輕便無水取樣鉆機研制與試驗

盧 倩， 唐守寶， 盧 猛， 祝 強， 蘇興濤

(1.北京探礦工程研究所，北京 100083； 2.北京交通運輸職業(yè)學院，北京 102200)

輕便無水取樣鉆機研制與試驗

盧 倩1， 唐守寶2， 盧 猛1， 祝 強1， 蘇興濤1

(1.北京探礦工程研究所，北京 100083； 2.北京交通運輸職業(yè)學院，北京 102200)

根據(jù)缺水地區(qū)鉆探取樣的實際需求，進行了無水取樣鉆機的研制與現(xiàn)場試驗。本文介紹了無水取樣鉆機的研制過程和技術要點以及整機的特點和鉆桿鉆具的設計，并對功率和鑿入效率進行了計算。經(jīng)過野外試驗和改進，最終實現(xiàn)了單人背負的無水鉆進取樣工作。

鉆探取樣；輕便鉆機；節(jié)能環(huán)保

0 引言

針對山區(qū)供水困難問題，研究人員探索了無水鉆進法[1]。用空氣循環(huán)替代水循環(huán)鉆進和無循環(huán)鉆進技術[2]。同時采用輕便且可靠的鉆進設備是降低鉆進費用的有效途徑[3]，但輕便的鉆進取樣技術仍是空白和難點。

在地形條件復雜植被發(fā)育地帶進行異常查證，選用便攜式背包式淺層鉆機替代槽探工程是可行的[4]。根據(jù)以上要求，在以往研究成果的基礎上[5-12]，研制了一款適用于東北森林農(nóng)田覆蓋區(qū)的輕便無水取樣鉆機并進行了場內(nèi)和現(xiàn)場試驗，該鉆機可單人背負，并可在無水狀態(tài)下采取用于肉眼鑒定的淺部風化基巖塊狀樣品。鉆進深度3～4 m，取心直徑25 mm。

1 鉆機主要性能參數(shù)

沖擊功22～25 J，沖擊頻率43.3～46.7 Hz，振動級5.8 m/s2(破碎)、9.3 m/s2(鉆孔)，鉆桿最高轉速120～249 r/min，工作模式為純沖擊、沖擊回轉二種，額定功率2 kW，發(fā)動機轉速1200～2600 r/min，發(fā)動機類型為185cc、單缸2沖程型，發(fā)動機啟動方式為拉繩啟動、反沖啟動，發(fā)動機冷卻方式為風冷，燃油箱容積1.2 L，燃油種類為混合油(混合比例1∶50)，整機尺寸(長×寬×高)585 mm×281 mm×732 mm，整機質(zhì)量23 kg。

2 鉆機主要技術特點

2.1 鉆進系統(tǒng)效率

該鉆機采用空氣循環(huán)，較輕便，但鉆桿長度、橫截面積和鉆頭質(zhì)量需要認真研究，以保證鉆進系統(tǒng)的效率。

2.2 鉆桿設計

由于該鉆桿在疲勞載荷下使用，因此還應具有結構鋼的一般性能。在沖擊回轉鉆進過程中，鉆桿承受高峰值、高頻率的沖擊載荷作用，導致快速的疲勞破壞。此外，鉆桿還將受到扭轉、彎曲、拉伸、壓縮等多種復合應力的作用，并在回轉、碰撞的環(huán)境下經(jīng)受巖石、巖粉等工作介質(zhì)的磨蝕作用，因此要求鉆桿應具有如下性能：

(1)足夠高的疲勞強度；

(2)適量的塑性和韌性，以保證鋼材有較低的疲勞缺口敏感度；

(3)良好的循環(huán)韌性，從而保證鋼材的消震性能良好，并且還可降低疲勞裂紋的擴展速率；

(4)一定的抗腐蝕能力，主要是耐大氣和礦物的腐蝕；

(5)良好的工藝性能，包括冷、熱加工，鍛造和熱處理性能。

為減小沖擊能的損失，采用螺紋鉆桿連接。鉆桿螺紋采用國標波形螺紋。每根鉆桿的有效長度為850 mm，便于攜帶，鉆桿中心為通氣孔(見圖1)。

圖1 鉆桿

鉆桿材質(zhì)為55SiMoMn，屬于貝氏體釬具鋼，特點是強度和韌性配合較好，具有較高的抗疲勞強度、良好的韌性、較強的消震性能和較低的缺口敏感度。

采用連鑄+軋制工藝，螺紋一次成型，正火加調(diào)質(zhì)處理。硬度為HRC30～35，滿足鉆桿的使用要求。為了確保良好的表面質(zhì)量和尺寸精度，采用步進式數(shù)字加熱爐加熱，準確控制各段的加熱溫度；高壓水除鱗，清除表面的氧化鐵皮，實際脫碳層深度控制在0.3 mm左右。

由于鉆桿屬于結構件，尺寸越大的構件其發(fā)生微裂紋擴展的概率愈大。故其持久極限σ-1將隨構件尺寸的增大而降低。這在d>40 mm以上的構件中是必須考慮的。因鉆桿直徑為1 in(?25.4 mm)，小于40 mm，所以發(fā)生微裂紋擴展的概率很小。

2.3 鉆具設計

按照先成孔、后取心的設計方案，鉆頭主要有錐形沖擊鉆頭和硬質(zhì)合金取心鉆頭2種。取心鉆頭安裝在單管取心鉆具上。單管取心鉆具設計了普通單管和槽型單管兩種形式(見圖2)。

首先采用外平?jīng)_擊鉆具鉆進，然后下入護壁套管，繼續(xù)使用外平?jīng)_擊鉆頭鉆至基巖，提鉆，然后使用取心鉆頭采取巖樣。

鉆機沖擊功20～25 J，取最小值20 J。鉆桿連接4次，每次連接損失8%，其傳遞效率η=(1-8%)4=71.6%。

得其有效功為W有效=20×71.6%=14.33 J。

對于花崗巖，單位面積所需的破碎功w=20 J/cm2時能破碎，當有效功可全部用來破碎巖石時，鉆頭的面積：A=W有效/w=14.33/20=71.64 mm2。

最初設計的內(nèi)徑26 mm、外徑28 mm的鉆頭，計算得A=84.8 mm2，不能有效地破碎巖石，亦不能取樣。后來改為內(nèi)徑26 mm、外徑40 mm的尖齒硬質(zhì)合金鉆頭，如圖3所示，因硬質(zhì)合金出刃，減小了與巖石的接觸面積，在保證不崩齒的情況下，其和巖石的接觸面積均遠小于上面的計算值。所以此款鉆頭可以有效地破碎巖石。鉆頭內(nèi)部設計了5°的錐面，放入卡簧，利于取樣。

圖3 ?40/26 mm的尖齒硬質(zhì)合金鉆頭

3 功率校核

該鉆機屬于氣動沖擊回轉鉆進設備，工作原理是由往復運動的沖擊體撞擊鉆桿，鉆桿將能量傳遞到鉆具，鉆具傳遞到鉆頭破碎巖石。將沖擊體-鉆桿-鉆具-鉆頭-巖石這一體系稱為沖擊鑿入系統(tǒng)。

沖擊鑿入過程的物理實質(zhì)是將一長時間作用的力轉化為一脈沖力。這一脈沖力可在瞬時提供足夠高的應力幅值，用來破碎巖石。在這里沖擊機械相當于一個能量轉換器[14]。

能量利用率定義為沖擊器的輸出能量Eo和輸入能量Ei之比：

R=Eo/Ei=0.06×(Epf)/(PQ)

式中：Ep——沖擊能量，J；f——沖擊頻率，Hz；P——工作壓力，MPa；Q——流量，L/min。

它反映了設備將外部能量轉化為輸出沖擊能量的能力，能量利用率與傳動及結構形式有關。經(jīng)過計算和文獻查閱，氣動沖擊器的能量利用率(3%～13%)遠低于液壓破碎沖擊器的能量利用率(平均約50%)，這是由液壓和氣壓傳動特性所決定的。

能量利用率是沖擊錘的一個性能指標，但顯然不是唯一和必須首選的。從輕便性考慮，在小型沖擊工具中，其能量利用率不是主要的，故氣動的仍舊得到廣泛的使用。

通過查閱文獻可知，我國的氣動沖擊設備能量利用率R僅為3%，國外設備則到達10%以上。本鉆機的功率為2 kW(即沖擊器的輸入能量Ei=2 kW)，輸出能量計算如下：

Eo=Ei×R=2×10%=0.2 kW

4 鑿入效率計算

鑿入效率ηp定義為巖石破碎能ER對活塞沖擊能量Ep之比：

ηp=ER/EP

ηp包含2個部分，活塞對鉆桿的能量傳遞效率ηS和入射波對巖石的能量傳遞效率ηR，即：

ηp=ηSηR

鑿入系統(tǒng)中經(jīng)常會出現(xiàn)活塞斷面小于鉆桿斷面和鉆桿(釬頭)與活塞長度相近(即短桿系統(tǒng))的情況。這兩種情況都會導致活塞提前反彈，使活塞對鉆桿的能量入射呈現(xiàn)不完全情況。其反彈能量：

Eb=qEp

此時活塞的入射應力波形均會形成截尾情況。表現(xiàn)為單階矩形波，由波動理論可導出其能量傳遞效率：

式中：q——反射因數(shù)；θ=m2/(EpK)；K——巖石鑿入系數(shù)；m——鉆桿波動慣量，m=AE/C；A——鉆桿斷面。

式中前部(1-q2)為對鉆桿的能量傳遞效率ηS，其余部分為入射波對巖石的傳遞效率ηR。

取釬頭直徑Db=40mm時的K40=100kN/mm。對于不同直徑的鑿桿，可認為其鑿頭直徑等于鑿桿(鉆桿)直徑DR，其對應的鑿入系數(shù)：

K=(DR/40)2K40

計算表明：

(1)鑿入系統(tǒng)的鑿入效率達到40%以上，從效率的角度看，其參數(shù)實現(xiàn)了較好的匹配。

(2)雖然沖擊錘存在活塞沖擊能對鉆桿不完全入射的截尾情況，但活塞對鉆桿的能量傳遞效率達到97%以上，對總的鑿入效率構不成嚴重影響。這是由于其活塞和鉆桿直徑相接近，形成了較好的匹配。能量主要集中于第一階應力波，截尾能量不占主要比重。

5 現(xiàn)場試驗與改進

5.1 第一次野外試驗

2015年9月12日—9月14日，在黑龍江省大興安嶺地區(qū)加格達奇區(qū)呼中鎮(zhèn)碧水鉛鋅礦的槽探剖面進行了鉆探試驗。試驗結果表明鉆機輕便，可實現(xiàn)單人背負(見圖4)，動力也可以滿足現(xiàn)場的需求。

圖4 單人背負鉆機

試驗中也發(fā)現(xiàn)了一些問題：(1)因錐形鉆頭、鉆桿及接頭的直徑均不相同，連接部位直徑變化較大的肩部被孔內(nèi)碎石卡住，使鉆桿無法提出鉆孔；(2)槽型鉆具因開槽部位被碎石卡住，無法旋轉，造成該鉆具不能使用；(3)錐形鉆頭未經(jīng)熱處理，使用過程中變形嚴重(參見圖5)。

圖5 發(fā)生變形的錐形鉆頭

5.2 鉆頭、鉆具的改進

針對野外試驗中遇到的問題，做了如下改進；

(1)錐形鉆頭做成紡錘形，減小提鉆時遇到的阻力(參見圖6)；

圖6 紡錘形和錐形沖擊鉆頭

(2)淘汰了槽型單管鉆具；

(3)研制了內(nèi)錐鉆頭、外錐鉆頭以及內(nèi)錐鑲硬質(zhì)合金鉆頭、外錐鑲硬質(zhì)合金鉆頭等5種鉆頭(見圖7)。

圖7 取心鉆頭

5.3 第二次野外試驗

2015年11月1日在大興安嶺碧水鉛鋅礦進行了第二次試驗。試驗地點位于一條槽探剖面，覆蓋層厚度約為2m，覆蓋層中含有大量坡積碎石(見圖8)。

本次試驗，采用紡錘形鉆頭迅速穿過了覆蓋層， 鉆深2.2m，鉆至基巖位置。因鉆頭與鉆桿之間的直徑變化仍然較大，提鉆仍然較為困難，后使用鉆機在沖擊模式下提鉆，才將鉆桿及鉆頭提出孔外。接下來進行了取心試驗。首先采用鑲硬質(zhì)合金的內(nèi)錐鉆頭進行取心鉆進。提鉆發(fā)現(xiàn)未能取上巖心，且鉆頭刀刃已嚴重損壞(見圖9)。更換厚壁硬質(zhì)合金取心鉆頭繼續(xù)進行取心試驗，鉆至基巖層，提鉆。因普通單管鉆具中沒有防止巖心滑落的裝置，且必須在沖擊模式下向上提鉆，導致所采取的巖心全部落入孔內(nèi)，沒有獲得巖心。

圖8 試驗點剖面情況

圖9 損壞的內(nèi)錐鑲硬質(zhì)合金鉆頭

5.4 進一步改進

針對第二次試驗中遇到的問題，進行了以下改進：

(1)設計了最大直徑與鉆具外徑相同的沖擊鉆頭，并將鉆頭前部改為四棱錐的形狀，便于鉆進；

(2)鉆具與鉆桿連接的部位增加了小鐵環(huán)，消除了鉆桿與鉆具之間的臺階；

(3)單管鉆具的巖心管上開了一條細縫，便于觀察取心情況(見圖10)；

(4)配備了0.5 m的護壁套管，防止上部的碎石掉入孔中；

(5)厚壁取心鉆頭上增加了卡取巖心的彈簧片。

5.5 第三次野外試驗

11月3日進行了第三次野外試驗。試驗地點為呼中附近一個采石場斷面，該處覆蓋層約為2.6 m，覆蓋層中含有大量坡積碎石(圖11)。

本次試驗首先采用外平?jīng)_擊鉆具鉆進0.7m，然后下入0.5 m護壁套管，繼續(xù)使用外平?jīng)_擊鉆頭鉆至基巖，提鉆，然后使用取心鉆頭采取巖樣。本次試驗鉆進2個鉆孔，共耗時2 h，均順利采到了巖石樣品。采樣情況見圖12、圖13。

圖10 鉆具及套管

圖11 采石場剖面情況

圖12 取心情況

圖13 采取的巖石樣品

5.6 現(xiàn)場應用與推廣實例

針對廣東、四川等強風化地層，應用半合管沖擊取樣(見圖14)，取得了較好效果，得到了廣泛的應用與推廣。

圖14 半合管采取的土壤樣品

6 結語

經(jīng)過不斷試驗和改進，研制了無水鉆進取樣裝備和鉆進取樣工藝，實現(xiàn)了淺部無水鉆進和取樣。全套裝備僅需2人背負，其中一人背鉆機，另一人背鉆桿、鉆具和工具。鉆進取樣時由2人配合完成。完成1個3 m深的鉆孔約需40～60 min。該設備及工藝可部分替代探槽采樣。

本文對鉆機從能量利用率、沖擊功及鑿入效率方面進行了分析，有關計算和分析結果對沖擊錘的設計和選用有益。一個合理和優(yōu)良沖擊器的構成還涉及到結構、材料、工藝諸多方面，應綜合考慮。

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Development and Test of Anhydrous Drill

LUQian1,TANGShou-bao2,LUMeng1,ZHUQiang1,SUXing-tao1

(1.Beijing Institute of Exploration Engineering, Beijing 100083, China; 2.Beijing Vocational College of Transportation, Beijing 102200, China)

According to the actual needs of drilling sampling in water shortage area，the development improvement and field tests on anhydrous sampling drill are conducted. This article introduces the drill development process and the technical points, as well as the characteristics of the machine and drill pipe design, and the power and cutting efficiency are calculated. After the field trials and improvement, drilling sampling by one man with the anhydrous drill on his back is ultimately realized.

drilling sampling; lightweight drill; energy saving and environmental protection

2016-03-14；

2017-05-25

盧倩，女，漢族，1984年生，碩士，從事探礦工程機械設計及研發(fā)工作，北京市房山區(qū)良鄉(xiāng)工業(yè)開發(fā)區(qū)二期創(chuàng)新路1號，250814057@qq.com。

P634.3+1

A

1672-7428(2017)07-0062-05