖層后，鉆頭各部位都受到土體擠壓，受力情況復雜，這里對鉆頭頂部的截齒侵入巖石后滿足巖石破碎條件情況下的受力情況進行分析，見圖2，其受力具有一定代表性。在垂直壓力Py的作用下，截齒與巖石接觸面間壓強到達或略超過巖石的壓入硬度時，巖石接觸面多處發(fā)生裂紋后發(fā)生脆性斷裂，形成大顆粒巖屑從截齒兩側崩出。

隨后，鉆頭的整體旋轉，由于截齒對巖石產生水平切削力Px，裂紋在巖石脆性斷裂后進一步擴展。在Py和Px的共同作用下，對截齒齒前的巖石產生剪切作用，當一個大剪切結束后，截齒所受到的巖石切削阻力迅速降低，截齒在不斷的旋轉鉆進過程中，截齒尖端不斷發(fā)生小體積剪切。經過一段時間小體積剪切后，巖屑與截齒的接觸面積不斷增大，在當齒尖與巖石充分接觸時，再一次發(fā)生大剪切。這是巖石高效率破碎的狀態(tài)下，有軸壓Py作用下硬巖鉆頭的主要受力情況。

總之，鉆頭刃侵入巖石，壓強達到某一臨界值時，巖石突然發(fā)生崩落，鉆頭會有突然的躍進，鉆頭所受會壓強瞬間下降，隨后壓強又會增加到某一臨界值。

鉆機工作中會出現(xiàn)鉆頭鉆進緩慢切削齒嚴重損壞的現(xiàn)象。排除人為操作出現(xiàn)上述問題，從受力情況分析，在壓力Py較小的情況下，硬巖鉆頭旋轉鉆進，此時鉆頭與巖石主要進行摩擦運動，而Py垂直壓力小于巖石極限強度，出現(xiàn)鉆頭鉆進緩慢而切削齒由于劇烈摩擦運動而損壞，此時如果操作不當，就會出現(xiàn)憋鉆卡鉆現(xiàn)象。

3.鉆頭各參數(shù)優(yōu)化

用于樁基礎施工中的鉆頭對巖層的破碎能力，主要取決于鉆頭形狀、鉆頭上截齒的排布狀態(tài)，成樁成孔設備施加在鉆頭上的垂直壓力Py。

3.1 鉆頭上截齒的分布情況

截齒入巖后，相鄰截齒間會產生各自的自由面。鉆頭受Py作用力向下鉆進中，鉆頭上各部位的截齒，以鉆頭軸線為中心成圓周運動，會為相鄰截齒創(chuàng)造自由面，Brych 的試驗對硬巖鉆頭的布齒很有參考價值，對于中強風化鉆頭而言，相鄰截齒在鉆頭上的排布間隔距離為10cm～12cm為宜。

此外，需要注意位于鉆頭葉片頂端的截齒，在鉆進過程中，先接觸巖層，對巖石進行剪切鉆進，受力較鉆頭葉片末端的截齒受力更大一些，所以頂端截齒與葉片焊接強度，以及截齒與葉片的角度要有嚴格的限制。通常，葉片頂端會有相應的加固措施，防止由于截齒所受切削力過大，造成相應位置的葉片變形或開裂。

3.2 鉆頭上截齒與葉片間的角度

鉆頭上截齒入巖角度過大或過小都會影響鉆頭鉆進效率，截齒入巖后的角度合理的情況下，結合一定的軸向壓力，會大大提高鉆頭破碎巖石的能力。從鉆頭主要針對于中強風化硬巖設計考慮，針對截齒在葉片上的排布的位置，進行了一系列的鉆進試驗和生產實踐，獲得的大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，將截齒與葉片間的角度設定為45°～65°不等，以保證在相同軸向加壓力的情況下，與周圍巖石接觸的截齒面積盡可能小，增大接觸壓強，利于鉆頭進入高效破碎巖石狀態(tài)。

3.3 鉆頭優(yōu)化后的鉆進效果

鉆頭使用情況：該硬巖鉆頭配合動力頭具有一定加壓力的長螺旋鉆機使用，在遼寧凌源市某小區(qū)1～5號樓進行施工，施工樁徑為φ800，φ1000，φ1200，其單樁豎向抗壓承載力特征值分別為2250kpa，3250kpa，4500kpa ，滿足樁基礎設計要求，樁端持力層強風化安山巖入巖深度不小于3倍樁徑。根據(jù)現(xiàn)場考察結果，鉆進效率優(yōu)于同時作業(yè)的旋挖鉆機。

4.硬巖鉆頭開發(fā)的建議

4.1選用高質量的硬巖鉆頭

一方面選擇高耐磨性，高強度的截齒，另一方面根據(jù)鉆進地層的實際情況定制所需鉆頭結構或改善現(xiàn)有的鉆頭結構，以便更好的切削巖石和利于截齒間排屑，結合鉆頭截齒分布技術，設計制造出適合中硬及較硬巖層的鉆頭。

4.2研究新型的截齒與PDC復合片復合型鉆頭

采用新型的制造結構制作硬巖鉆頭，可以考慮截齒與PDC混合布置于鉆頭上的設計思路。截齒合理排布于鉆頭最易磨損部位，將PDC復合片布置于鉆頭葉片主要切削部位，既有利于鉆頭及時修復與部件更換，又增加了鉆頭整體使用壽命，使鉆頭鉆進過程中具有較高的鉆進速率和較小的磨損量。

參考文獻：

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