【文章內容簡介】 星期天的全天工作制時，地表鉆為 9 （臺班）；而地下鉆和海拔 2300m 以上的地表鉆為 1440（臺班）； 21 VV及 — 推廣前及推廣后的臺班效率（ m/臺班）； cK — 設備利用系數，取作 ~~。 前式中之 fC 為采用液動沖擊回轉鉆時附加的流動資金費用。 第二章 液動沖擊器 2． 1 沖擊器的種類 沖擊回轉鉆進技術的分類，一般以采用的潛孔式沖擊器 (或振動獲 )之結構或性能特點區(qū)分。 就沖擊器的性能而言，近年來出現了兩 種不同的沖擊器，一種是沖擊頻率較高達到 42HZ 以上的高頻外擊器，但沖擊功則較小，一般在 9． 81J左右。利用這樣的沖擊器來實現沖擊回轉鉆進時，由于破碎巖石主要是回轉鉆進的方式，而沖擊作用則是次要的，這樣的鉆進方式稱之為回轉 — 沖擊鉆。其使用的鉆頭主要是金則石鉆頭，其次才是硬質合金鉆頭。另外一種是所謂低頻沖擊器，其性質特點是沖擊頻率較低，征 42HZ 以下，而沖擊功則較高 (達 29— 78J)，利用這樣的沖擊器來實現沖擊回轉鉆進時，由于破碎巖石主要是依據沖擊作用，而回轉作用僅僅是將鉆頭刃移動一個適當的間距，這樣的鉆進方式 則稱之為沖擊 — 回轉鉆。使用的鉆頭則主要是硬質合金鉆頭。這樣的區(qū)分主要以碎巖的機理而言，所以現在通常所謂的沖擊回轉鉆乃是一種通稱。 就沖擊器的結構而言，其分類械述如下 一、液動沖擊器 此類沖擊器是目前最為成功的一種典型產品。其基本作用原理是利用 10 泵供給的液能，直接迫使沖擊錘形成上下往復的運動，并連續(xù)不斷的對鉆頭造成沖擊。利用現有泥漿泵所容許的泵壓 (例如 — 5． 8MPa)可以基本滿足 600 一 800m 深的地質勘探鉆孔，所以這是目前運用最為廣泛的一種液動沖擊器。按照沖擊錘工作過程的運動力學又可以分為以下三個類型： 1．正作用式液動沖擊器 利用泥漿系輸送的高壓液流做為能源，推動沖擊錘下行沖擊鐵砧，而沖錘的回程則靠復位彈簧的作用而實現。目前國外最為成功的如蘇聯(lián)Г — 76， Г— 59 以及 ГВ— 5 和 Г?！?6 型沖擊器；美國的如羅、巴辛蓋爾式等。我國比較成功的如 YZ 型 ZF 型及 TK 型等。 2．雙作用式液動沖擊器 其特點是沖擊錘的工作行程和沖擊錘的回程均由泵供給的液流能量實現。此種類型的液動沖擊器在國外成功的例子很少，而從七十年代開始，我國對此種沖擊器的研制工作取得了很大的成功。其中又可分為兩種： (1)射流式波動沖擊器 它是利 用一個典型的雙穩(wěn)射流元件將液流連續(xù)不斷地分配到活塞的上端或下端，從而迫使沖擊錘實現沖擊行程和回程。此種沖擊器最為成功的例子是 SC— 89 型和 JSC— 75 型射流式沖擊器等。 （ 2）閥式雙作用液動沖擊器 我國從 1971 年開始大量研制，比較好的結構如地質礦產部的遼寧 — 54 型、 YS 系列無彈簧式以及核工業(yè)部的 YE 型等。蘇聯(lián)也設計了一些試驗性的結構。 雙作用式液動沖擊器除了上述兩種類型外，近年來還出現了一種氣液混合的雙作用沖擊器，例如日本利根公司的 WH— 120N 型。 反作用式液動沖擊器 其結構原理恰好與正作用式液 動沖擊器相反。它是利用泵供給的液流能量推動沖擊錘上行，同時壓縮彈簧而儲存能量；沖擊錘在工作行程開始時是據沖擊程的重量和彈簧釋放的能量對鉆頭實現沖擊。美國海灣石油公司設計的反作用式液動沖擊器就是其中之一。 4．繩索取心式波動沖擊器 國內和國外目前在地質礦山鉆探中普遍推 11 廣的繩索取心鉆進技術均為采用金剛石鉆頭的回轉鉆。當遇到堅硬致密的巖石時有的會造成金剛石鉆頭的“打滑”現象，鉆進效率很低，有時甚至不能進尺。這種現象鉆孔很深時，其矛盾尤為明顯，從而使繩索取心鉆探的優(yōu)勢受到很大的限制。近年來國內和國外 (主要是蘇聯(lián) )對發(fā)展繩索取心鈾探與液動沖擊回轉鉆探相結合的繩索取心液動沖擊回轉鉆探技術給予了很大的重視。其核心技術就是發(fā)展可以從繩索取心鉆桿中能夠和取心器 — 巖心容納管用鋼絲繩和打撈器升降自如的繩索取心式液動沖擊器。我國正在研制和試驗小的繩索取心式液動沖擊器有冶金工業(yè)部探礦研究所研制的TK— 605 型和地質礦產部的 S75C 及 S59C 型等。其中 TK— 60S 型已于 1984年通過技術鑒定。蘇聯(lián)地質部也于 1985 年開始生產 ССГ— 76 型繩索取心式液動沖擊器。 實踐證明，繩索取心式液動沖擊回轉鉆可比繩索取心鉆提高鉆進速度，延長提鉆周期 和提高回次進尺長度。這是一種很有前途很現實的新技術。 由于繩索取心式的沖擊器目前主要是液動沖擊器?？梢允钦饔檬?、各種雙作用式等。 二 鉆桿傳動沖擊器。 美國和蘇聯(lián)都曾對此種結構的沖擊器進行過研究。狀沖擊錘 3 在鉆桿回轉時借助于彈簧 1 支撐在孔壁上而不能回轉，當鉆桿回轉，巖心管上端的齒狀凸緣迫使沖擊錘 3 上行，而當上行到達凸圓齒的頂端時沖擊錘 3 落下而沖擊巖心管， 2 為具有花鍵的聯(lián)動接頭。鉆桿每轉動一周則可造成與凸齒齒數相同的沖擊次數。在 1976 一 1979 年問我國甘肅、四川地礦局均曾對與此類似的結構進行過研究。但 至今在國內外還均未得到運用，共主要原因是它傳遞的能量很有限，而從支撐在孔壁上的彈簧或其他制動裝置不靠。盡管有人曾設計了液壓式和具有反向旋轉制動的水力裝置，但均未能成功的得到運用。 12 三、回轉器傳動沖擊器 這是一種利用波動蝸輪或類似原理的液力旋轉式機構帶動回轉軸及錐形齒輪和成組的同步偏心機構造成對鉆頭連續(xù)沖擊或振動，從而實現沖擊回轉鉆進。 液動蝸輪沖擊器液流經蝸輪機構 1 而迫使錐齒 2 旋轉并帶動曲柄 3 作縱向高速回轉。曲柄 3 將上下往復運動通過彈簧 連桿 5 及沖擊錘 7 而對孔底形成連續(xù)不斷的沖擊，鉆頭的回轉則仍由地面鉆機 通過鉆桿傳動其外殼和鉆頭而實現。 美國的一種利用一種類似多級的蝸輪 2，帶動一組 24 對同步的偏心體而形成對孔底鉆頭的高速沖擊，這些偏心體的往復運動仍然是利用一對錐形齒輪 3 來實現，離合器 1 是一組花鍵連接機構，共目的是允許沖擊器做軸向運動并且又能傳遞鉆桿的扭矩以便同時形成鉆頭的回轉運動。 蘇聯(lián)設計的 ГВ3 型蝸輪沖擊器。外徑 260mm．水平軸上的偏心體 3，其殼腔之一半充填以鎢之碎塊，碎塊間則以鉛充填，因而形成了一個比重約為 14g／ cm 的偏心塊，而殼腔的另一半則充滿沖洗液，形成一個液力減阻器以減少旋轉時的阻力。高速回 轉的偏心體就是沖擊能的來源。孔底給進器 1 的目的是使鉆頭具有相當的振幅，同時也可以避免鉆桿激烈振動。此種結構的沖擊器曾進行過鉆孔試驗，但缺點甚大而末成功。 所有的液力回轉器傳動的沖擊器，其主要缺點是各種型式蝸輪機的傳遞功率不足，而且效率低，若設計成多級高速的蝸輪機構則又過于復雜，而且又不可能承受長時間的劇烈振動。有效而成功的結構尚待進一步研究。 四、電動沖擊器 電動沖擊器可以利用直徑較小而軸向尺寸較大的潛孔式電動機取代前述回轉器傳動沖擊器中的蝸輪機構而實現。我國地質礦產部勘探技術研究所曾于六十年代初進行過研究 ，但結構復雜，無論是設計制造和使用都有 13 困難。在英國和蘇聯(lián)曾設計研究過利用磁致伸縮原理的高頻振動鉆，但有效能量很小，鉆進巖石十分困難。國外有人也曾研究過電磁沖擊器。至今為止，電動沖擊器在深孔中的應用由于輸電系統(tǒng)，沖擊器的結構都比較復雜而沒有大的進展。 五、風動沖擊器 (潛孔錘 ) 風動沖擊器是就是利用壓縮空氣驅動沖擊錘完成工作行程和實現沖擊錘的回程，因此也一種雙作用式的沖擊器。風動沖擊器亦稱潛孔錘。由于工作介質為空氣，而空氣的阻力是液體的 1／ 830— 1／ 900，故在相同的沖錘重量，有效工作面積和沖程條件下其沖擊 功和沖擊頻率均比液動沖擊器為大。在鉆進時壓縮空氣也就是沖孔介質，故其鉆進工藝和特點基本上與空氣吹井鉆進相同。在淺孔、破碎漏失地層和缺水地區(qū)、永凍層等條件下鉆進時，其優(yōu)點尤為突出。 我國研制風動潛孔錘及其配套鉆機是從 1958 年開始， 1964 年進行了YQ— 150A 型鉆機的生產性試驗，而從 1965 年開始推廣，約有二十多年的歷史，積累了豐富的經驗。 可見采用風動沖擊器實行沖擊回轉鉆進，其鉆進效率很高，一般為沖擊鉆的 3— 5 倍，約為液動沖擊回轉鉆的 1． 5— 3 倍。 風動沖擊器結構類似鑿巖機，但無轉殲機構，碎巖工具的旋轉和 液動沖擊器一樣均由地面鉆機或轉盤實現。 風動沖擊器的基本原理：室 (配氣機構 )控制壓氣使之輪流進入氣缸的上空或下空，以便推動活塞 —— 沖擊錘，對砧 (鉆頭 )進行沖擊或推動沖出錘上行完成回程動作。閥室由陰蓋 閥片 2 和閥座 3 組成。當沖擊器不工作時閥片 2 由于自重置于閥座 3 上，活塞 6 則停留在鉆頭 (砧 )7 上。工作時壓氣經閥蓋 1 的進氣孔①進入閥室，經進氣孔②進入氣缸壁上的進氣道⑦及下室④。此時活塞被舉起，當活塞上行接近上死點時閥片 2 由于下端壓力升 14 高而改變位置并關閉閥蓋的進氣孔⑦，同時開啟閥座上的進氣孔⑧，此時壓氣進入上空推 動活塞向下沖擊鉆頭。在活塞到達沖擊點后閥片又換向，壓氣重新進入下室并開始第二個工作循環(huán)。工作沖程時下空氣體經排氣口②和氣缸壁上的排氣道⑥排出；回程時，上空氣體經徘氣口⑦及⑧排出，所有排出的廢氣均經過鉆頭到達孔底實現沖凈鉆孔的作用。 所有風動沖擊器均沒有防止空打和潤滑的裝置。 我國采礦工業(yè)常用的風動沖擊器目前多為 C— 150、 J— 200 及 w— 200等，其詳細結構圖可從有關文獻中查到。前兩種均為有閥式，風壓較低。而 w1200 型則為無閥式，據文獻載，與有閥式沖擊器相比，耗氣量可節(jié)省30％左右。 近年我國又研制成功一種 CC80 型風動沖擊器，經過鑒定認為其性能達到了國內同類產品的先進水平。其最大的特點是直徑小，沖擊功較大，完全有可能在地質鉆探中采用，同時所需氣壓僅 ，比較適應于現有壓風機的技術條件。 CC60 型沖擊器的主要性能參數為： 鉆孔直徑， mm 80 全 長， mm 625 氣缸直徑， mm 50 活塞行程， mm 120 沖擊功 ， J 沖擊頻率， HZ ~21 耗氣量： min/3m 5~6 整體質量， kg 11 除以上特點外， CC80 型風動沖擊器之缸體組合件采用不銹鋼焊條焊接，活閥用 65Mn 鋼制成，淬火硬度 HRC30 一 35。球齒鉆頭的硬質合金牌 15 號為 YGllC，尺寸為 412xI 8mm，采用磨齒．鉆孔、冷壓固齒工藝，當鉆頭直徑為 120mm 時采用 15 顆硬質合金，球齒和孔逐個測量分級選配，其過盈顯為 一 ， 鉆頭壽命在 f=12172。22 之砂巖、堅硬礫巖中達 150m。 CC80 型風動沖擊器經在冶金、建材、水電、鐵路和國防工程的井下和露天施工中使用認為是一種高效率和低耗能、壽命較長的潛孔鉆具，其性能達到了國內同類產品的先進水平。這種小型的風動沖擊器值得在地質勘探鉆孔中推廣使用。 美、法等因在采礦、水井鉆鑿、建筑業(yè)、管道近孔的施工中廣泛使用浴孔錘鉆進。其主要原因就是生產效率高。在鉆進堅硬巖石和大直徑鉆孔中可以使用硬質合金鉆頭（包括各種形式的球齒） 代替昂貴的金剛石鉆頭以節(jié)約資金。美國英格索蘭公司出產的 I— R 系列潛孔錘其外徑由 93mm 至689mm，可以鉆進直徑 I 02— 762mm 的鉆孔。 DHD— 360 型無閥潛孔錘。專門為阿拉期加輸油管鉆鑿工程而研制的無閥 DHD— 124 型超級潛孔錘，可用于的嚴寒條件，在石灰?guī)r以至致密的冰凍礫石層中，當風量為56． 6 m3 /min,壓為 0． 86MPa 時，鉆進速度為 6— 18m／ h，而且鉆孔甚為筆直，采用的鉆頭均為凹面球齒破質合金鉆頭。米森 (Mission)公司出產的A30— 15 型潛孔錘其外徑 76． 2mm，鉆頭外徑 92— 101． 6mm。法國 A， S、S 系列的潛孔錘，其中 65A,S,S 型之外徑僅 59mm,長 700mm，重 l 2kg，鉆頭外徑 65mm，這是一種尺寸較小的產品。 預計風動沖擊器用于地質礦山鉆探的前景是樂觀的。在鉆探工藝方面需要解決的主要問題與空氣吹并存在的問題極為相近，其次是設計研究適合于礦山鉆探用風壓較高的空氣壓縮機。目前由于壓風機能力的限制，孔深均在 50m 左右，若能利用功率和氣壓較高的壓風機或設計研制特殊的鉆進工藝，則鉆孔深度可以 增加，國外有達孔深為 3， 000m 的報導。顯然這些問題的解決，就是能否廣泛應用于地質勘探鉆孔的關鍵。 16 綜上所述，在目前我國的條件下，最有可能發(fā)展的是液動沖擊器，尤其是液動沖擊器中，正作用和雙作用式波動沖擊器在地質巖心鉆探中的航員是極為寬廣的。其次是風動沖擊器在水文水井和工程鉆探中的采用必將日愈廣泛。 2． 2 反作用式液動沖擊器 2． 2． 1 反作用式液動沖擊器的結構原理 反作用式液動沖擊器的結構原理是利用高壓液流的壓力增高推動活塞沖錘上升，活塞沖銹上升的同時壓縮工作彈簧儲存能量