卢倩,卢猛,王福海,祝强,苏兴涛
(北京探矿工程研究所,北京 100083)
便携式冲击取样钻机的重量轻,携带非常方便,可单人背负,可以适用于山岭、交通和能源不便地区的取样工作,与传统的人工挖掘、槽探和井探等取样相比,能加快取样工作速度,而且还能大量减少植被的破坏,保护环境,满足调查、化探、物探、基础工程勘察等领域有大量的浅层钻探取样的需求。为了解决山区供水困难,我所人员探索了无水钻进法[1],用空气循环替代水循环钻进和无循环钻进技术[2],采用轻便可靠的钻进设备是降低钻进费用的有效途径[3],但轻便的钻进取样技术仍是空白和难点。
(1)便携式冲击取样钻机包括主机、钻具和钻杆,主机通过钻杆短接与钻杆的上端相连,主机用于驱动钻杆转动,钻杆的下端与所述钻具相连。
(2)便携式冲击取样钻机具有转换开关,转换开关与主机相连,可实现纯冲击和冲击回转两种功能的转换。
(3)该钻机采用空气循环,钻杆、钻杆短接、钻具短接和取心管均为内部中空结构,钻杆、钻杆短接或取心管中的至少一个上设有通气孔,其上的通气孔与其内部中空结构构成的空腔连通。整机能量损耗较小。
钻杆要求耐磨性好,承受传递能量所需的高强度等。为减小冲击能的损失,采用与原钻杆相同规格的螺纹钻杆连接。钻杆螺纹采用国标波形螺纹。根据人体特点,每根钻杆的有效长度为850 mm,便于携带,钻杆中心为通气孔。并设计了钻杆短接,将钻杆或钻具与主机相连。
按照先成孔,后取心的设计方案,钻头主要有锥形冲击钻头和合金取心钻头两种。取心钻头安装在单管取心钻具上。单管取心钻具设计了普通单管和槽型单管两种形式。
最初设计的内径26 mm,外径28 mm的钻头,计算面积A=84.8 mm2,不能有效的破碎岩石,亦不能取样。后来改为内径26 mm,外径40 mm的尖齿合金钻头,因合金出刃,减小了与岩石的接触面积,在保证不崩齿的情况下,其与岩石的接触面积均远小于上面的计算值。所以此款钻头可以有效的破碎岩石。钻头内部设计了5°的锥面,放入卡簧,利于取样[4]。
该钻机属于气动冲击回转钻进设备,工作原理是由往复运动的冲击体撞击钻杆,钻杆将能量传递到钻具,钻具传递到钻头破碎岩石。将冲击体-钻杆-钻具-钻头-岩石这一体系称为冲击凿入系统。冲击凿入过程的物理实质是将一长时间作用的力转化为一脉冲力。这一脉冲力可在瞬时提供足够高的应力幅值,用来破碎岩石。在这里冲击机械相当于一个能量转换器。[5]
能量利用率是冲击锤的一个性能指标,但不是唯一和必须首选的。从轻便性考虑,在小型冲击工具中,其能量利用率不是主要的,故气动冲击仍旧得到广泛的使用。 我国的气动冲击设备能量利用率仅为3%,国外设备则到达10%以上。本钻机的功率为2 kW,输出能量200 W。
2015年9月12日至9月14日,在黑龙江省大兴安岭地区,加格达奇区呼中镇碧水铅锌矿的槽探剖面进行了钻探试验。试验结果表明钻机轻便,可实现单人背负(图1),动力也可以满足现场的需求。
图1 野外试验
针对野外试验中遇到的问题,进行了进一步的改进:①研制了内锥钻头、外锥钻头以及内锥镶合金钻头、外锥镶合金钻头等5种钻头,锥形钻头做成纺锤形,减小提钻时遇到的阻力,设计了最大直径与钻具外径相同的冲击钻头,并将钻头前部改为四棱锥的形状,便于钻进;②钻具与钻杆连接的部位增加了小铁环,消除了钻杆与钻具之间的台阶;③单管钻具的岩心管上开了一条细缝,便于观察取心情况;④配备了0.5 m的护壁套管,防止上部的碎石掉入孔中;⑤厚壁取心钻头上增加了卡取岩心的弹簧片。
因在实验中发现钻杆和钻具冲入地层后,靠人力很难将其取出,研究人员继续研发了便携式起拔器,用于拔起冲击入地下的钻杆。起拔器高度不到2 m,质量10 kg左右,但起拔力可达到30 kN,有效的解决了起拔问题。
研究人员研发了两种结构形式的取心管:半合管式和整体式。针对不同的地层,选择不同的结构形式。一般较软的松散地层用半合管式,坚硬致密完整地层用整体式,半合管式的取心管易于将样品取出(图2)。
图2 半合管钻具
本文对便携式冲击钻机具的总体设计进行了分析,有关计算和分析结果对冲击钻机具的设计和选用具有参考价值。一个合理和优良冲击器的构成涉及到结构、材料、工艺诸多方面,应综合考虑。从实际问题出发,经过不断试验和改进,便携式冲击取样钻机具的装备和钻进取样工艺,实现了浅部无水钻进和取样。全套装备需要2人背负,其中一人背钻机,另一人背钻杆、钻具和工具。钻进取样时需要2人配合完成,1~3 m深的钻孔约需40~60 min。该设备及工艺可部分替代探槽采样。
[1] 曹克信, 张芳英. 无水钻进打井技术在山西省的应用[J]. 水利水电技术, 1981(12):22-27.
[2] 刘家荣. 无循环钻进工艺在易坍塌、缩孔和卵砾石地层的应用[J]. 地质与勘探, 2010, 46(5):960-966.
[3] 王峪. 轻便钻机在地质勘察工程中的应用[J]. 西部探矿工程, 2013, 25(5):80-82.
[4] 卢倩, 唐守宝, 卢猛,等. 轻便无水取样钻机研制与试验[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 2017, 44(7):62-66.
[5] 甘海仁, 赵统武. 冲击锤的工作应力和能量传递分析[J]. 凿岩机械气动工具, 2007(1):18-23.