一种新型硬岩钻头的研制

杨鑫 王智超

摘要：基于岩石破碎机理，针对钻头侵入岩层后切削岩石的实际状态，进行受力分析，为钻头工作过程中出现的问题提供分析依据。通过对钻头参数进行优化，更好的提高了钻头的钻进效率。

关键词：硬岩钻头;钻头受力;钻进效率

随着硬岩钻头的大面积应用，出现了诸多形式的硬岩钻头，各种硬岩钻头在钻进过程中经常会出现钻进效率低，钻头截齿在使用寿命内过早脱落等现象，大大影响的施工进度，本文通过对硬岩钻头钻进过程中的受力分析，找出影响钻头钻进效率和使用寿命的相关因素，为硬岩钻头的进一步研究提供一定参考。

1.钻头的主要结构（图1）

硬岩钻头主要结构有截齿 钻头体，叶片。通过对叶片和截齿进行不同形式变化，合理组合，可以制成适合复杂土层情况的钻头。

2.钻头在工作过程中的主要受力情况及出现的问题

钻头进入岩层后，钻头各部位都受到土体挤压，受力情况复杂，这里对钻头顶部的截齿侵入岩石后满足岩石破碎条件情况下的受力情况进行分析，见图2，其受力具有一定代表性。在垂直压力Py的作用下，截齿与岩石接触面间压强到达或略超过岩石的压入硬度时，岩石接触面多处发生裂纹后发生脆性断裂，形成大颗粒岩屑从截齿两侧崩出。

随后，钻头的整体旋转，由于截齿对岩石产生水平切削力Px，裂纹在岩石脆性断裂后进一步扩展。在Py和Px的共同作用下，对截齿齿前的岩石产生剪切作用，当一个大剪切结束后，截齿所受到的岩石切削阻力迅速降低，截齿在不断的旋转钻进过程中，截齿尖端不断发生小体积剪切。经过一段时间小体积剪切后，岩屑与截齿的接触面积不断增大，在当齿尖与岩石充分接触时，再一次发生大剪切。这是岩石高效率破碎的状态下，有轴压Py作用下硬岩钻头的主要受力情况。

总之，钻头刃侵入岩石，压强达到某一临界值时，岩石突然发生崩落，钻头会有突然的跃进，钻头所受会压强瞬间下降，随后压强又会增加到某一临界值。

钻机工作中会出现钻头钻进缓慢切削齿严重损坏的现象。排除人为操作出现上述问题，从受力情况分析，在压力Py较小的情况下，硬岩钻头旋转钻进，此时钻头与岩石主要进行摩擦运动，而Py垂直压力小于岩石极限强度，出现钻头钻进缓慢而切削齿由于剧烈摩擦运动而损坏，此时如果操作不当，就会出现憋钻卡钻现象。

3.钻头各参数优化

用于桩基础施工中的钻头对岩层的破碎能力，主要取决于钻头形状、钻头上截齿的排布状态，成桩成孔设备施加在钻头上的垂直压力Py。

3.1 钻头上截齿的分布情况

截齿入岩后，相邻截齿间会产生各自的自由面。钻头受Py作用力向下钻进中，钻头上各部位的截齿，以钻头轴线为中心成圆周运动，会为相邻截齿创造自由面，Brych 的试验对硬岩钻头的布齿很有参考价值，对于中强风化钻头而言，相邻截齿在钻头上的排布间隔距离为10cm～12cm为宜。

此外，需要注意位于钻头叶片顶端的截齿，在钻进过程中，先接触岩层，对岩石进行剪切钻进，受力较钻头叶片末端的截齿受力更大一些，所以顶端截齿与叶片焊接强度，以及截齿与叶片的角度要有严格的限制。通常，叶片顶端会有相应的加固措施，防止由于截齿所受切削力过大，造成相应位置的叶片变形或开裂。

3.2 钻头上截齿与叶片间的角度

钻头上截齿入岩角度过大或过小都会影响钻头钻进效率，截齿入岩后的角度合理的情况下，结合一定的轴向压力，会大大提高钻头破碎岩石的能力。从钻头主要针对于中强风化硬岩设计考虑，针对截齿在叶片上的排布的位置，进行了一系列的钻进试验和生产实践，获得的大量统计数据，将截齿与叶片间的角度设定为45°～65°不等，以保证在相同轴向加压力的情况下，与周围岩石接触的截齿面积尽可能小，增大接触压强，利于钻头进入高效破碎岩石状态。

3.3 钻头优化后的钻进效果

钻头使用情况：该硬岩钻头配合动力头具有一定加压力的长螺旋钻机使用，在辽宁凌源市某小区1～5号楼进行施工，施工桩径为φ800，φ1000，φ1200，其单桩竖向抗压承载力特征值分别为2250kpa，3250kpa，4500kpa ，满足桩基础设计要求，桩端持力层强风化安山岩入岩深度不小于3倍桩径。根据现场考察结果，钻进效率优于同时作业的旋挖钻机。

4.硬岩钻头开发的建议

4.1选用高质量的硬岩钻头

一方面选择高耐磨性，高强度的截齿，另一方面根据钻进地层的实际情况定制所需钻头结构或改善现有的钻头结构，以便更好的切削岩石和利于截齿间排屑，结合钻头截齿分布技术，设计制造出适合中硬及较硬岩层的钻头。

4.2研究新型的截齿与PDC复合片复合型钻头

采用新型的制造结构制作硬岩钻头，可以考虑截齿与PDC混合布置于钻头上的设计思路。截齿合理排布于钻头最易磨损部位，将PDC复合片布置于钻头叶片主要切削部位，既有利于钻头及时修复与部件更换，又增加了钻头整体使用寿命，使钻头钻进过程中具有较高的钻进速率和较小的磨损量。

参考文献：

[1]BRYCH J. Rock Mechanics for Underground Coal Gasification [ C ] / / National Technical Information Service. Proceeding s of the 12th Annual Underground Coal Gasificatio n Sympo -sium. Washing ton DC： U. S. Department of Commerce， 1986： 188 - 195.

[2]徐小荷，余静.岩石破碎学[M].北京：煤炭工业出版社，1984.