中小型旋挖鑽機如何入岩？

旋挖鑽機入岩施工一直是長期困擾我們旋挖鑽機施工的一大難題，尤其是中小型旋挖鑽機的入岩施工更是難上加難。

摘要：旋挖鑽機入岩施工一直是長期困擾我們旋挖鑽機施工的一大難題，尤其是中小型旋挖鑽機的入岩施工更是難上加難。在四川中風化石灰岩層施工，孔直徑φ900mm，成功入岩1000mm，並完整取出岩芯。體現出KR125A的高可靠性，較好解決了中小型旋挖鑽機難以入岩的難題。

1、中小型旋挖鑽機入岩技術難點

中小型旋挖鑽機入岩一直以來有以下幾個技術難點：

（1）軸向加壓力小；

（2）自身重量輕；

（3）岩石對設備本身衝擊大。

由於旋挖鑽機軸向加壓力的不足，很難實現高效的破碎岩石"躍進式破碎"的形式

主要有兩方面的原因：

1岩石是具有各向異性、不均質、不連續的組織物，且岩石位於地底深處，地質條件複雜；2中小型旋挖鑽機本身重量小，既要保證中小型旋挖鑽機的機動和靈活性，又要保證自身的重量能夠承受住岩石的反作用衝擊力，同時又能保證自己的安全和穩定性，這樣對中小型的鑽機似乎是一個挑戰。鑽機的設計，以及適當的施工工法，都對旋挖鑽機設計者提出了一個新的要求。中小型旋挖鑽機在這個方面做出了重大的突破，在四川工地中風化石灰岩上施工，孔直徑φ900mm，成功入岩1000mm，岩石單軸抗壓強度達到30MPa，耗時是1.2小時。工法是採用的是筒鑽，利用截齒的研磨或者疲勞破壞，再配備特製的工具將岩芯折斷，並用筒鑽將岩芯完整取出。

2、入岩施工

2013年4月旋挖鑽機在四川重慶施工，地質條件為中風化石灰岩層，單軸抗壓強度為30MPa，孔徑φ900mm，要求入岩1000mm，採用的是4×9.5m機鎖杆，採用的鑽具是帶截齒筒鑽，主要原理是利用筒鑽截齒的自轉和公轉，對岩石進行磨削。如下圖所示。

旋挖鑽機的加壓施工方式主要採用"恆定加壓與點動加壓相結合的方式"，恆定加壓主要是產生靜載，為磨削岩石提供恆定的加壓力，點動加壓主要形成對岩石的一定的衝擊，實現岩石的局部破碎，這兩種方式加壓相互結合實現岩石的快速切削。由於岩石的軟硬不均，轉速會隨著負載發生變化，造成鑽進的過程中產生快慢交替的情況，亦對岩石造成一定的衝擊作用，從而達到加速岩石切削的作用。

另外在鑽進的過程中要不斷產生加註水或者泥漿，主要是起到潤滑和對鑽斗降溫的作用，減少鑽頭因為發熱導致的設備損壞。

3岩芯的取出

當使用筒鑽鑽進達到規定的要求的時候，需要將岩石進行切斷並取出。因為小鑽機自身重量輕以及扭矩小，不能直接將岩石切斷，這就需要專用的楔形鑽斗(如右圖)，利用楔形加壓的原理，楔形鑽斗的加壓力F產生對岩芯的徑向分力F1，最終將岩石折斷。如下圖所示，將楔塊插入岩芯與孔壁的縫隙中，再施加加壓力F（利用鑽杆下放形成的衝擊力），從而將岩心成功的折斷。再更換筒鑽將折斷的岩芯取出。

4岩石的入岩機理分析

旋挖鑽機之所以能夠成功的快速入岩，主要是由於鑽機本身設計嚴格遵守歐盟的EN791安全設計標準，在充分考慮旋挖鑽機安全性、穩定性的基礎上，將整機重量進行合理分布後又實現其靈活性，可靠的設計結構可承受小型機鎖杆的反作用力，從而實現較大的加壓力傳遞和較高的入岩效率，取得了最優的結果。

旋挖鑽機充分考慮岩石破碎機理的三個階段：研磨破碎區段、疲勞破碎區段和躍進破碎區段。

（1）研磨破碎區段：在較小的軸壓力作用下，鑽斗與岩石接觸所產生的接觸壓力顯著小於岩石的極限強度或者壓入硬度，破碎是靠摩擦切削，此階段的破碎顆粒小，鑽頭有一定的磨損。

（2）疲勞破碎區段：當壓力載荷增加到一定的值，仍未達到岩石的極限強度或者壓入硬度時，旋轉鑽頭多次與岩石衝擊接觸，使得岩石的產生微裂紋，微裂紋越多，岩石的強度就降低的多，當岩石的強度降低到一定的程度時，經過鑽頭多次衝擊的岩石便會形成大顆粒的岩石碎屑，從而形成疲勞破碎。

（3）躍進破碎區段：在足夠的軸壓力作用下，鑽頭與岩石所產生的接觸壓力大於或者等於岩石的極限強度或者壓入硬度時，則岩石產生躍進破碎。躍進破碎的顆粒比較大。

入岩的岩石破碎機理，就是利用研磨破碎區段和疲勞破碎區段。解決了中小旋挖鑽機的自身重量輕，提供的軸壓小的問題，在加壓與動力頭轉速上取得合理的值，同時又能保持住中小鑽機的機動靈活的優勢。在取出岩芯的問題上採用有效合理的工法，以及合適的鑽具，成功將完整的岩芯取出。

5結論：

（1）利用岩石的破碎機理，調整旋挖鑽機的設計，配備合適的鑽具，使得旋挖鑽機入岩是完全可行的，並在實踐中得到充分的論證。解決了中小型旋挖鑽機不能入岩的問題。

（2）小型鑽機由於其自身重量較輕，要實現入岩必須使用機鎖杆以將整機重量傳遞到作業面，但較大的反作用力對整機結構的可靠性提出更高要求。

（3）在岩石上鑽孔，必須配備合適的鑽具，尤其是取出岩芯這個問題上，必須配備合適的工具，因此在鑽機工具的研究也是必不可少的，並將是我們今後旋挖鑽機入岩的研究的一個大的方向。

（4）旋挖鑽機的工法研究更加必不可少的，比如合理分配加壓力與動力頭轉速的關係，入岩時候必須加註水或者泥漿，對鑽具進行降溫以及增加潤滑。

（5）對中小型旋挖鑽機尤為重要的是由於自身重量的限制，在保證穩定性的情況下，合理分配鑽杆、鑽具、桅杆與鑽機總重量的比例關係，同時又能發揮中小旋挖鑽機的靈活、耗油低的特點。