气举反循环钻机成孔原理.pdf

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1、钻孔灌注桩施工时钻机的选择（刘培良讲稿，王同民整理于武汉长江二桥工地）一九九0～一九九七年（一）刮刀钻头破岩原理：刮刀钻头适用于在覆盖层、强风化岩层和软岩中钻孔。刮刀布置不宜过密，覆盖系数应在1.2～1.5之间。注意改善泥浆冲洗条件，以免形成泥包钻头。注意切入地层不宜过深,钻压适当不能过大。刮刀的材质应着重考虑岩石的机械强度、抗压入强度、抗剪强度和研磨性。现将刮刀钻头破岩机理分述如下：1．P为使刮刀压入岩石的力，Tm为刮刀随钻头旋转的扭力，刮刀随钻头下放（给进）接近孔底工作面时：P＝0，Tm＝0。2．在钻头自重的作用（包括配重）刮刀获得钻压值，得到Po的力，使刀锋压入岩层。此

2、时：P＝Po，Tm＝0。3．在钻头扭矩Tm的作有用下，刮刀获得扭力Tm，这时刮刀有了充分的工作条件使刮刀前的岩层产生挤压变形，并沿剪切面形成破岩切力τ，P＝Po，Tm＝Tm。4．刮刀随着钻头的旋转和给进，进行工作，在刮刀的推移下，岩屑不断加长而自折，被循环泥携带到孔外。5．钻进过程示意图：1P=02P=P03P=P04P=P0γTMTMTM0TM0孔底工作面孔底工作面新的孔底工作面新的孔底工作面papbpcpd钻压、钻速关系图根据刮刀钻头破岩的工作原理，在钻进过程中必须考虑和满足的基本条件是：①加在孔底工作面上的钻压；②驱动钻头旋转的转盘扭矩和功率；③钻机转数；④泥浆循环量；

3、⑤钻头型式。这五个基本条件是钻机必不可少的五个重要因素。它们和各种地层的关系与计算方法，在以下各节中进行介绍。（二）钻压：1．定义：钻孔时为使刀具压入岩石，所施加给刀具的力称为钻压。钻压是对钻进效率、钻头刀具寿命影响最大的一个钻孔参数。2．钻压P与钻进速度V的关系：随着钻压P的增加，钻进速度V的变化可分为以下三个阶段：a．岩石被挤压阶段：当P从零增加到Pa时，岩石由于刀刃的压力面被压密，刀具压入岩石的深度与钻压成正比，亦即V与P成直线关系，这时刀具只是以研磨作用使岩石呈表面破坏，钻孔速度低，刀具磨损量大。b．岩石开始变形阶段：即Pa→Pb阶段，岩石在刀刃压力作用下开始变形，刀

4、具压在岩石深度的增加大于钻压的增加，这时V与Pm成正比，M是决定刀具本身的参数（加齿尖角、齿距、刀具的排列方式等），当孔底无岩层时，M＝1.25～3.0（硬岩取小值、软岩取大值）孔底有岩时M≤1.0。c．Pb－Pd阶段：为岩石有效破碎阶段，这时刀具压入岩的深度迅速增加，钻速的增加远大于钻压的增加，当钻压大于Pb时刀具磨损量降低。Pd是钻压的临界值，它是牙轮齿全部压入岩石时的钻压值，因此钻压超过Pd时，不仅钻速会降低，还将缩短刀具和轴承的寿命，引起孔斜和泥包钻头等一系列事故。因此掌握各种地层的Pd值是很重要的，钻进时应将钻压控制在Pb－Pd范围内。3．线压强度：在钻孔钻进过程中

5、，加到孔底工作面上的钻压，是通过刮刀上的刀锋压入岩层内一定深度h，刀锋与孔底的接触为一条线，故称为线压强度。线压强度既要满足钻孔的临界钻压值，又不能过大。但对钻孔桩来讲总是先通过表层较松、较软的地层，钻到较硬的持力层（磨擦桩）或者岩层内（柱桩），选择钻机时。钻压必须能克服钻孔桩将要通过的最硬最难钻的地层，因此目前国内外在安排钻机线压强度时，一般按规范的要求为：在覆盖层中钻孔N值＞5MP时，取线压强度q＝40kg/cm，在风化岩层或软岩中钻孔时，取线压强度q＝80kg/cm，在岩石强度大于40MP时取g＝160～320kg/cm。岩石强度大于g＝80MP时，g＝400kg/cm

6、。南昌公路大桥泥砂岩很软，岩石池和极限抗压强度仅10MP稍多一些，取40kg/cm。4．钻压计算：P=∑L*qP=加在孔底的有效钻压（Kg）。∑L：刮刀与孔底接触的总刀长（cm）。q：线压强度。例：①直径1.8m钻孔，当∑L=1.5*90=135cm时(覆盖系数K=1.2~1.5)加到孔底的有效钻压值是:P=135cm*40=5400Kg=5.4tf=54KN.(40为适宜的线压强度,根据地质选用).②.直径2.5m的孔:当线压强度∑L=1.5*1.25=187.5cm时,加到孔底的有效钻压值:P=187.5*40=7500Kg=7.5tf=75KN.*注:有效钻压不等于空气

7、中的钻头加配重.5．钻头加配重后在空气中的重量，为了减压钻进的要求，钻头加配重在泥浆中重量的一部分成为加在孔底的有效钻压，另一部分重量使钻机始终在拉力状态下进行工作，促而达到重锤导向的目的,保证钻孔的垂直度：Q＝7.85P/α＊(7.85－γ)式中：Q:为钻头加配重在空气中的重量:（t）P:为加到孔底的有效钻压值:（t）37.85:钢材的比重:（t／m）3为泥浆比重:取γ＝1.25t／mα:为减压量，α值越小钻孔垂直度越高，在1000m以上的深井钻孔中，α取0.4,钻孔偏斜率＜1‰；国内煤矿坚井（100