YSZ-50型声频振动钻机的工程应用及技术改进

2016-03-10 09:05吴浩赵晓冬

地质装备 2016年1期

关键词：勘察钻机振动

吴浩，赵晓冬

(中国煤炭地质总局第二勘探局，河北　涿州)

YSZ-50型声频振动钻机的工程应用及技术改进

吴浩，赵晓冬

(中国煤炭地质总局第二勘探局，河北涿州)

摘要：介绍了国内首台YSZ-50型声频振动钻机在尾矿坝勘察、岩土工程勘察及钢管桩施工的工程应用及技术改进，钻机具有钻进速度快、取样质量高、可实现振动沉管等独特优势，具有较好的市场开发前景，应深入研究、优化改进，逐步开发出多规格、多品种的产品和配套工具，以满足不同工程的施工需要。

关键词:声频；振动；钻机；勘察

1YSZ-50型声频振动钻机

声频振动钻机利用动力头内偏心单元的高速旋转，产生150～200Hz高频振动力，当振动体与钻柱的自振频率叠合时，产生共振及驻波，将极大的能量传递给钻头。此外，高频振动能够排开钻头周围的岩土颗粒，甚至带来岩土颗粒的局部液化(见图1)，上述三者的综合作用可实现快速钻进和高质量地质取样。

图1　声频振动钻进原理

2011年8月中国煤炭地质总局第二勘探局与中国地质大学(北京)联合研制出YSZ-50型声频振动钻机(见图2)，经工业性生产试验，完成设计指标。2012年7月，该钻机顺利通过国内地质装备领域权威专家鉴定，鉴定意见为：YSZ-50型声频振动钻机是国内首台振动深度达50m的钻机。该钻机性能先进，结构有突出创新，填补了国内声频振动钻机研制的空白，达到国内领先水平。

图2　YSZ-50型声频振动钻机

2工程应用及技术改进

该钻机自研制成功后，陆续开展了下列工程应用及相应的技术改进。

2.1尾矿坝勘察

2.1.1工程概况

鲁能集团一尾矿坝占地面积约1341亩，用于存储铝矿冶炼后的废渣废液。该坝由黄土分层碾压堆筑而成，坝体总库容约2100 万m3。随着产能增加，原有库容难以满足要求，拟将坝高增加以扩大库容。为此需要勘察坝基土体并评价坝体稳定性。传统泥浆回转钻进会对坝基土体造成水浸污染和扰动，影响坝基黄土含水量、孔隙度等参数的测试。此外，泥浆渗漏可能对坝体造成破坏，加之施工现场偏远，水源运输不便，故只能采用无循环振动钻进方式，选用了YSZ-50型声频振动钻机进行勘察取样。

2.1.2钻机使用情况

钻机完成坝体不同部位6个钻孔的勘察任务。孔深35m、20m和15m不等，钻遇地层主要为黄土、黏土和卵石，每隔2m取出一段长20~30cm的原状土样，并装入土样盒。钻机使用中体现如下优点：(1)取样质量高。采用无循环钻进方式，最大限度的避免了泥浆对土体的污染和扰动，并有效防止泥浆渗漏对坝体造成的潜在破坏，也解决了水源运输不便的难题。(2)钻进速度快。从现场来看，纯钻进速度可达0.2~0.4m/s，机械钻速可达2.8m/min。(3)样品长、取样完整，见图3。

图3　取出0.6m长土样

2.1.3问题及技术改进

钻机使用中主要暴露如下问题：(1)动力头上联轴器的连接螺栓被振落、振弯，见图4；(2)取样钻头损坏严重，见图5。

图4　联轴器上振落、振弯的螺栓

图5　卷刃的钻头

针对上述问题，在联轴器上改用了防松螺栓和瑞典Nordlock防松垫圈，见图6；对取样钻头进行刃部淬火，见图7。

图6　防松垫圈

图7　刃部淬火的钻头

2.2高层建筑岩土勘察

2.2.1工程概况

2013年河北涿州地质嘉园高层住宅楼为剪力墙结构，筏板基础，基础埋深7.6m，地上18层，地下2层。工程勘察等级乙级。布置勘探取样孔6个。深度35.1～45.1m不等，地层以黏土、粉土、砂土为主。

2.2.2钻机使用情况

使用YSZ-50型声频钻机施工了3个钻孔，取出原状土样20盒，较好地完成了勘察取样任务，施工中采用半合管钻具，获取的土样见图8。

图8　半合管取样

2.2.3问题及技术改进

施工后期，发生液压泵损坏现象，该泵为力士乐负载敏感轴向柱塞变量泵，拆检后发现斜盘已经断裂，滑靴已经严重磨损，见图9。

图9　破坏的斜盘和滑靴

泵的吸空是造成该现象的主要原因，产生吸空的一个主要因素是吸油管道布置方式不合理，位置偏高(图10)。吸油过滤器液位以上至吸油法兰处存在大量空气，造成泵的吸油不畅，导致滑靴的不断磨损，滑靴磨掉的金属颗粒进入液压管路，随着时间的延长，液压油也逐渐腐蚀变质，油液的污染加剧，最后造成了滑靴进一步的磨损和泵的进一步的吸空，最终的导致斜盘断裂。

图10　吸油法兰原位置

为了消除吸油不畅，将吸油管道置于低位，略高于油箱底面(图11)，保持吸油管道中始终充满油液，不会发生吸空现象，有效延长液压泵的使用寿命。

图11　调整后吸油法兰的位置

此外，拆修液压泵时，应关闭液压油箱，宜在泵的吸油管路中加装球阀。

2.3钢管桩施工

2.3.1工程概况

2014年第二勘探局承接中铁航空港北京南站开阳路道路改造工程项目，为防止道路开挖引发路边建筑物的下沉和倾斜，采用钢管桩支护方案。需要在路边预先钻进孔径152mm、深度6.7m的钻孔，然后下入6m长钢管(外径150mm、壁厚3mm)。地层特点是：地表为0.5～0.7m的沥青混凝土路面，以下7米分别为黏土、粉土和砂土。

2.3.2钻机使用情况

使用YSZ-50型声频钻机进行钢管桩施工(见图12)，选用螺旋钻杆、螺旋钻头、三翼刮刀钻头和三牙轮钻头进行钻进，摸索出三翼刮刀钻头破除沥青混凝土路面、土层换用螺旋钻头的钻进工艺，纯钻进速度可达3m/min，完成单个钻孔平均用时30min，曾出现一个夜班(8h)施工20个钻孔的记录，充分表明声频钻机钻进效率很高。此外，遇到地下6m砂层坍塌、钢管无法下入时，可采用声频振动将钢管沉入设计深度，而同行的SH-30型冲击钻和汽车钻无此功能，只能通过超钻完成下管任务，该钻机优势显著。