工程案例sr200r旋挖钻机入岩试验及若干问题探讨

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1、【工程案例】SR200R旋挖钻机入岩试验及若干问题探讨从2007年8月9日至2007年9月7日，北京市三一重机有限公司用新研制的SR200R旋挖钻机进行了入岩试验，试验地点是北京周口店“永富强采石场”，入岩地质为全风化至未风化花岗岩。9月7日试验人员为几十位参观客户和桩工协会专家现场钻进，用φ1250嵌岩筒钻4分钟钻进弱风化花岗岩118mm，用φ1000单头单螺钻头2分钟钻进弱风化花岗岩196mm。现场专家和客户对入岩效果比较满意。相关实验记录见表一“现场试验记录”。入岩试验场地地理环境入岩试验场地地理环境试验结论：已经证实SR200R

2、入岩旋挖钻机可实现在Ra≤210MPa的花岗岩中钻进。已经证实通过操作手法的运用能对硬岩产生冲击作用，从而提高了钻机的入岩能力和效率。已经证实通过交替使用不同结构的钻头可使2种以上的钻头间互相形成自由面，增进了入岩钻进效率。已经证实钻孔垂直精度达1/100。通过用SR200R入岩旋挖钻机对灰岩和花岗岩的钻孔试验，体会和认识到如下六个问题：  一、入岩旋挖钻机主机应具备的基本条件：  岩石中能量耗散规律和动态断裂准则明确指出：“当加载能量小于某一门槛值时，其加载能量完全不参与裂纹扩展，全部为无用耗散能量；当加载能量达到动态断裂准则时，岩石

3、动态破坏，无功耗散能量大约为15％。”以这一理论为出发点，入岩旋挖钻机必须具备大的加压能力和大的动力头功率（大扭矩和高转速）。首先，岩石岩石在大加压力作用下，可实现岩石节理的贯通和裂纹形成，内聚力消失从而只克服摩擦力就能从岩体上分离；可实现小岩体在压力作用下被挤压向自由面，裂纹扩展到自由面，小岩体被剪断从岩体上分离；也可实现RQD大于75的完整岩石在碾压作用下形成岩屑。只有完整的岩石被变为碎块和碎屑，才能实现钻进。其次，大扭矩和高转速的液压动力头是实现冲击作业的必要条件。在钻头截齿切削轨道上，截齿撞击凸起的岩体，动力头被减速，当截齿越过

4、凸起的岩体转速加快冲向新的凸出岩体，在高速、低速的转化中岩体不断被撞击，高速与低速间速度差越大，凸出岩体得到的冲击越大，只有大扭矩和高转速的液压动力头才能增大高速与低速间速度差，对于旋挖钻机（功率较小的破岩机械）入岩而言，冲击能有效的制造出一些大的载荷从而越过岩石脆性断裂或塑性屈服的“门槛值”，旋挖钻机要入岩必须实现冲击过程。从入岩工况看，必须提高设备自身抗振动能力。入岩作业中的振动来源是钻头与岩石间的相互作用、钻杆弯曲变形、钻头偏心、钻具质量分布不均等。钻压在增压、减压、浮动模式下连续循环，这一循环是操作者控制的，其频率大约为0.10

5、～0.3Hz，这也是入岩钻进的振源之一。其次，入岩作业中某一个或几个钻齿不断撞击凸起的岩石形成不规律的“刹车”现象，钻具转速越高、岩石凹凸不平越多“刹车”频次越高，这一振动有时频率很高，而且振动的激励、叠加和衰竭规律性也很差。从以上振动来源看，无法通过主动振动来抵消被迫振动造成的对设备的损坏，必须提高设备自身抗振动能力。  从岩石破碎的脆性断裂或塑性屈服的“门槛值”看，要求必须给岩石施加足够的力。这就要求入岩旋挖钻机必须有足够的重量，以实现钻机大加压能力。  总之，大加压力、动力头大功率和钻机必须有足够的自重，是入岩对旋挖钻机设备本身最

6、基本的要求。二、旋挖能入岩是依靠冲击作用实现的：  从入岩钻进中对岩石作用力的方式看，各种钻机都力求实现对岩石的冲击作用，因为冲击使设备输出的力远远超出静力输出。例如潜孔锤是通过冲击器直接冲击岩石；反循环钻进中牙轮滚刀、楔形滚刀等是通过滚刀上各个点回转半径不同实现自转过程对岩石的冲击。  旋挖钻机入岩作业是通过控制钻压来实现对岩石冲击的。钻压在图二所示的模式下连续循环浮动、增压、减压三个节拍。增压时钻头转动阻力增大而减速，减压时钻头转动阻力减小而加速，从动量、冲量转化方程（）可知速度变化越大，变化时间越短对岩石的冲击力越大。通过冲击，有

7、效解决了钻机对岩石作用力不足，难以超越破碎岩石最低载荷值问题。通过对岩石的冲击也有利于自由面的形成。钻头连续转动中，刀头间歇地冲击岩石，结果在刀具运行方向上不断形成凹凸不平，旧的凸起被破坏后又形成新的凸起。这些凹凸不平是钻进的自由面，无论是大自由面还是小自由面都有利于岩石受载荷（特别是受冲击载荷）后变形从整块岩体上剥离形成岩屑，从而增加了钻进效率。机大的加压能力和大的动力头功率是实现入岩的设备条件，将设备能力转化为有效破岩能力必须经过脉冲加压操作方式的合理配合。从图二“入岩钻进的合理加压模式”看，旋挖钻机入岩加压模式为动、静载联合作用，

8、静载可以提高冲击动载的作用力峰值。静载还可以将钻齿压在孔底岩石上，使动载作用直接传递到岩石，减少功率传递损失和弹性碰撞的功率损失。动载有利于使对岩石的作用载荷超越一个门槛值。入岩钻进的合理加压模式嵌岩筒钻在