干旋挖鉆機(jī)這么久，知道怎么入巖最省勁嗎？

一、入巖旋挖鉆機(jī)主機(jī)應(yīng)具備的基本條件

巖石中能量耗散規(guī)律和動(dòng)態(tài)斷裂準(zhǔn)則明確指出：“當(dāng)加載能量小于某一門檻值時(shí)，其加載能量完全不參與裂紋擴(kuò)展，全部為無用耗散能量；當(dāng)加載能量達(dá)到動(dòng)態(tài)斷裂準(zhǔn)則時(shí)，巖石動(dòng)態(tài)破壞，無功耗散能量大約為15％?！币赃@一理論為出發(fā)點(diǎn)，入巖旋挖鉆機(jī)必須具備大的加壓能力和大的動(dòng)力頭功率（大扭矩和高轉(zhuǎn)速）。首先，巖石巖石在大加壓力作用下，可實(shí)現(xiàn)巖石節(jié)理的貫通和裂紋形成，內(nèi)聚力消失從而只克服摩擦力就能從巖體上分離；可實(shí)現(xiàn)小巖體在壓力作用下被擠壓向自由面，裂紋擴(kuò)展到自由面，小巖體被剪斷從巖體上分離；也可實(shí)現(xiàn)RQD大于75的完整巖石在碾壓作用下形成巖屑。只有完整的巖石被變?yōu)樗閴K和碎屑，才能實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)。其次，大扭矩和高轉(zhuǎn)速的液壓動(dòng)力頭是實(shí)現(xiàn)沖擊作業(yè)的必要條件。在鉆頭截齒切削軌道上，截齒撞擊凸起的巖體，動(dòng)力頭被減速，當(dāng)截齒越過凸起的巖體轉(zhuǎn)速加快沖向新的凸出巖體，在高速、低速的轉(zhuǎn)化中巖體不斷被撞擊，高速與低速間速度差越大，凸出巖體得到的沖擊越大，只有大扭矩和高轉(zhuǎn)速的液壓動(dòng)力頭才能增大高速與低速間速度差，對于旋挖鉆機(jī)（功率較小的破巖機(jī)械）入巖而言，沖擊能有效的制造出一些大的載荷從而越過巖石脆性斷裂或塑性屈服的“門檻值”，旋挖鉆機(jī)要入巖必須實(shí)現(xiàn)沖擊過程。從入巖工況看，必須提高設(shè)備自身抗振動(dòng)能力。入巖作業(yè)中的振動(dòng)來源是鉆頭與巖石間的相互作用、鉆桿彎曲變形、鉆頭偏心、鉆具質(zhì)量分布不均等。鉆壓在增壓、減壓、浮動(dòng)模式下連續(xù)循環(huán)，這一循環(huán)是操作者控制的，其頻率大約為0.10～0.3Hz，這也是入巖鉆進(jìn)的振源之一。其次，入巖作業(yè)中某一個(gè)或幾個(gè)鉆齒不斷撞擊凸起的巖石形成不規(guī)律的“剎車”現(xiàn)象，鉆具轉(zhuǎn)速越高、巖石凹凸不平越多“剎車”頻次越高，這一振動(dòng)有時(shí)頻率很高，而且振動(dòng)的激勵(lì)、疊加和衰竭規(guī)律性也很差。從以上振動(dòng)來源看，無法通過主動(dòng)振動(dòng)來抵消被迫振動(dòng)造成的對設(shè)備的損壞，必須提高設(shè)備自身抗振動(dòng)能力。

從巖石破碎的脆性斷裂或塑性屈服的“門檻值”看，要求必須給巖石施加足夠的力。這就要求入巖旋挖鉆機(jī)必須有足夠的重量，以實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)大加壓能力。總之，大加壓力、動(dòng)力頭大功率和鉆機(jī)必須有足夠的自重，是入巖對旋挖鉆機(jī)設(shè)備本身最基本的要求。

二、旋挖能入巖是依靠沖擊作用實(shí)現(xiàn)的

從入巖鉆進(jìn)中對巖石作用力的方式看，各種鉆機(jī)都力求實(shí)現(xiàn)對巖石的沖擊作用，因?yàn)闆_擊使設(shè)備輸出的力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出靜力輸出。例如潛孔錘是通過沖擊器直接沖擊巖石；反循環(huán)鉆進(jìn)中牙輪滾刀、楔形滾刀等是通過滾刀上各個(gè)點(diǎn)回轉(zhuǎn)半徑不同實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)過程對巖石的沖擊。

旋挖鉆機(jī)入巖作業(yè)是通過控制鉆壓來實(shí)現(xiàn)對巖石沖擊的。鉆壓在圖二所示的模式下連續(xù)循環(huán)浮動(dòng)、增壓、減壓三個(gè)節(jié)拍。增壓時(shí)鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)阻力增大而減速，減壓時(shí)鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)阻力減小而加速，從動(dòng)量、沖量轉(zhuǎn)化方程可知速度變化越大，變化時(shí)間越短對巖石的沖擊力越大。通過沖擊，有效解決了鉆機(jī)對巖石作用力不足，難以超越破碎巖石最低載荷值問題。通過對巖石的沖擊也有利于自由面的形成。鉆頭連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)中，刀頭間歇地沖擊巖石，結(jié)果在刀具運(yùn)行方向上不斷形成凹凸不平，舊的凸起被破壞后又形成新的凸起。這些凹凸不平是鉆進(jìn)的自由面，無論是大自由面還是小自由面都有利于巖石受載荷（特別是受沖擊載荷）后變形從整塊巖體上剝離形成巖屑，從而增加了鉆進(jìn)效率。鉆機(jī)大的加壓能力和大的動(dòng)力頭功率是實(shí)現(xiàn)入巖的設(shè)備條件，將設(shè)備能力轉(zhuǎn)化為有效破巖能力必須經(jīng)過脈沖加壓操作方式的合理配合。從圖二“入巖鉆進(jìn)的合理加壓模式”看，旋挖鉆機(jī)入巖加壓模式為動(dòng)、靜載聯(lián)合作用，靜載可以提高沖擊動(dòng)載的作用力峰值。靜載還可以將鉆齒壓在孔底巖石上，使動(dòng)載作用直接傳遞到巖石，減少功率傳遞損失和彈性碰撞的功率損失。動(dòng)載有利于使對巖石的作用載荷超越一個(gè)門檻值。

三、旋挖鉆機(jī)入巖能力和加壓模式的有效傳遞及鉆桿應(yīng)滿足的基本要求

在巖石的力學(xué)性能中，抗壓能力最強(qiáng)，抗拉伸、剪切、彎曲能力差得多，而地下鉆孔作業(yè)機(jī)具受作業(yè)空間限制很難直接對巖石進(jìn)行直接的拉伸、剪切、彎曲。這就需要通過鉆頭將設(shè)備提供的壓力和扭矩轉(zhuǎn)化為對巖石的拉伸、剪切、彎曲。要使鉆頭有效鉆進(jìn)巖層，應(yīng)從以下5個(gè)方面解決問題。

1、鉆頭結(jié)構(gòu)與布齒：鉆頭結(jié)構(gòu)與布齒決定能鉆出什么形狀的自由面、自由面的大小、自由面多少。從下圖四、圖五、圖六可以看出，鉆頭前期鉆進(jìn)為后期鉆進(jìn)提供了自由面。

先期鉆進(jìn)的鉆頭為下一個(gè)鉆進(jìn)的鉆頭制造了巖體破碎的自由面。巖體受力后，無拘束的自由面為小巖塊運(yùn)行提供了空間，從圖四看刀具上的壓力已被轉(zhuǎn)化成剪切力、拉伸力或彎矩，巖體在這些力的作用下從大巖體上剝離。兩種以上的鉆頭交替作業(yè)能互相提供自由面（如圖六），使鉆進(jìn)效率大大提高，從而提高了破巖能力，降低了對主機(jī)過大的功率需求。對入巖而言，不同的巖層性質(zhì)要有針對性地配用鉆頭，鉆頭的結(jié)構(gòu)、鉆頭上刀具的形狀（截齒、斗齒等）和布置（疏密、空間角度）要根據(jù)巖體強(qiáng)度、節(jié)理的發(fā)育程度、節(jié)理的傾斜角、孔隙比、結(jié)構(gòu)間距、巖體抗剪強(qiáng)度的內(nèi)聚力和摩擦角等巖石性質(zhì)針對性設(shè)置，萬能作業(yè)鉆頭是不存在的。

2、巖屑的運(yùn)動(dòng)：巖屑對鉆頭在孔內(nèi)鉆進(jìn)有阻礙作用，巖屑的阻力小，設(shè)備能力用于做有效功。用螺旋鉆頭、嵌巖筒鉆、撈渣斗等鉆頭配合鉆孔中，一般運(yùn)用螺旋輸送原理輸送和引導(dǎo)渣屑運(yùn)動(dòng)和排出。渣屑流動(dòng)順暢的鉆頭鉆進(jìn)較省力。

4、幾種鉆頭的配合使用：幾種鉆頭的配合使用的目的在于交互提供利于巖石破碎的自由面，將巖石破碎后，再把破碎了的巖石取出。這就涉及二個(gè)問題，第一，鉆頭的結(jié)構(gòu)交互提供利于巖石破碎的自由面的可能性；第二，每種鉆具鉆進(jìn)深度的掌握。用旋挖鉆頭入巖最常用的鉆頭配合模式有適合硬巖（15≤Ra≤200MPa）的模式：錐螺旋鉆頭＋嵌巖筒鉆＋硬巖撈砂斗＋其它工具（如大塊石打撈鉆頭）和適合軟巖（5≤Ra≤20MPa）的模式：平頭螺旋鉆頭＋硬巖撈砂斗。還有旋挖鉆機(jī)配反循環(huán)工法和旋挖鉆機(jī)配大口徑氣動(dòng)潛孔錘工法等，但這二種工法均不能體現(xiàn)旋挖鉆機(jī)的優(yōu)勢，在此不多說明。

5、如何撈取大塊巖石：用鉆桿帶鉆頭直接撈取孔內(nèi)脫落的大塊石是旋挖工法中撈取大塊巖石的最有效辦法。操作者要會(huì)感知大塊巖石已經(jīng)從巖體上脫落，大塊巖石從巖體上脫落后還要根據(jù)巖石的特性判斷是破碎后撈渣還是整體打撈?，F(xiàn)在市場上缺少從孔內(nèi)整體打撈大塊巖石工具。但必須解決在深孔撈取大塊巖石問題，大塊巖石不能撈出鉆進(jìn)就無法繼續(xù)進(jìn)行。

五、必須力求減少因振動(dòng)造成的設(shè)備損壞和事故發(fā)生

在“入巖旋挖鉆機(jī)主機(jī)應(yīng)具備的基本條件”中闡述了設(shè)備振動(dòng)的成因，振動(dòng)危害如下：

①設(shè)備結(jié)構(gòu)在振動(dòng)作用下應(yīng)力循環(huán)加速，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過早疲勞失效。

②因?yàn)檎駝?dòng)方向的不確定性，鉆機(jī)結(jié)構(gòu)受載更為復(fù)雜，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成過多的三軸力，設(shè)備更容易被破壞。

③由于振動(dòng)的激勵(lì)、疊加和衰竭使很多結(jié)構(gòu)從受靜載荷變?yōu)閯?dòng)載荷，而且大多為沖擊載荷，對設(shè)備提出了更高的要求。

④加速了組織缺陷的發(fā)育和成長，如焊接微裂紋和熱影響區(qū)硬化區(qū)軟化區(qū)的過渡層、材料的內(nèi)部缺陷、熱處理微缺陷等都會(huì)從振動(dòng)中吸收能量得到發(fā)育和成長等。

為了減少因振動(dòng)造成的設(shè)備損壞和事故發(fā)生，應(yīng)從以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)生長適合入巖旋挖鉆機(jī)：①從動(dòng)載和疲勞的角度來計(jì)算結(jié)構(gòu)可靠性。

②嚴(yán)格選擇材料，選用適合的加工工藝并嚴(yán)格執(zhí)行。

③減少容易在振動(dòng)中失效結(jié)構(gòu)（如：螺接）的應(yīng)用。

六、對用入巖旋挖鉆機(jī)施工提出的幾點(diǎn)建議

1、刀具的有效使用壽命是影響鉆進(jìn)效率和經(jīng)濟(jì)性的最重要因素，必須選用合格的截齒（或斗齒）。

2、要選擇與工程配套性良好的一種鉆桿和幾種鉆頭。

3、鉆進(jìn)巖性不同的地質(zhì)要采取不同的操作手法。

4、控制每次鉆進(jìn)的深度、掌握清渣方法和時(shí)機(jī)、刀具的冷卻等。

5、巖層的鉆進(jìn)效率是土層的1/20～1/5，設(shè)備與工具損耗也比土層大得多，要選擇工程造價(jià)合理的工程。