中空螺旋取土钻具的研制
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/!0刘家荣W无循环钻进工艺在易坍塌'缩孔和卵砾石地 层的应用/80W地质与勘探!!"#"!'&"%#-1&" 1&&W
/00王峪W轻便钻机在地质勘察工程中的应用/80W西部探 矿工程!!"#0!!%"%#-$" $!W
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表!螺旋钻杆螺距 的大小取值
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表"螺旋叶片厚度与孔径+地层的关系
孔径)))
地层
是否加压
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松软地层
是
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研磨性低
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对于中空螺旋取土钻具!主要涉及叶片螺距!' 厚度"!螺旋钻杆外径"螺旋叶片外径##Z!叶片内径 #M!中心外管直径 #G等!其结构如图#所示$
!中空螺旋无水取土钻具研制 #4#钻具材质的选取
中空螺旋取土钻具主材"包括螺旋叶片'中心外 管'轴承外壳'轴承上下盖'上接头'钻头钢体'超前 管靴#采用0"'不锈钢材料!既能够承受一定冲击和 变形又不会对土壤样品造成污染$
表#中空螺旋取土钻具试验情况统计表
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备注
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在钻土取样过程中!取心钻头是与土层接触的 重要构件$钻头在获取样心的同时!还应配合螺旋 钻具将钻屑及时排出/$0$由于土样的硬度远低于岩 石!因此!采用硬质合金作为钻头主要切削具$设计 制造了两种结构钻头!如图!所示$
Copyright©博看网. All Rights Reserved.
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沈立娜等中空螺旋取土钻具的研制
图!中空螺旋钻具示意图
#4!4#螺旋钻杆直径 #Z 螺旋钻杆直径即螺旋叶片外径 #Z!主要取决于
收稿日期!"#( #! #! 作者简介沈立娜"#1$%6#!女!天津武清人!工程师!从事金刚石钻头的优化设计工作!;<)DEC-MHBICI"Z[EBB4GJ)4GI$
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#4!4%中心外管壁厚 取土钻具取土时土样与钻具内壁产生摩擦造成土
样边缘扰动!扰动程度与取土钻具的壁厚有很大关系! 通常壁厚越小!对土样的扰动以及钻进时所受到阻力 也越小!但取土钻具太薄容易产生变形或破裂!参考薄 壁取土器在较硬黏土层的设计壁厚!应小于&))/%0$ #40关键取心部件的设计 #404#单动机构的设计
钻头切削具及叶片底部切削具选用硬质合金! 其具有优异的焊接性和耐磨性!能够保证钻头在钻 进过程中的切削效率和使用寿命$对于较硬密实土 层!切削具可改用金刚石复合片$
土样收集内衬管采用透明 -+ 管!-+"聚碳酸 酯#树脂是一种性能优良的热塑性工程塑料!具有突 出的抗冲击能力!耐蠕变和尺寸稳定性好!耐热'吸 水率 低'无 毒'介 电 性 能 优 良!具 有 良 好 透 明 性!因 此!在取土钻进过程中可无需倒出样心!直接对其进 行简易观察!避免对样品的二次扰动$ #4!螺旋钻杆的主要参数设计
!"#$年#"月
地质装备
#0
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孔为0英寸!因此钻具外径 #Z\(&4#))$ #4!4!螺旋叶片螺距!
设计螺旋叶片螺距! 时!若螺距过大!土层自
重过大而难以攀升*螺距过小!叶片土层受挤压程度
加大!结团而不易排出$为保证螺旋面上被输送的
钻屑不因自重而滑落!应使其螺旋上升角小于钻屑
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卢倩等槽形取样钻机具研制与试验
第#1卷第%期
"现场试验与改进 钻机仅需一人即可搬运!!人操作!见图#$图
!为所取的样品$
进尺速度快$ "0#有两个横置把手!易于钻工操作-下压和上提$ 因在实验中发现钻杆和钻具冲入地层后!靠人力
"试验结果与分析 中空螺旋取土钻具进行了$个回次的取土钻进
试验!钻头取样情况见图''图%!钻进取心情况见表 0$由表0数据可知!采用!"O!0"O倒角结构钻头组 装的中空螺 旋 取 土 钻 具!其 取 心 率 不 足 $"3!纯 切 削进尺时间约!"M$经过改进后的"$O!#!O倒角结 构#中空螺旋取土钻具平均#"M即可实现一回次钻 进!除 第 一 桶 钻 遇 卵 砾 石 外!其 他 取 心 率 均 高 于 1"3!具有较高工作效率$
中心外管主要用于传递扭矩和压力!其外径 #G 与螺旋叶板上的钻屑与螺旋面之间的摩擦角等有 关$一 般 钻 杆 的 管 外 径 可 取 ""4%!"4$##M比 较 合 理/00!为获取最大岩心!对0 英寸中空螺旋钻具取 "4$#M!即&"4$$))!取整后为&"))$但同时该 尺寸需 满 足 公 式 "##!即 内 螺 旋 角 也 应 小 于 摩 擦 角/'0$若按土与螺旋叶片的摩擦系数%\"4%!螺距
图$"(>#(>倒角结构钻头取样情况
图%<>!">倒角结构钻头取样情况
#4 快速转换接头*!4 轴承外壳*04 轴承上盖*'4 轴承下盖* %4 标准轴承*&4 内衬管*(4 复合薄壁轴承*$4 中心外管* 14 钻头*#"4 超前管靴*##4 螺旋叶片
图#中空螺旋取土钻具结构示意图
钻进所取岩心图片如图&所示$由图&中可清 晰观察到所取土样样心的层理!证明了中空螺旋取 土钻具对土样样品的低扰动性$
第#1卷第%期
图"中空螺旋取土钻具钻头结构图
薄壁超前管靴底部内径略小于取心直径!薄壁超 前管靴首先压紧到工作面!随着钻深的增加!柱状样品 通过!O锥面进入到钻具透明-+内衬管!外部钻屑沿钻 头外螺旋叶片排出$由于超前管斜以插入式获取样 心!阻隔了外部切削具的干扰!能够较好的保持样心的 层理信息并提高采取率$经过以上分析!设计研制的 中空螺旋取土钻具结构图如图0所示$在各零件外筒 设计有勾头扳手孔位便于钻具拆装拧卸$
上接第#'页
学!!"#!W
/!0贾书刚!杨学明!王淑平!等W取土钻的现状'发展及
未来/80W吉林农业大学学报!#110"'#-&0 &&W
/00唐远强!舒大文W旋转钻机螺旋钻杆的优化设计/80W
#!
沈立娜等中空螺旋取土钻具的研制
第#1卷第%期
中空螺旋取土钻具的研制
沈立娜!阮海龙!刘海龙!刘协鲁!赵义
"北京探矿工程研究所!北京#"""$0#
摘要本文针对土壤取样提出一种中空螺旋无水取土钻具采用无水循环单动双管外中心管及内衬管回转钻 进工艺以及超前管靴合金钻头等结构设计降低对土样的扰动其工作原理是外部螺旋叶片将岩心外侧土 壤切入松土升土排出超前管靴以插入式获取样心阻隔了外部切削具的干扰从而较好地保持样心的 层理信息并提高采取率样心进入透明 -+管采样后可直接观察土样经过现场钻进试验验证了该钻具 在浅层土壤取样的高效性和低扰动性
关键词螺旋中空钻头叶片 中图分类号-&0'4'0文献标识码A文章编号#""1 !$!7"!"#$#"% ""#! "0
(引言 采取原状土样是工程钻探的目的之一!在采取
试样过程中应该保持试样的天然结构!从而为测定 土的天然结构的容量'密度'温度'抗剪强度'压缩系 数'渗透系数等物理力学性质!进行岩土的特性描述 和确定土层的承载能力和稳定性!提供可靠的设计 依据$对于土样!目前的钻探取土方法分贯入式和 回转式两种$贯入式取土器可分为敞口取土器和活 塞取土器两大类型$敞口取土器按管壁厚度分为厚 壁和薄壁两种!活塞取土器则分为固定活塞'水压固 定活塞'自由活塞等几种$敞口取土器不易控制土 样质量'土样易于脱落!活塞取土器结构较复杂$贯 入式取土器一般只适用于软土及部分可塑状土$对 于坚硬'密实的土类目前多采用回转式取土器$回 转取土器主要有两种类型-单动二重管取土器和双 动二重管取土器!这两种取土管结构较复杂!操作不 便/#!%!10$针对上述问题!本文设计研制一种中空螺 旋取土钻具!其结构简单!操作方便!对土样扰动小! 且可直观观测土壤样品$
与螺旋面之间的摩擦角/0!&!(0!当螺旋上升角为!钻
屑与螺旋面的摩擦角为 时!则有
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式中-# 为叶片某点所在圆的直径*! 为螺距$
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式中-% 为螺旋叶片的摩擦系数* 为钻屑与螺旋面
很难将其取出!研究人员继续研发了合式提手成对使 用!可提高提钻力$可将人力无法提出的钻杆!由两 名操作人员共同提出$有效的解决了起拔问题$
图!现场试验
#总结 本机克服了现有技术中钻机体积笨重且功能单
一!不能适应浅表地层的复杂地质环境!可用于较软 的松散地层!但不适用于坚硬"含砾石#致密完整的 岩石地层$从实际问题出发!经过不断试验和改进! 便携式冲击取样钻机具的装备和钻进取样工艺!实 现了浅部无 水 钻 进 和 取 样$ 全 套 装 备 需 要 ! 人 背 负!其 中 一 人 背 钻 机!另 一 人 背 钻 杆'钻 具 和 工 具$ 钻进取样时需要!人配合完成$它不仅能加快取样 工作速度!而且能大量减少植被的破坏!保护环境! 是区域地质填图'物化探取样'古地磁取样'地质灾 害预防等浅层地质勘查工作中不可缺少的技术手 段$该设备及工艺可部分替代探槽采样$
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#结语 中空螺旋取土钻具在无液介质循环下!于浅层
土钻进取样中具有如下优点-#钻具结构简单!操作 下转第#&页
地层条件 泥岩
软岩'潮湿地层 致密'干燥地层
螺距! ""4'!"4%## ""4%!"4(## ""4$!#4"##
#4!40螺旋叶片厚度" 螺旋叶片厚度一般为!!#"))!钻杆直径小'
钻进均质软岩时取低值*钻进砂砾'砂土时!取高值$ 选择时可以参考表!$
但为了实现对土壤的快速切削排屑!同时保证 其耐磨强度!在叶片最底部位置!设计平滑过渡的硬 质合金切片$ #4!4'中心外管外径 #G
参考文献
图"所取样品
"##针 对 野 外 试 验 中 遇 到 的 问 题!做 了 如 下 改 进$冲击头的上部为一半圆头!易于承接冲击锤的 冲击力$
/#0曹克信!张芳英W无水钻进打井技术在山西省的应用 /80W水利水电技术!#1$#"#!#-!! !(W
在钻进过程中!为了保证外管转动而内衬管不转 动的双管钻具称为单动双管钻具$由于单动双管钻具 避免了钻具转动而产生的摩擦振动对岩矿心的机械破 碎!因而取心质量高!为了实现中心外管的单动!在透 明-+内衬管外侧设计特制薄壁轴承!不锈钢简易密封 轴承$轴承采用密封结构主要是为了防止取土过程中 土壤进入轴承件运动副缝隙!阻碍轴承的正常工作$ #404!取心钻头及管靴的设计
/00王峪W轻便钻机在地质勘察工程中的应用/80W西部探 矿工程!!"#0!!%"%#-$" $!W
的摩擦角$
当%\"4%时!对于0英寸中空螺旋钻杆计算得 到!##14'( ))$ 根 据 钻 探 施 工 经 验!螺 旋 钻 杆 螺距的取值可见表#$对于一般土层!螺距!\""4$
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表!螺旋钻杆螺距 的大小取值
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表"螺旋叶片厚度与孔径+地层的关系
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对于中空螺旋取土钻具!主要涉及叶片螺距!' 厚度"!螺旋钻杆外径"螺旋叶片外径##Z!叶片内径 #M!中心外管直径 #G等!其结构如图#所示$
!中空螺旋无水取土钻具研制 #4#钻具材质的选取
中空螺旋取土钻具主材"包括螺旋叶片'中心外 管'轴承外壳'轴承上下盖'上接头'钻头钢体'超前 管靴#采用0"'不锈钢材料!既能够承受一定冲击和 变形又不会对土壤样品造成污染$
表#中空螺旋取土钻具试验情况统计表
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备注
钻具入土钻进时间约!"M!之后不再进尺!底部 岩心夯实 钻具入土钻进时间约!"M!之后不再进尺!底部 岩心夯实 钻具入土钻进时间约!"M!之后不再进尺!底部 岩心夯实 钻具入土钻进时间约!"M!之后不再进尺!底部 岩心夯实
在钻土取样过程中!取心钻头是与土层接触的 重要构件$钻头在获取样心的同时!还应配合螺旋 钻具将钻屑及时排出/$0$由于土样的硬度远低于岩 石!因此!采用硬质合金作为钻头主要切削具$设计 制造了两种结构钻头!如图!所示$
Copyright©博看网. All Rights Reserved.
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沈立娜等中空螺旋取土钻具的研制
图!中空螺旋钻具示意图
#4!4#螺旋钻杆直径 #Z 螺旋钻杆直径即螺旋叶片外径 #Z!主要取决于
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土样收集内衬管采用透明 -+ 管!-+"聚碳酸 酯#树脂是一种性能优良的热塑性工程塑料!具有突 出的抗冲击能力!耐蠕变和尺寸稳定性好!耐热'吸 水率 低'无 毒'介 电 性 能 优 良!具 有 良 好 透 明 性!因 此!在取土钻进过程中可无需倒出样心!直接对其进 行简易观察!避免对样品的二次扰动$ #4!螺旋钻杆的主要参数设计
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卢倩等槽形取样钻机具研制与试验
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图%<>!">倒角结构钻头取样情况
#4 快速转换接头*!4 轴承外壳*04 轴承上盖*'4 轴承下盖* %4 标准轴承*&4 内衬管*(4 复合薄壁轴承*$4 中心外管* 14 钻头*#"4 超前管靴*##4 螺旋叶片
图#中空螺旋取土钻具结构示意图
钻进所取岩心图片如图&所示$由图&中可清 晰观察到所取土样样心的层理!证明了中空螺旋取 土钻具对土样样品的低扰动性$
第#1卷第%期
图"中空螺旋取土钻具钻头结构图
薄壁超前管靴底部内径略小于取心直径!薄壁超 前管靴首先压紧到工作面!随着钻深的增加!柱状样品 通过!O锥面进入到钻具透明-+内衬管!外部钻屑沿钻 头外螺旋叶片排出$由于超前管斜以插入式获取样 心!阻隔了外部切削具的干扰!能够较好的保持样心的 层理信息并提高采取率$经过以上分析!设计研制的 中空螺旋取土钻具结构图如图0所示$在各零件外筒 设计有勾头扳手孔位便于钻具拆装拧卸$
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沈立娜等中空螺旋取土钻具的研制
第#1卷第%期
中空螺旋取土钻具的研制
沈立娜!阮海龙!刘海龙!刘协鲁!赵义
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摘要本文针对土壤取样提出一种中空螺旋无水取土钻具采用无水循环单动双管外中心管及内衬管回转钻 进工艺以及超前管靴合金钻头等结构设计降低对土样的扰动其工作原理是外部螺旋叶片将岩心外侧土 壤切入松土升土排出超前管靴以插入式获取样心阻隔了外部切削具的干扰从而较好地保持样心的 层理信息并提高采取率样心进入透明 -+管采样后可直接观察土样经过现场钻进试验验证了该钻具 在浅层土壤取样的高效性和低扰动性
关键词螺旋中空钻头叶片 中图分类号-&0'4'0文献标识码A文章编号#""1 !$!7"!"#$#"% ""#! "0
(引言 采取原状土样是工程钻探的目的之一!在采取
试样过程中应该保持试样的天然结构!从而为测定 土的天然结构的容量'密度'温度'抗剪强度'压缩系 数'渗透系数等物理力学性质!进行岩土的特性描述 和确定土层的承载能力和稳定性!提供可靠的设计 依据$对于土样!目前的钻探取土方法分贯入式和 回转式两种$贯入式取土器可分为敞口取土器和活 塞取土器两大类型$敞口取土器按管壁厚度分为厚 壁和薄壁两种!活塞取土器则分为固定活塞'水压固 定活塞'自由活塞等几种$敞口取土器不易控制土 样质量'土样易于脱落!活塞取土器结构较复杂$贯 入式取土器一般只适用于软土及部分可塑状土$对 于坚硬'密实的土类目前多采用回转式取土器$回 转取土器主要有两种类型-单动二重管取土器和双 动二重管取土器!这两种取土管结构较复杂!操作不 便/#!%!10$针对上述问题!本文设计研制一种中空螺 旋取土钻具!其结构简单!操作方便!对土样扰动小! 且可直观观测土壤样品$
与螺旋面之间的摩擦角/0!&!(0!当螺旋上升角为!钻
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式中-# 为叶片某点所在圆的直径*! 为螺距$
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很难将其取出!研究人员继续研发了合式提手成对使 用!可提高提钻力$可将人力无法提出的钻杆!由两 名操作人员共同提出$有效的解决了起拔问题$
图!现场试验
#总结 本机克服了现有技术中钻机体积笨重且功能单
一!不能适应浅表地层的复杂地质环境!可用于较软 的松散地层!但不适用于坚硬"含砾石#致密完整的 岩石地层$从实际问题出发!经过不断试验和改进! 便携式冲击取样钻机具的装备和钻进取样工艺!实 现了浅部无 水 钻 进 和 取 样$ 全 套 装 备 需 要 ! 人 背 负!其 中 一 人 背 钻 机!另 一 人 背 钻 杆'钻 具 和 工 具$ 钻进取样时需要!人配合完成$它不仅能加快取样 工作速度!而且能大量减少植被的破坏!保护环境! 是区域地质填图'物化探取样'古地磁取样'地质灾 害预防等浅层地质勘查工作中不可缺少的技术手 段$该设备及工艺可部分替代探槽采样$
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#结语 中空螺旋取土钻具在无液介质循环下!于浅层
土钻进取样中具有如下优点-#钻具结构简单!操作 下转第#&页
地层条件 泥岩
软岩'潮湿地层 致密'干燥地层
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#4!40螺旋叶片厚度" 螺旋叶片厚度一般为!!#"))!钻杆直径小'
钻进均质软岩时取低值*钻进砂砾'砂土时!取高值$ 选择时可以参考表!$
但为了实现对土壤的快速切削排屑!同时保证 其耐磨强度!在叶片最底部位置!设计平滑过渡的硬 质合金切片$ #4!4'中心外管外径 #G
参考文献
图"所取样品
"##针 对 野 外 试 验 中 遇 到 的 问 题!做 了 如 下 改 进$冲击头的上部为一半圆头!易于承接冲击锤的 冲击力$
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在钻进过程中!为了保证外管转动而内衬管不转 动的双管钻具称为单动双管钻具$由于单动双管钻具 避免了钻具转动而产生的摩擦振动对岩矿心的机械破 碎!因而取心质量高!为了实现中心外管的单动!在透 明-+内衬管外侧设计特制薄壁轴承!不锈钢简易密封 轴承$轴承采用密封结构主要是为了防止取土过程中 土壤进入轴承件运动副缝隙!阻碍轴承的正常工作$ #404!取心钻头及管靴的设计