潜孔钻机不同因素对破岩钻进性能的影响分析

徐银飞

（江西铜业集团银山矿业有限责任公司，江西 德兴 334200）

0 引言

随着我国经济的快速发展，在基础设施建设上的步伐也不断加快，大量的基建工程建设不断发展，同时也对基建工程的质量及效率提出了较高的要求。在各种施工建设中，打桩基础的钻孔建设是重要的工作内容[1]，特别是对大直径的打桩建设的需求迫切。在进行打桩钻孔的过程中，钻头的旋转及冲击作用共同作用于岩层上，对岩层进行破碎，从而形成钻孔。潜孔钻机是新型的冲击回转式钻进设备[2]，通过钻柱底部与钻头的连接进行岩层的冲击作用，钻进效率高，且具有较高的打桩质量，可以实现机械自动化作业，在各种岩土工程中取得了广泛的应用。潜孔钻机进行作业的过程中，不同的运动参数共同作用于钻头上，从而对钻头破岩钻进的性能产生影响[3]，采用有限元仿真的形式对不同因素破岩钻进的性能进行分析，从而选取有利的参数提高潜孔钻机的破岩性能[4]，提高施工作业的效率及质量。

1 潜孔钻机破岩性能仿真分析模型的建立

潜孔钻机进行钻孔作业的过程中，通过内部的活塞冲击钻头从而使钻头具有较大的冲击能量，钻头在旋转的同时冲击岩层，从而使得岩层受到挤压产生破碎，实现破岩钻进。在实际的钻进过程中[5]，由于冲击钻进的过程复杂，采用仿真的形式对钻头的运动参数和钻进性能的影响进行分析。

采用ABAQUS 有限元分析软件对钻头破岩钻进的过程进行模拟分析，ABAQUS 具有强大的线性及非线性分析的能力，可以解决复杂的工程力学问题，在工程分析中具有广泛的应用。潜孔钻机进行岩层钻进的过程中[6]，岩层受到钻头的冲击作用而产生破碎，对岩层的本构模型进行分析，从而描述岩层在冲击作用下变形的动态响应过程。岩层在冲击作用下产生应变的脆性变形，破坏的作用时间短[7]，岩层中的应变及温度的变化分布不均，采用D-P 模型的形式对岩层的变形进行描述，考虑了岩层的体积及静水压力等对屈服变形的影响作用，适用于对岩层材料进行分析。

依据某型号的潜孔钻机使用的钻头类型进行三维模型的建立，钻头的直径为800mm、长度为1100mm，同时建立岩层的模型尺寸为直径3000 mm、高度为1500 mm，钻头与岩层的结构模型如图1 所示，设定钻头垂直冲击作用的方向为Z 向[8]，其他X、Y 方向构成与Z 轴垂直的平面。

图1 钻头与岩层的结构模型

在ABAQUS 中对钻头的材质进行设定，钻头采用YG8 材质，具有较高的强度，其弹性模量为252 GPa，泊松比为0.12，设定所进行冲击钻进的岩层为花岗岩层，其密度为2720 kg/m3，杨氏模量为72 GPa，泊松比为0.25，抗压强度为102 MPa。岩层在钻头的终极作用下发生破坏[9]，多为剪破坏及拉破坏的形式，采用shear failure 描述岩层的剪破坏，tensile failure 描述拉破坏。对所建立的钻头及岩层模型进行网格划分处理，采用六面体实体单元对花岗岩层进行网格划分处理[10]，采用四面体单元进行钻头的网格划分处理，得到钻进分析的网格模型。

2 不同因素对潜孔钻机破岩钻进性能的影响分析

在分析模型中设定岩层的上表面为自由表面，下表面及周边进行固定约束，钻头围绕Z 轴进行旋转运动，并沿着Z 轴对岩层进行冲击作用[11]，钻头的旋转速度及冲击速度对破岩钻进的性能产生重要的影响。针对钻头的运动情况，设定不同的旋转速度及冲击速度对岩层的破碎产生的影响进行分析。

2.1 钻头旋转速度的影响作用分析

在进行岩层冲击钻进的过程中，活塞的末速度完全转化为钻头的初速度作用于岩层，设定钻头的冲击速度v 为7 m/s，此时对钻头的旋转速度的影响作用进行分析，设定钻头的旋转速度r 分别为10 r/min、20 r/min、30 r/min，分别对钻头岩层的作用过程进行分析[12]。当钻头的冲击速度为7 m/s、旋转速度为10 r/min时，应力分布状态如图2 所示。从图2 中可以看出，此时产生的最大应力为121 MPa，这说明在此参数下可实现对硬度为121 MPa 的岩层进行破碎。

图2 钻头冲击的岩层应力（MPa）分布

对冲击速度为7 m/s 时不同旋转速度下钻头的钻进深度进行分析，得到钻进深度的变化曲线如图3 所示。从图3 中可以看出，在钻进过程中，钻进初始阶段，三者之间钻进的深度较为一致，钻头以较高的速度冲击岩层，岩层在较短的时间内产生破碎，持续的时间较短，产生较大的钻进深度，然后钻头的运动速度急剧降低为0，则岩层产生一定的弹性恢复，钻进深度有所减小，随着钻头地再次下降，则岩层的钻进深度有所增加，但变化量与初始冲击相比较小。在三种不同的旋转速度下，随着转速地增加，则产生的钻进深度越大，但较小的转速后续产生的钻进深度较大，最终产生的钻进深度相差不大。由此充分表明，在冲击速度一定时，增加钻头的旋转速度对钻进深度有一定的增加作用，但增加值较小，转速的边际效用不高。

图3 不同转速下钻头的钻进深度

2.2 钻头冲击速度的影响作用分析

在进行岩层冲击钻进的过程中，设定钻头的旋转速度为10 r/min，此时对钻头的冲击速度的影响作用进行分析，设定钻头冲击速度分别为7 m/s、8 m/s、9 m/s，分别对钻头岩层的作用过程进行分析，得到钻进深度的变化曲线如图4 所示。从图4 中可以看出，钻进深度的变化曲线与图3 中的曲线形态一致，这说明在冲击过程中，均在初始的阶段完成对岩层的冲击破坏，后续作用过程产生的钻进深度较小。在图4 中，不同的冲击速度下，较大的冲击速度产生的钻进深度较大，且经过后续的作用，三者之间的差值也逐渐增加。这说明，较大的冲击速度可以提高钻头的钻进深度，提高钻机的钻进性能。

图4 不同冲击速度下钻头的钻进深度

3 结论

1）潜孔钻机进行打桩钻孔过程中，钻头的旋转速度及冲击速度对钻进性能具有重要的影响，建立了ABAQUS 有限元分析模型，并采用D-P 模型对岩层的变形进行描述。

2）在仿真分析模型中，设定不同的旋转速度及冲击速度对岩层的破坏状态进行仿真模拟，并对钻进深度进行绘图分析。结果表明，岩层的破碎主要发生在初始接触的阶段，钻头旋转速度的增加对钻进深度的有一定的增加作用，但增加值较小，转速的边际效用不高；冲击速度的增加对钻进深度的具有较大的增加作用，可以提高钻头的钻进深度，提高钻机的钻进性能。