第四章 沖擊回轉(zhuǎn)

第四章沖擊回轉(zhuǎn)鉆進第一節(jié)概述概念

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進是在鉆頭已承受一定靜載荷的基礎(chǔ)上，以縱向沖擊力和回轉(zhuǎn)切削力共同破碎巖石的鉆進方法。

回轉(zhuǎn)鉆進

鉆壓、回轉(zhuǎn)扭矩及沖洗液均通過鉆桿傳遞給鉆頭。在堅硬地層鉆進速度較低。頂驅(qū)式?jīng)_擊回轉(zhuǎn)鉆進

沖擊能量從頂部由鉆桿（釬桿）傳遞給鉆頭。該方法較簡單，但對鉆桿的損傷較大。潛孔式?jīng)_擊回轉(zhuǎn)鉆進

沖擊能量直接（或通過巖心管）作用于鉆頭。該方法沖擊能的損失少，對鉆桿的損傷少。頂驅(qū)式潛孔式按產(chǎn)生沖擊回轉(zhuǎn)的機構(gòu)分類頂驅(qū)式潛孔式在鉆桿頂部用風(fēng)動、液動或電動機構(gòu)實現(xiàn)沖擊，并同時回轉(zhuǎn)鉆桿沖擊能通過鉆桿傳遞，能量利用率低，鉆進孔深受到限制以液力或氣力驅(qū)動靠近孔底的沖擊器，產(chǎn)生沖擊載荷，同時由地面機構(gòu)施加軸向壓力和回轉(zhuǎn)扭矩沖擊能直接傳給鉆頭，能量利用率高，可鉆更深的孔，且鉆孔速度快潛孔式機構(gòu)比頂驅(qū)式機構(gòu)的能量利用率高沖擊回轉(zhuǎn)鉆進適用的地層

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進最適用于粗顆粒的不均質(zhì)巖層，在可鉆性Ⅵ～Ⅷ級，部分Ⅸ級的巖石中，鉆進效果尤為突出。近幾年來，沖擊回轉(zhuǎn)鉆進不僅應(yīng)用于硬質(zhì)合金鉆進，還應(yīng)用于金剛石鉆進及牙輪鉆進，所以，它既可鉆進較軟的巖層，又可鉆進堅硬的巖層。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進應(yīng)用于小口徑金剛石鉆進，不僅可提高鉆進效率和鉆頭壽命，而且還可克服裂隙地層的堵心，堅硬致密地層的"打滑"，及某些地層的孔斜等問題。同時，在巖土工程的大口徑施工中也有用武之地。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進的優(yōu)點1、鉆進效率高硬質(zhì)合金沖擊回轉(zhuǎn)鉆進在5～7級，部分8級巖石中鉆進，比普通硬質(zhì)合金回轉(zhuǎn)鉆進效率高50～100％。小口徑金剛石沖擊回轉(zhuǎn)鉆進在8～10級完整巖石中鉆進，比普通金剛石回轉(zhuǎn)鉆進方法高20～50％。在致密弱研磨性的“打滑”地層則可提高50～100％或更高。2、鉆孔質(zhì)量好沖擊回轉(zhuǎn)鉆進方法，由于鉆頭破碎巖石的方式不同于回轉(zhuǎn)鉆進，所以使用的鉆進規(guī)程，鉆壓小，轉(zhuǎn)速低，同時進尺又快，故不易發(fā)生孔斜。3、孔內(nèi)事故少，回次進尺長，純鉆進時間利用率高由于在沖擊回轉(zhuǎn)鉆進中鉆壓小，轉(zhuǎn)速低，沖洗液量大，孔內(nèi)干凈，管材磨損少，從而就大大減少鉆具折斷，燒鉆，埋鉆，卡鉆等孔內(nèi)事故。另外，輕微的卡鉆還可以利用沖擊器的震擊作用自行排除，故純鉆進時間可提高20～25%.4、鉆探成本低液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進由于效率高，材料消耗少，純鉆進時間利用率高，故鉆探成本可下降15～20％。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進的核心部件是沖擊器（潛孔錘）。按驅(qū)動介質(zhì)分類液動沖擊器氣動沖擊器機械作用式?jīng)_擊器油壓沖擊器電動沖擊器

液動沖擊器以高壓水或泥漿作為驅(qū)動介質(zhì)。盡管液動沖擊器1887年就獲得專利，但實際到20世紀(jì)50年代，前蘇聯(lián)和中國才開始研究并在地質(zhì)鉆探中采用。該沖擊器置于巖心管（3～4.5m長）頂部，對于中硬以上的巖石，較之單純的回轉(zhuǎn)鉆進具有明顯優(yōu)勢，并且可與繩索取心和水力反循環(huán)連續(xù)取心相結(jié)合，已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)巖心鉆探、水文水井鉆探、工程施工鉆井、石油鉆井等領(lǐng)域。但由于其自身沖擊能較小，故鉆進效果仍低于氣動沖擊器。

氣動沖擊器也稱為風(fēng)動潛孔錘，是用壓縮空氣作為驅(qū)動介質(zhì)。其沖擊器緊連鉆頭（若取心也可連接一根巖心管），由于單次沖擊功大，上返巖屑風(fēng)速高，鉆進效率可比液動沖擊器高2～3倍。近年來又出現(xiàn)了一些新的進展，如：用于反循環(huán)連續(xù)取心的貫通式氣動沖擊器；用潛孔錘偏心擴孔鉆頭進行跟管鉆進；將3～8個單體潛孔錘組成集束式潛孔錘用于大口徑鉆進；利用潛孔錘解卡、起拔套管和用于泡沫鉆進等。

機械作用式?jīng)_擊器是利用某種機械運動，在鉆具回轉(zhuǎn)時產(chǎn)生沖錘上下運動。這些機構(gòu)可以是電機，電磁裝置，也可以是渦輪或特種機構(gòu)。第二節(jié)液動沖擊器液動沖擊器有閥沖擊器無閥沖擊器正作用沖擊器反作用沖擊器雙作用沖擊器射流式?jīng)_擊器射吸式?jīng)_擊器一、正作用沖擊器它以液體壓力推動沖錘下行進行沖擊，而以彈簧力作用恢復(fù)其原位，故稱之為"正作用"液動沖擊器正作用液動沖擊器1-外殼；2-活閥座墊圈；3-閥簧；

4-活閥；5-沖錘活塞；6-錘簧；

7-鐵砧；8-緩沖墊圈；9-閥座正作用沖擊器工作原理（分四個階段）：1、閉閥啟動加速運行階段：沖錘活塞5在錘簧6的作用下處于上位，其中心孔被活閥4蓋住，液流瞬間被阻，液壓急劇增高而產(chǎn)生水錘（也稱水擊）效應(yīng)。在液壓作用下，沖錘活塞和活閥一同下行，壓縮閥簧3和錘簧6；2、自由行程階段：當(dāng)活閥下行到一定位置時，活閥被閥座9限制，活閥停止運行并與沖錘活塞脫開，液流經(jīng)沖錘活塞中心孔而流向孔底，液壓下降，活閥在閥簧作用下返回原位；沖錘活塞在動能作用下利用慣性繼續(xù)運行；3、沖擊階段：在沖錘沖程末了，沖錘沖擊鐵砧7，沖擊能量經(jīng)鐵砧-巖心管接頭-巖心管等傳至鉆頭，4、回程階段：沖擊之后，沖錘活塞在錘簧力作用下彈回；再次與活閥接觸，完成一個沖擊周期。正作用沖擊器特點優(yōu)點1、沖擊器結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟；2、沖錘活塞向下作功時，可利用高壓室中巨大的水錘能量；缺點回動彈簧的反作用力將抵消相當(dāng)大的沖擊力。SYZX273液動錘二、反作用沖擊器它是利用高壓液流的壓力推動沖錘活塞上行，并壓縮工作彈簧儲存能量，經(jīng)彈簧釋放能量而作功，推動沖錘下行，產(chǎn)生沖擊。反作用液動沖擊器1-工作彈簧；2-外殼；

3-沖錘活塞；4-鐵砧反作用沖擊器工作原理（1）高壓液流進入沖擊器對沖錘活塞3產(chǎn)生作用，當(dāng)沖錘活塞上下端壓力差超過工作彈簧1的壓縮力和沖錘活塞本身的質(zhì)量時，迫使沖錘活塞上行，并壓縮工作彈簧儲存能量；與此同時，鐵砧4的水路被逐步打開，高壓液流開始流向孔底，液壓下降，沖錘活塞利用慣性繼續(xù)上行。（2）當(dāng)沖錘3上行到上死點時，沖錘下部的液流已暢通地流向孔底，工作室壓力降低，由于沖錘活塞自身質(zhì)量和工作彈簧釋放儲存能量，便驅(qū)動沖錘活塞急速向下運動而沖擊鐵砧；（3）產(chǎn)生沖擊作用的同時，由于沖錘活塞3與鐵砧4相接觸而又封閉了液流通向孔底的通路，液壓開始上升，當(dāng)上升到一定值，再次作用于沖錘活塞，使其上行，開始第二個工作周期。反作用沖擊器特點優(yōu)點1、沖擊器由于被壓縮彈簧釋放出的能量與沖錘活塞自重同時作用，故可獲得較大的單次沖擊功；2、沖擊器內(nèi)部壓力損失小，能量利用率高。3、對沖洗液的適應(yīng)能力較強。缺點要求有大剛度的彈簧，彈簧的工作壽命短，只有40～100小時。三、雙作用沖擊器沖錘活塞的正沖程和反沖程均由液體壓力推動－－雙作用。整個結(jié)構(gòu)中彈簧易損件很少（或者沒有）。雙作用液動沖擊器1-帶孔的活閥座;2-活閥;3-外套;4-支撐座;5-導(dǎo)向密封件;6-塔形沖錘活塞;

7-導(dǎo)向密封件;8-節(jié)流環(huán);9-砧子（1）當(dāng)鉆具到達孔底時，由于鉆具自重作用，使活接頭f被壓緊到外套上的g處，這時沖擊器內(nèi)壓力工作腔d處的液流，分別作用在活閥2和塔形沖錘活塞6上，由于活閥上下兩端的壓差，迫使活閥上移到最上位置；由于沖錘活塞上下兩端面積不同而產(chǎn)生壓力差，迫使其也向上移動；（2）當(dāng)沖錘活塞上行到與活閥接合時，通道d1被關(guān)閉，沖錘活塞與活閥便一起急速下行，當(dāng)下行h時，活閥被支撐座4限止，沖錘活塞與活閥分離，借助慣性作用繼續(xù)下行，下行到s時，沖擊砧子9；由于沖錘活塞中心通道被打開，液流又恢復(fù)循環(huán)，在液流壓力作用下，活閥急劇上升，沖錘活塞也急劇上行，如此運行，周而復(fù)始進行。雙作用沖擊器工作原理1、沖擊器采用差動運動方式，故必須有既滑動又隔壓的密封件；2、為使沖擊器內(nèi)部能形成一個壓力差，在鐵砧部位設(shè)有“節(jié)流環(huán)”、“下閥”等元件；3、在與沖錘活塞中間部位和活閥上部對應(yīng)的外殼處設(shè)有“呼吸道”；4、從理論上講，該沖擊器的液流功率恢復(fù)較高。

雙作用沖擊器特點四、射流式?jīng)_擊器射流式?jīng)_擊器是我國獨創(chuàng)的一種采用雙穩(wěn)射流元件作為控制機構(gòu)的新型鉆具。1-上接頭;2-射流元件;3-缸體;4-活塞;5-沖錘;6-外缸;7-砧子;8-花鍵套;9-下接頭射流式?jīng)_擊器工作原理1-射流元件;2-缸體;3-活塞;4-沖錘;5-砧子;6-巖心管;7-鉆頭;D、F-信號孔;C、E-輸出道;A、B-放空孔射流式?jīng)_擊器工作原理（1）高壓液流從射流元件1的噴嘴噴出，產(chǎn)生附壁作用，假如先附壁于右側(cè)，高壓液流便由E輸出，進入缸體2的上部，推動活塞3下行。此時，與活塞連接的沖錘4便沖擊砧子5，沖擊能量便經(jīng)巖心管傳至鉆頭7上，完成一次沖擊作用。（2）活塞沖程末了，上缸液壓升高，反饋訊號回到F控制孔，促使射流由E切換到C輸出，液流經(jīng)C進入缸體下缸，推動活塞上行，做返回動作。（3）回程末了，反饋訊號又回到D，將射流切換到開始位置，液流又從E輸出，進入上缸，如此往返，實現(xiàn)沖擊作用。上、下缸的回水，則通過E、C輸出道而返到放空孔B、A，再經(jīng)與放空孔連接的水路及砧子內(nèi)的孔，流入巖心管。射流式?jīng)_擊器特點：1、射流沖擊器除活塞與沖錘外無其他運動零件，也無彈簧、配水活閥等易損零件，因而鉆具工作可靠，使用壽命較長；2、沖錘向下沖擊砧子時，沒有自由行程階段和彈簧對沖擊力的抵消作用，因而沖擊器能量利用率高；3、能適用于高溫高壓條件下的深井作業(yè)；4、鉆進中產(chǎn)生的高壓水錘波比閥式小，鉆具工作平穩(wěn)。5、缺點：射流元件內(nèi)部易發(fā)生沖蝕磨損，壽命短。五、射吸式?jīng)_擊器該沖擊器系利用高壓液流噴射時的卷吸作用，使活塞沖錘的上下腔產(chǎn)生交變壓力差推動活塞往復(fù)運動。射吸式?jīng)_擊器1-噴嘴;2-上腔;3-沖錘活塞;4-閥（活塞套）;5-沖錘;6-下腔;7-砧子啟動前，沖擊器的沖錘活塞3及活塞套4均處于行程下限，液流通道暢通。啟動時，工作液體從噴嘴1噴出，高速射流的卷吸作用將活塞上腔介質(zhì)抽往下腔，上腔迅速降壓；進入下腔的液流，由于通道擴大，流速減慢和砧子7節(jié)流孔的增壓作用，使活塞下腔壓力升高；于是，上、下腔形成壓差，使沖錘活塞與活塞套同時上行。由于活塞套的質(zhì)量較輕，運動速度較快，先抵達行程上限，隨后沖錘活塞也抵達行程上限，至此回程結(jié)束。射吸式?jīng)_擊器工作原理沖程時,由于沖錘活塞頂部錐體與活塞套下端閉合,高速液流被迅速切斷而產(chǎn)生水擊，上腔壓力猛增；與此同時，沖錘活塞下腔壓力急劇下降，故上、下腔間壓力差推動沖錘活塞和活塞套向下運動。活塞套抵達行程下限后，沖錘活塞因慣性繼續(xù)向下運動，直至沖擊砧子為止。此時，通道完全打開，液流暢通，活塞套與沖錘活塞又進入下一循環(huán)的回程，如此周而復(fù)始地產(chǎn)生沖擊。射吸式?jīng)_擊器特點1、無彈簧裝置，運動部件及易損零件少；2、結(jié)構(gòu)很簡單，便于操作使用；3、液流在腔體內(nèi)暢通性較好；4、對密封性能要求較低；5、適于小口徑鉆進；第三節(jié)風(fēng)動潛孔錘一、有閥潛孔錘這類潛孔錘由配氣機構(gòu)的閥片控制氣體推動活塞上、下運動。有閥潛孔錘按排氣方式又分為旁側(cè)排氣和中心排氣兩種，目前使用較多的為中心排氣式。即缸內(nèi)廢氣是從鉆頭中心孔排出。雖然這種潛孔錘結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加工要求較高，但排除巖粉的效果較好，故可降低鉆頭的磨耗和提高鉆進效率。J200B型潛孔錘1-接頭;2-鋼墊圈;3-調(diào)整圈;4-碟簧;5-節(jié)流塞;6-閥蓋;7-閥片;8-閥座;9-活塞;10-外殼;11-內(nèi)缸;12-襯套;13-柱銷;14-彈簧;15-卡釬套;16-鋼絲;17-圓鍵;18-密封圈;19-止逆塞;20-彈簧;21-磨損片;22-配氣桿;23-鉆頭1,DTHbit2,Chuck3,BitRetainingKey4,Spring5,Stud6,Bushing7,Piston8,InnerCylinder9,WearSleeve10,ValveSeat11,ThrottlePlug12,ClackValve13,ValveChest14,DiscSpring15,AdjustableSpacer16,CheckValveSpring17,CheckValve18,"O"ring19,BackAdapter二、無閥潛孔錘該類潛孔錘控制活塞往復(fù)運動的配氣系統(tǒng)布置在活塞或氣缸壁上，當(dāng)活塞運動時，自動進行配氣。其特點是：利用壓氣的膨脹功，推動活塞繼續(xù)運動，從而減少了動力氣的消耗；取消了復(fù)雜的配氣機構(gòu)，代之以簡單的配氣氣路，氣道路程短，氣壓損失小。該類潛孔錘主要有國產(chǎn)W系列和國外DHD系列。W200型無閥潛孔錘1-上接頭；2-密封圈；3-彈簧；4-止逆塞；5-墊圈；6-密封墊圈；7-進氣座；8-內(nèi)缸；9-外缸；10-節(jié)流塞；11-活塞；12-隔套；13-導(dǎo)向套；14-圓鍵；15-下接頭；16-鉆頭工作原理：壓縮空氣經(jīng)上接頭1、止逆塞4進入進氣座7的下腔，然后氣體分成兩路：一路經(jīng)進氣座7的中心孔道和節(jié)流塞10進入活塞11和鉆頭16的中心孔道至孔底冷卻鉆頭和清除巖粉；另一路氣體進入外缸9和內(nèi)缸8間的環(huán)形腔，此腔為活塞運動的進氣室，推動活塞上下運動。位于進氣室的氣體，經(jīng)內(nèi)缸上的徑向孔以及活塞上的環(huán)形氣槽進入下缸時，活塞開始返程向上運動，當(dāng)活塞上移關(guān)閉進氣氣路時，活塞靠氣體膨脹運行，當(dāng)下缸與排氣孔路相通時，活塞靠慣性運行，故對無閥潛孔錘而言，其返程包括進氣、壓縮空氣膨脹、活塞慣性滑行三個階段。同理，活塞在沖程過程中，首先氣體經(jīng)活塞上的環(huán)形氣槽進入上缸，然后，也經(jīng)歷沖程進氣、壓縮空氣膨脹、活塞慣性滑行三個階段，完成整個工作循環(huán)。所不同的是各階段運行的長度不同，沖程要保證有足夠的進氣長度，使活塞獲得較大的速度，而具有較大的沖擊能。PercussiveDTHHammerforQuarrying,undergroundproductiondrilling,explorationandcivilengineeringapplications...MultiHammer第四節(jié)液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進用鉆頭常用的有硬質(zhì)合金和金剛石鉆頭兩大類。目前在石油鉆井中，液動沖擊器也可使用牙輪鉆頭。一、硬質(zhì)合金鉆頭

1、鉆頭鋼體（1）材質(zhì)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進時，鉆頭鋼體承受沖擊載荷、軸向靜載荷和回轉(zhuǎn)扭矩，處于很復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)（主要是動應(yīng)力）。當(dāng)鉆頭下至已經(jīng)縮徑的孔底時，鉆頭鋼體還要承受強烈的側(cè)壓力。因此，對鋼體材料的性能有如下要求：①高的抗擠壓、抗彎、抗扭強度；②高的抗沖擊韌性；③對焊料有良好的潤濕性；④有足夠的抗壓皺能力；⑤能進行熱處理。制造鉆頭體的材料要符合GB3423－82的規(guī)定，可用DZ40～DZ65的無縫鋼管及一般合金鋼無縫鋼管。（2）壁厚及長度都比普通回轉(zhuǎn)鉆頭要大。增大壁厚：增加合金片在鋼體內(nèi)的接觸面積，增大抗擠壓、抗彎強度，一般10～14mm；增加長度：為了安裝巖心卡簧，方便擰卸和多次使用。2、硬質(zhì)合金要求具有較高的硬度、抗彎強度及抗沖擊強度，一般硬度大于HRA86，抗彎強度大于140kg/mm2?？筛鶕?jù)巖石特性、鉆頭結(jié)構(gòu)和沖擊器沖擊功大小來選擇硬質(zhì)合金牌號。巖石強度低，沖擊器單次沖擊功小，可選用YG4c，YG6x，YG8等；巖石強度高，沖擊器單次沖擊功大，可選用YG11c，YG15等。3、焊接質(zhì)量要高焊縫必須有足夠的強度，以適應(yīng)繁重的工作載荷。沖擊回轉(zhuǎn)硬質(zhì)合金鉆頭所采用的硬質(zhì)合金切削具我國常用的取心式硬質(zhì)合金鉆頭有HCT型、大八角型、大八角肋骨型、長方片狀肋骨型、異形鉆頭等。圖示為HCT型硬質(zhì)合金鉆頭，主要參數(shù)如表所列。該鉆頭把柱狀合金垂直鑲焊于鉆頭體上，采用不對稱雙面刃（刃角＝95°，負前角＝30°），液路通道斷面較大，有利于鉆頭冷卻和減少背壓。圖HCT型硬質(zhì)合金鉆頭結(jié)構(gòu)圖表HCT型硬質(zhì)合金回轉(zhuǎn)沖擊鉆頭主要參數(shù)鉆頭型號合金

(粒)水口

(個)硬質(zhì)合金特性外徑

(mm)內(nèi)徑

(mm)底出刃(mm)鋼體材料型號牌號沖擊刃角負前角HCT-56-1

HCT-56-2

HCT-56-36

8

66

8

6TC108或T110

TC107或T107

TC208YG6X或YG6T

YG6X

YG6X95°

95°

95°30°

30°

30°56

56

5639

39

394

4

445#

45#

45#二、金剛石鉆頭液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進用金剛石鉆頭主要是取心孕鑲式鉆頭，常用在堅硬、“打滑”地層中，但一般要用高頻低沖擊功的液動沖擊器。與常規(guī)金剛石鉆頭相比，沖擊回轉(zhuǎn)鉆進的金剛石鉆頭在結(jié)構(gòu)上應(yīng)具有以下特點：

(1)首選人造孕鑲金剛石鉆頭或聚晶體鉆頭；

(2)一般選用高強度的或經(jīng)過渾圓化和金屬鍍層處理的金剛石；

(3)因為金剛石單晶的抗沖擊韌性與粒度成反比，故粒度不要太大，可選用70～80目左右的金剛石，金剛石濃度75%左右；(4)要有足夠的胎體強度和硬度，避免受沖擊作用而破裂，一般選用中硬-硬胎體，唇面形狀以平底形、圓弧形和同心圓尖齒形為好；

(5)由于沖洗液量大，為減少沖洗液流經(jīng)鉆頭時所產(chǎn)生的阻力，鉆頭的過水面積應(yīng)增大，除主水口外，可增設(shè)副水口，加長加深鉆頭鋼體內(nèi)壁水槽，適當(dāng)增大胎體外徑。

大陸科學(xué)鉆探用孕鑲金剛石鉆頭（二次鑲焊法制造）三、風(fēng)動潛孔錘鉆頭可分取心式和全面鉆進式兩種，目前后者使用最多。全面鉆進用風(fēng)動動潛孔錘鉆頭就結(jié)構(gòu)而言，可分為整體式和分體式兩種。根據(jù)碎巖材料類型，可分為硬質(zhì)合金型和金剛石加強型。根據(jù)切削刃形狀的不同，又可分為刃片型、柱齒型和片柱混裝型三種。這里重點介紹柱齒型。1.柱齒

1.1硬質(zhì)合金柱齒

風(fēng)動潛孔錘鉆頭所用的硬質(zhì)合金牌號和性能與液動沖擊鉆頭類似，其柱齒型號有：K30、K40、K41等型，如圖所示。具體型號國家標(biāo)準(zhǔn)中都做了詳細規(guī)定，如K4012A，"K"表示礦產(chǎn)開采用，"40"表示半球形柱齒，"12"表示直徑為12mm，"A"表示高度。這些型號的合金柱齒中，就強度而言，半球齒最高，錐球齒次之，楔形齒最低；但鑿巖效率則相反。因此，鉆鑿極堅硬和堅硬、磨蝕性強的巖石應(yīng)采用半球齒，鉆鑿中硬或堅硬、性脆的巖石采用錐球齒，鉆進軟巖時宜采用楔形齒。圖

硬質(zhì)合金柱齒外型圖

(a)-楔形齒(K30型);(b)-半球型齒(K40型);(c)-錐球齒(K41型)

硬質(zhì)合金柱齒由于其自身的耐磨性較低，當(dāng)鉆進堅硬磨蝕性巖石時，鉆頭周邊柱齒磨損嚴(yán)重，鉆頭壽命短。為此，國內(nèi)外科研和生產(chǎn)制造者采取各種途徑解決該問題，如新成分硬質(zhì)合金，雙性能硬質(zhì)合金等，取得了一定效果，但都沒有治本，最好的辦法是采用金剛石加強柱齒。1.2金剛石加強柱齒

該柱齒有聚晶型和孕鑲型兩種類型，它們都是將金剛石復(fù)合到硬質(zhì)合金柱齒頭部，在其上形成耐磨性很好的金剛石層，同時利用硬質(zhì)合金良好的沖擊韌性，所不同的是燒結(jié)工藝和鉆頭結(jié)構(gòu)。金剛石加強柱齒可延長鉆頭壽命，提高鉆速降低鉆進成本。

聚晶型柱齒在金剛石壓機上采用高溫高壓技術(shù)燒結(jié)而成。為了克服金剛石聚晶層與硬質(zhì)合金基體的熱膨脹系數(shù)不同，彈性模量不同，在金剛石聚晶與硬質(zhì)合金基體間采用了兩層過渡層，在原料配比上力圖實現(xiàn)由100%金剛石均勻過渡到100%的WC/Co，使得彈性梯度與熱膨脹梯度逐漸均勻變化，殘余應(yīng)力與剝落現(xiàn)象大大減少。孕鑲型柱齒采用熱壓法燒結(jié)而成，其金剛石層中的金剛石含量為75%左右，采用了特殊的配方和燒結(jié)工藝，使得金剛石層與硬質(zhì)合金基體牢固地連接在一起。HighestResistance,SuperiorToughness,HighestDiamondVolume,

andStressEngineeredInsertsDIAMONDGAUGE

FULLDIAMONDFACE

復(fù)合球齒潛孔錘鉆頭(已鉆進1961米)2.潛孔柱齒鉆頭

這是一種用冷壓方法在鉆頭體的鉆孔中嵌裝一定數(shù)量柱齒的鉆頭。選20Ni4Mo、34CrNiMo等成分的鋼材做鉆頭體。

與刃片型鉆頭比較，這類鉆頭的柱齒鉆頭在鉆孔過程中能自行修磨，使鉆頭的鉆進速度趨于穩(wěn)定；柱齒損壞20%時，鉆頭仍可繼續(xù)工作，而刃片型鉆頭在崩角后便不能使用；這種鉆頭嵌裝工藝簡單，一般用冷壓法嵌裝即可。

柱齒鉆頭按頭部形狀可分為二翼形鉆頭、三翼形鉆頭和四翼形鉆頭。二翼形鉆頭多用于小口徑的潛孔沖擊器上。三翼形適宜于硬巖條件下工作，四翼形鉆頭宜用在中硬及中硬以下巖石。圖6-11是J200型沖擊器用的四翼形柱齒鉆頭，它近似于半球形的頭部，使邊齒的傾斜角擴大到45°，提高了鉆頭的壽命。圖6-11J200型沖擊器用柱齒鉆頭柱齒鉆頭還可按頭部外形分為平頭型、圓弧型、中間凹陷型及中間凸出型等。與刃片型超前刃鉆頭相比，圓弧型和中間凸出型鉆頭具有較高的鉆孔速度。中間凹陷型鉆頭，由于鉆孔時產(chǎn)生凸出的巖核起到定心的作用，所以，它能鉆較直的孔。

（a）—平端面；（b）—凹心端面；（c）—凸端面圖

潛孔球齒鉆頭端面形狀第五節(jié)沖擊回轉(zhuǎn)破巖機理沖擊載荷碎巖的特點是接觸應(yīng)力瞬間可達極高值，應(yīng)力比較集中，所以盡管巖石的動硬度要比靜硬度大，但仍易產(chǎn)生裂紋。而且沖擊速度愈大，巖石脆性增大，有利于裂隙發(fā)育。因此，用不大的沖擊能（例如數(shù)十焦耳），就可以破碎極堅硬的巖石。

在沖擊回轉(zhuǎn)碎巖過程中，鉆頭刃具上同時作用有軸向靜壓力PJ、沖擊力PC和回轉(zhuǎn)力矩M。刃具除沖擊碎巖外，同時還有切削碎巖作用。所以，具有沖擊碎巖和回轉(zhuǎn)碎巖兩者的特征，互相補充，發(fā)揮各自優(yōu)點。一、破巖機理圖沖擊回轉(zhuǎn)鉆進碎巖過程根據(jù)沖擊碎巖和回轉(zhuǎn)碎巖作用的主次，又將沖擊回轉(zhuǎn)鉆進分為沖擊-回轉(zhuǎn)碎巖和回轉(zhuǎn)-沖擊碎巖兩種形式。1、沖擊-回轉(zhuǎn)碎巖

主要以沖擊載荷碎巖為主，軸向靜壓力主要用來克服鉆具的反彈力，改善沖擊能的傳遞?；剞D(zhuǎn)力矩主要是使切削具沿孔底剪切兩次沖擊間殘留的巖石脊峰。因此，擬訂最佳回轉(zhuǎn)速度時，應(yīng)能夠?qū)⒅虚g凸起的扇形巖脊剪碎。這種碎巖方法要求沖擊器具有低頻率，大沖擊功，風(fēng)動潛孔錘即屬此類。對于脆性巖石來說，利用這種沖擊剪崩和回轉(zhuǎn)剪切作用，造成大顆粒巖體的剝離作用。隨著巖石的脆性與硬度增大，碎巖效果愈加顯著。2、回轉(zhuǎn)-沖擊碎巖

回轉(zhuǎn)沖擊碎巖是把高頻低沖擊功，加在一般回轉(zhuǎn)鉆進的硬質(zhì)合金鉆頭或金剛石鉆頭上。它主要用于小口徑鉆進，液動沖擊器即屬此類。該方法之所以能破巖，主要是巖石受高頻沖擊力后，一方面在刃具接觸處產(chǎn)生應(yīng)力集中，增大了破碎體積；另一方面巖石內(nèi)部分子被迫振蕩而產(chǎn)生疲勞破壞并降低了強度，再加上軸向的靜壓和回轉(zhuǎn)切削，因而增加了破巖的效果。二、影響沖擊回轉(zhuǎn)碎巖效果的因素沖擊能量試驗表明，隨著沖擊能量的增大，巖石的破碎穴也越大、越深。但是，并非沖擊器的沖擊能量越大越好。因為評定碎巖效果的合理性，還必須考慮到單位體積破碎能（碎巖比功），它表示了碎巖的能量消耗水平。國內(nèi)外的研究表明，無論單次沖擊或多次沖擊鉆進，沖擊能量A和碎巖比功a的關(guān)系基本一樣，可以將a-A曲線分成三部分（如圖所示）。圖a－A曲線的三個區(qū)域A＜A0是傷痕區(qū)，這時小的沖擊能不足以使巖石產(chǎn)生破碎坑，且破碎下的巖粉很細，因而比功很大；A0≤A≤Ac為過渡區(qū)（陰影部分），該區(qū)內(nèi)測定的比功a變化不定；A＞Ac為穩(wěn)定區(qū)，該區(qū)內(nèi)比功a變化不大，且值較小。對于一般巖石，每厘米刃長上沖擊能量若超過10J，即Ac=10J/cm，破碎比功a認為有穩(wěn)定值。2、沖擊間隔在兩次沖擊之間，切削刃回轉(zhuǎn)一個角度，這個角度稱之為沖擊間隔。沖擊間隔反映了轉(zhuǎn)速與沖擊頻率之間的關(guān)系，使兩次沖擊間的巖脊能被全部剪崩或切削掉的最大間隔，稱為“最優(yōu)沖擊間隔”，常用相鄰兩次沖擊間的最優(yōu)夾角β表示。

最優(yōu)沖擊間隔與沖擊器的沖擊功，巖石性質(zhì)，沖擊齒圓弧半徑R和切削刃角α等有關(guān)。隨著沖擊功的增加，巖石的最優(yōu)角β增加，如花崗閃長巖，當(dāng)A=6.1J/cm時，β優(yōu)=5°；A=12.5J/cm時,β優(yōu)=7.5°。隨著巖石硬度的降低，最優(yōu)角β增大，如當(dāng)A=6.1J/cm時，大理巖β優(yōu)=7.5°，花崗巖β優(yōu)=5°。3、沖擊應(yīng)力波沖擊器所產(chǎn)生的沖擊力以應(yīng)力波的形式經(jīng)砧子、巖心管、鉆頭傳遞給巖石。這種應(yīng)力波對于沖擊能量的傳遞效率和碎巖效果有重要的影響。

不同的活塞形狀和不同的撞擊面接觸條件，都將產(chǎn)生不同的入射應(yīng)力波形。一般而言，細長的沖錘形狀，入射波的幅度低，作用時間長；短而粗的沖錘形狀，入射波的幅度高，作用時間短。如圖所示。入射波形對碎巖的影響是：緩和的入射波形比陡的入射波形有較高的鑿入效率，這是由于鑿入起初不需要很大的力，隨著刃具侵深增加，所需力也增大，故緩和的波形與之相匹配。改變?nèi)肷洳ǖ男螤?，除了調(diào)整活塞的形狀和斷面積之外，還可以用調(diào)整撞擊面的接觸條件來達到。

圖不同入射波形和沖錘形狀的關(guān)系

L-錘長;d1、d2-錘兩端的直徑(mm)

第六節(jié)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進規(guī)程一、鉆壓

鉆壓能使巖石內(nèi)部形成預(yù)加應(yīng)力，同時改善沖擊能量的傳遞條件。但是，隨著鉆壓的增加，切削刃的單位進尺磨損量也增加，故為了減少切削刃的磨損，鉆壓不能過大，但又必須克服沖擊器的反彈力。在液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進中，當(dāng)用硬質(zhì)合金鉆頭時，對硬度不大和研磨性弱的巖石，要充分發(fā)揮回轉(zhuǎn)切削