潛孔鉆機不同因素對破巖鉆進性能的影響分析

徐銀飛

（江西銅業集團銀山礦業有限責任公司，江西 德興 334200）

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，在基礎設施建設上的步伐也不斷加快，大量的基建工程建設不斷發展，同時也對基建工程的質量及效率提出了較高的要求。在各種施工建設中，打樁基礎的鉆孔建設是重要的工作內容[1]，特別是對大直徑的打樁建設的需求迫切。在進行打樁鉆孔的過程中，鉆頭的旋轉及沖擊作用共同作用于巖層上，對巖層進行破碎，從而形成鉆孔。潛孔鉆機是新型的沖擊回轉式鉆進設備[2]，通過鉆柱底部與鉆頭的連接進行巖層的沖擊作用，鉆進效率高，且具有較高的打樁質量，可以實現機械自動化作業，在各種巖土工程中取得了廣泛的應用。潛孔鉆機進行作業的過程中，不同的運動參數共同作用于鉆頭上，從而對鉆頭破巖鉆進的性能產生影響[3]，采用有限元仿真的形式對不同因素破巖鉆進的性能進行分析，從而選取有利的參數提高潛孔鉆機的破巖性能[4]，提高施工作業的效率及質量。

1 潛孔鉆機破巖性能仿真分析模型的建立

潛孔鉆機進行鉆孔作業的過程中，通過內部的活塞沖擊鉆頭從而使鉆頭具有較大的沖擊能量，鉆頭在旋轉的同時沖擊巖層，從而使得巖層受到擠壓產生破碎，實現破巖鉆進。在實際的鉆進過程中[5]，由于沖擊鉆進的過程復雜，采用仿真的形式對鉆頭的運動參數和鉆進性能的影響進行分析。

采用ABAQUS 有限元分析軟件對鉆頭破巖鉆進的過程進行模擬分析，ABAQUS 具有強大的線性及非線性分析的能力，可以解決復雜的工程力學問題，在工程分析中具有廣泛的應用。潛孔鉆機進行巖層鉆進的過程中[6]，巖層受到鉆頭的沖擊作用而產生破碎，對巖層的本構模型進行分析，從而描述巖層在沖擊作用下變形的動態響應過程。巖層在沖擊作用下產生應變的脆性變形，破壞的作用時間短[7]，巖層中的應變及溫度的變化分布不均，采用D-P 模型的形式對巖層的變形進行描述，考慮了巖層的體積及靜水壓力等對屈服變形的影響作用，適用于對巖層材料進行分析。

依據某型號的潛孔鉆機使用的鉆頭類型進行三維模型的建立，鉆頭的直徑為800mm、長度為1100mm，同時建立巖層的模型尺寸為直徑3000 mm、高度為1500 mm，鉆頭與巖層的結構模型如圖1 所示，設定鉆頭垂直沖擊作用的方向為Z 向[8]，其他X、Y 方向構成與Z 軸垂直的平面。

圖1 鉆頭與巖層的結構模型

在ABAQUS 中對鉆頭的材質進行設定，鉆頭采用YG8 材質，具有較高的強度，其彈性模量為252 GPa，泊松比為0.12，設定所進行沖擊鉆進的巖層為花崗巖層，其密度為2720 kg/m3，楊氏模量為72 GPa，泊松比為0.25，抗壓強度為102 MPa。巖層在鉆頭的終極作用下發生破壞[9]，多為剪破壞及拉破壞的形式，采用shear failure 描述巖層的剪破壞，tensile failure 描述拉破壞。對所建立的鉆頭及巖層模型進行網格劃分處理，采用六面體實體單元對花崗巖層進行網格劃分處理[10]，采用四面體單元進行鉆頭的網格劃分處理，得到鉆進分析的網格模型。

2 不同因素對潛孔鉆機破巖鉆進性能的影響分析

在分析模型中設定巖層的上表面為自由表面，下表面及周邊進行固定約束，鉆頭圍繞Z 軸進行旋轉運動，并沿著Z 軸對巖層進行沖擊作用[11]，鉆頭的旋轉速度及沖擊速度對破巖鉆進的性能產生重要的影響。針對鉆頭的運動情況，設定不同的旋轉速度及沖擊速度對巖層的破碎產生的影響進行分析。

2.1 鉆頭旋轉速度的影響作用分析

在進行巖層沖擊鉆進的過程中，活塞的末速度完全轉化為鉆頭的初速度作用于巖層，設定鉆頭的沖擊速度v 為7 m/s，此時對鉆頭的旋轉速度的影響作用進行分析，設定鉆頭的旋轉速度r 分別為10 r/min、20 r/min、30 r/min，分別對鉆頭巖層的作用過程進行分析[12]。當鉆頭的沖擊速度為7 m/s、旋轉速度為10 r/min時，應力分布狀態如圖2 所示。從圖2 中可以看出，此時產生的最大應力為121 MPa，這說明在此參數下可實現對硬度為121 MPa 的巖層進行破碎。

圖2 鉆頭沖擊的巖層應力（MPa）分布

對沖擊速度為7 m/s 時不同旋轉速度下鉆頭的鉆進深度進行分析，得到鉆進深度的變化曲線如圖3 所示。從圖3 中可以看出，在鉆進過程中，鉆進初始階段，三者之間鉆進的深度較為一致，鉆頭以較高的速度沖擊巖層，巖層在較短的時間內產生破碎，持續的時間較短，產生較大的鉆進深度，然后鉆頭的運動速度急劇降低為0，則巖層產生一定的彈性恢復，鉆進深度有所減小，隨著鉆頭地再次下降，則巖層的鉆進深度有所增加，但變化量與初始沖擊相比較小。在三種不同的旋轉速度下，隨著轉速地增加，則產生的鉆進深度越大，但較小的轉速后續產生的鉆進深度較大，最終產生的鉆進深度相差不大。由此充分表明，在沖擊速度一定時，增加鉆頭的旋轉速度對鉆進深度有一定的增加作用，但增加值較小，轉速的邊際效用不高。

圖3 不同轉速下鉆頭的鉆進深度

2.2 鉆頭沖擊速度的影響作用分析

在進行巖層沖擊鉆進的過程中，設定鉆頭的旋轉速度為10 r/min，此時對鉆頭的沖擊速度的影響作用進行分析，設定鉆頭沖擊速度分別為7 m/s、8 m/s、9 m/s，分別對鉆頭巖層的作用過程進行分析，得到鉆進深度的變化曲線如圖4 所示。從圖4 中可以看出，鉆進深度的變化曲線與圖3 中的曲線形態一致，這說明在沖擊過程中，均在初始的階段完成對巖層的沖擊破壞，后續作用過程產生的鉆進深度較小。在圖4 中，不同的沖擊速度下，較大的沖擊速度產生的鉆進深度較大，且經過后續的作用，三者之間的差值也逐漸增加。這說明，較大的沖擊速度可以提高鉆頭的鉆進深度，提高鉆機的鉆進性能。

圖4 不同沖擊速度下鉆頭的鉆進深度

3 結論

1）潛孔鉆機進行打樁鉆孔過程中，鉆頭的旋轉速度及沖擊速度對鉆進性能具有重要的影響，建立了ABAQUS 有限元分析模型，并采用D-P 模型對巖層的變形進行描述。

2）在仿真分析模型中，設定不同的旋轉速度及沖擊速度對巖層的破壞狀態進行仿真模擬，并對鉆進深度進行繪圖分析。結果表明，巖層的破碎主要發生在初始接觸的階段，鉆頭旋轉速度的增加對鉆進深度的有一定的增加作用，但增加值較小，轉速的邊際效用不高；沖擊速度的增加對鉆進深度的具有較大的增加作用，可以提高鉆頭的鉆進深度，提高鉆機的鉆進性能。