盧 倩， 唐守寶， 盧 猛， 祝 強(qiáng)， 蘇興濤

(1.北京探礦工程研究所，北京 100083； 2.北京交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院，北京 102200)

輕便無(wú)水取樣鉆機(jī)研制與試驗(yàn)

盧 倩1， 唐守寶2， 盧 猛1， 祝 強(qiáng)1， 蘇興濤1

(1.北京探礦工程研究所，北京 100083； 2.北京交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院，北京 102200)

根據(jù)缺水地區(qū)鉆探取樣的實(shí)際需求，進(jìn)行了無(wú)水取樣鉆機(jī)的研制與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。本文介紹了無(wú)水取樣鉆機(jī)的研制過(guò)程和技術(shù)要點(diǎn)以及整機(jī)的特點(diǎn)和鉆桿鉆具的設(shè)計(jì)，并對(duì)功率和鑿入效率進(jìn)行了計(jì)算。經(jīng)過(guò)野外試驗(yàn)和改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)了單人背負(fù)的無(wú)水鉆進(jìn)取樣工作。

鉆探取樣；輕便鉆機(jī)；節(jié)能環(huán)保

0 引言

針對(duì)山區(qū)供水困難問(wèn)題，研究人員探索了無(wú)水鉆進(jìn)法[1]。用空氣循環(huán)替代水循環(huán)鉆進(jìn)和無(wú)循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)[2]。同時(shí)采用輕便且可靠的鉆進(jìn)設(shè)備是降低鉆進(jìn)費(fèi)用的有效途徑[3]，但輕便的鉆進(jìn)取樣技術(shù)仍是空白和難點(diǎn)。

在地形條件復(fù)雜植被發(fā)育地帶進(jìn)行異常查證，選用便攜式背包式淺層鉆機(jī)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(chǔ)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(wú)水取樣鉆機(jī)并進(jìn)行了場(chǎng)內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該鉆機(jī)可單人背負(fù)，并可在無(wú)水狀態(tài)下采取用于肉眼鑒定的淺部風(fēng)化基巖塊狀樣品。鉆進(jìn)深度3～4 m，取心直徑25 mm。

1 鉆機(jī)主要性能參數(shù)

沖擊功22～25 J，沖擊頻率43.3～46.7 Hz，振動(dòng)級(jí)5.8 m/s2(破碎)、9.3 m/s2(鉆孔)，鉆桿最高轉(zhuǎn)速120～249 r/min，工作模式為純沖擊、沖擊回轉(zhuǎn)二種，額定功率2 kW，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1200～2600 r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)類型為185cc、單缸2沖程型，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式為拉繩啟動(dòng)、反沖啟動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻方式為風(fēng)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(jī)尺寸(長(zhǎng)×寬×高)585 mm×281 mm×732 mm，整機(jī)質(zhì)量23 kg。

2 鉆機(jī)主要技術(shù)特點(diǎn)

2.1 鉆進(jìn)系統(tǒng)效率

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

2.2 鉆桿設(shè)計(jì)

由于該鉆桿在疲勞載荷下使用，因此還應(yīng)具有結(jié)構(gòu)鋼的一般性能。在沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆桿承受高峰值、高頻率的沖擊載荷作用，導(dǎo)致快速的疲勞破壞。此外，鉆桿還將受到扭轉(zhuǎn)、彎曲、拉伸、壓縮等多種復(fù)合應(yīng)力的作用，并在回轉(zhuǎn)、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(yīng)具有如下性能：

(1)足夠高的疲勞強(qiáng)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(kuò)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(guó)標(biāo)波形螺紋。每根鉆桿的有效長(zhǎng)度為850 mm，便于攜帶，鉆桿中心為通氣孔(見(jiàn)圖1)。

圖1 鉆桿

鉆桿材質(zhì)為55SiMoMn，屬于貝氏體釬具鋼，特點(diǎn)是強(qiáng)度和韌性配合較好，具有較高的抗疲勞強(qiáng)度、良好的韌性、較強(qiáng)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(jìn)式數(shù)字加熱爐加熱，準(zhǔn)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(shí)際脫碳層深度控制在0.3 mm左右。

由于鉆桿屬于結(jié)構(gòu)件，尺寸越大的構(gòu)件其發(fā)生微裂紋擴(kuò)展的概率愈大。故其持久極限σ-1將隨構(gòu)件尺寸的增大而降低。這在d>40 mm以上的構(gòu)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(kuò)展的概率很小。

2.3 鉆具設(shè)計(jì)

按照先成孔、后取心的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)了普通單管和槽型單管兩種形式(見(jiàn)圖2)。

首先采用外平?jīng)_擊鉆具鉆進(jìn)，然后下入護(hù)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(jī)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(duì)于花崗巖，單位面積所需的破碎功w=20 J/cm2時(shí)能破碎，當(dāng)有效功可全部用來(lái)破碎巖石時(shí)，鉆頭的面積：A=W有效/w=14.33/20=71.64 mm2。

最初設(shè)計(jì)的內(nèi)徑26 mm、外徑28 mm的鉆頭，計(jì)算得A=84.8 mm2，不能有效地破碎巖石，亦不能取樣。后來(lái)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(yuǎn)小于上面的計(jì)算值。所以此款鉆頭可以有效地破碎巖石。鉆頭內(nèi)部設(shè)計(jì)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(jī)屬于氣動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)設(shè)備，工作原理是由往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(guò)程的物理實(shí)質(zhì)是將一長(zhǎng)時(shí)間作用的力轉(zhuǎn)化為一脈沖力。這一脈沖力可在瞬時(shí)提供足夠高的應(yīng)力幅值，用來(lái)破碎巖石。在這里沖擊機(jī)械相當(dāng)于一個(gè)能量轉(zhuǎn)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(shè)備將外部能量轉(zhuǎn)化為輸出沖擊能量的能力，能量利用率與傳動(dòng)及結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。經(jīng)過(guò)計(jì)算和文獻(xiàn)查閱，氣動(dòng)沖擊器的能量利用率(3%～13%)遠(yuǎn)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(dòng)特性所決定的。

能量利用率是沖擊錘的一個(gè)性能指標(biāo)，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(dòng)的仍舊得到廣泛的使用。

通過(guò)查閱文獻(xiàn)可知，我國(guó)的氣動(dòng)沖擊設(shè)備能量利用率R僅為3%，國(guó)外設(shè)備則到達(dá)10%以上。本鉆機(jī)的功率為2 kW(即沖擊器的輸入能量Ei=2 kW)，輸出能量計(jì)算如下：

Eo=Ei×R=2×10%=0.2 kW

4 鑿入效率計(jì)算

鑿入效率ηp定義為巖石破碎能ER對(duì)活塞沖擊能量Ep之比：

ηp=ER/EP

ηp包含2個(gè)部分，活塞對(duì)鉆桿的能量傳遞效率ηS和入射波對(duì)巖石的能量傳遞效率ηR，即：

ηp=ηSηR

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

Eb=qEp

此時(shí)活塞的入射應(yīng)力波形均會(huì)形成截尾情況。表現(xiàn)為單階矩形波，由波動(dòng)理論可導(dǎo)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(dòng)慣量，m=AE/C；A——鉆桿斷面。

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

取釬頭直徑Db=40mm時(shí)的K40=100kN/mm。對(duì)于不同直徑的鑿桿，可認(rèn)為其鑿頭直徑等于鑿桿(鉆桿)直徑DR，其對(duì)應(yīng)的鑿入系數(shù)：

K=(DR/40)2K40

計(jì)算表明：

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

(2)雖然沖擊錘存在活塞沖擊能對(duì)鉆桿不完全入射的截尾情況，但活塞對(duì)鉆桿的能量傳遞效率達(dá)到97%以上，對(duì)總的鑿入效率構(gòu)不成嚴(yán)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(yīng)力波，截尾能量不占主要比重。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與改進(jìn)

5.1 第一次野外試驗(yàn)

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(dá)奇區(qū)呼中鎮(zhèn)碧水鉛鋅礦的槽探剖面進(jìn)行了鉆探試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明鉆機(jī)輕便，可實(shí)現(xiàn)單人背負(fù)(見(jiàn)圖4)，動(dòng)力也可以滿足現(xiàn)場(chǎng)的需求。

圖4 單人背負(fù)鉆機(jī)

試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)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(wú)法提出鉆孔；(2)槽型鉆具因開(kāi)槽部位被碎石卡住，無(wú)法旋轉(zhuǎn)，造成該鉆具不能使用；(3)錐形鉆頭未經(jīng)熱處理，使用過(guò)程中變形嚴(yán)重(參見(jiàn)圖5)。

圖5 發(fā)生變形的錐形鉆頭

5.2 鉆頭、鉆具的改進(jìn)

針對(duì)野外試驗(yàn)中遇到的問(wèn)題，做了如下改進(jìn)；

(1)錐形鉆頭做成紡錘形，減小提鉆時(shí)遇到的阻力(參見(jiàn)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(jiàn)圖7)。

圖7 取心鉆頭

5.3 第二次野外試驗(yàn)

2015年11月1日在大興安嶺碧水鉛鋅礦進(jìn)行了第二次試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)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(jiàn)圖8)。

本次試驗(yàn)，采用紡錘形鉆頭迅速穿過(guò)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(jī)在沖擊模式下提鉆，才將鉆桿及鉆頭提出孔外。接下來(lái)進(jìn)行了取心試驗(yàn)。首先采用鑲硬質(zhì)合金的內(nèi)錐鉆頭進(jìn)行取心鉆進(jìn)。提鉆發(fā)現(xiàn)未能取上巖心，且鉆頭刀刃已嚴(yán)重?fù)p壞(見(jiàn)圖9)。更換厚壁硬質(zhì)合金取心鉆頭繼續(xù)進(jìn)行取心試驗(yàn)，鉆至基巖層，提鉆。因普通單管鉆具中沒(méi)有防止巖心滑落的裝置，且必須在沖擊模式下向上提鉆，導(dǎo)致所采取的巖心全部落入孔內(nèi)，沒(méi)有獲得巖心。

圖8 試驗(yàn)點(diǎn)剖面情況

圖9 損壞的內(nèi)錐鑲硬質(zhì)合金鉆頭

5.4 進(jìn)一步改進(jìn)

針對(duì)第二次試驗(yàn)中遇到的問(wèn)題，進(jìn)行了以下改進(jìn)：

(1)設(shè)計(jì)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(jìn)；

(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(tái)階；

(3)單管鉆具的巖心管上開(kāi)了一條細(xì)縫，便于觀察取心情況(見(jiàn)圖10)；

(4)配備了0.5 m的護(hù)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(yàn)

11月3日進(jìn)行了第三次野外試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)為呼中附近一個(gè)采石場(chǎng)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(yàn)首先采用外平?jīng)_擊鉆具鉆進(jìn)0.7m，然后下入0.5 m護(hù)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(yàn)鉆進(jìn)2個(gè)鉆孔，共耗時(shí)2 h，均順利采到了巖石樣品。采樣情況見(jiàn)圖12、圖13。

圖10 鉆具及套管

圖11 采石場(chǎng)剖面情況

圖12 取心情況

圖13 采取的巖石樣品

5.6 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與推廣實(shí)例

針對(duì)廣東、四川等強(qiáng)風(fēng)化地層，應(yīng)用半合管沖擊取樣(見(jiàn)圖14)，取得了較好效果，得到了廣泛的應(yīng)用與推廣。

圖14 半合管采取的土壤樣品

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)不斷試驗(yàn)和改進(jìn)，研制了無(wú)水鉆進(jìn)取樣裝備和鉆進(jìn)取樣工藝，實(shí)現(xiàn)了淺部無(wú)水鉆進(jìn)和取樣。全套裝備僅需2人背負(fù)，其中一人背鉆機(jī)，另一人背鉆桿、鉆具和工具。鉆進(jìn)取樣時(shí)由2人配合完成。完成1個(gè)3 m深的鉆孔約需40～60 min。該設(shè)備及工藝可部分替代探槽采樣。

本文對(duì)鉆機(jī)從能量利用率、沖擊功及鑿入效率方面進(jìn)行了分析，有關(guān)計(jì)算和分析結(jié)果對(duì)沖擊錘的設(shè)計(jì)和選用有益。一個(gè)合理和優(yōu)良沖擊器的構(gòu)成還涉及到結(jié)構(gòu)、材料、工藝諸多方面，應(yīng)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(jī)械設(shè)計(jì)及研發(fā)工作，北京市房山區(qū)良鄉(xiāng)工業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)二期創(chuàng)新路1號(hào)，250814057@qq.com。

P634.3+1

A

1672-7428(2017)07-0062-05