岩土钻掘工程—冲击回转钻进与冲击、振动钻进课程课件
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第四章冲击及冲击回转钻进
工程钻探学课件
第一节、钢丝绳冲击钻进 二、钢丝绳冲击钻进所使用的钻具
1）用来破碎岩石和取样排屑的工具—钻头、冲击钻杆、 钢丝绳接头、捞砂筒和取样器等。
工程钻探学Leabharlann 件一字形钻头第一节、钢丝绳冲击钻进 二、钢丝绳冲击钻进所使用的钻具
1）用来破碎岩石和取样排屑的工具—钻头、冲击钻杆、 钢丝绳接头、捞砂筒和取样器等。
第四章 冲击及冲击回转钻进
采用回转钻进方法钻进坚硬和研磨性较高的岩石时，由于岩 石抗压入强度高，切削具必须在很大的压力下才能切入岩石， 而大的轴心压力将导致切削具的急剧磨损，从而使钻进效率 大大降低。实践表明，破碎坚硬岩石时，冲击钻进比回转钻 进更为有效，这是由于岩石的剪切强度只相当于抗压强度的 1/6~1/12，冲击钻进使岩石产生剪切破碎。此外，在冲击载 荷作用下，岩石表面可产生瞬时接触应力，在动应力作用下， 岩石易产生裂纹，并且随冲击速度的提高，岩石的脆性将增 大，有利于岩石中裂纹的发育。因此，用不大的冲击力，便 可以达到破碎坚硬岩石的效果。
工程钻探学课件
第二节、冲击回转钻进
工程钻探学课件
第二节、冲击回转钻进 施工工地照片
工程钻探学课件
第四章 冲击及冲击回转钻进 第一节、钢丝绳冲击钻进
钢丝绳冲击钻进的基本原理是， 借助于一定重量的钻头，在一定 的高度内周期地冲击井底，使岩 石破碎而获得进尺。在每次冲击 之后，钻头在钢丝绳带动下，回 转一定的角度，从而使钻孔得到 规则的圆形断面。
工程钻探学课件
钢丝绳冲击钻机
钢丝绳冲击钻机
工程钻探学课件
第一节、钢丝绳冲击钻进 三、冲击钻进规程
冲击钻进规程是研究如何合理地、有效地运用冲击钻具进行钻 进，从而能达到提高效率、保持质量和降低成本的问题。
第一节、钢丝绳冲击钻进 二、钢丝绳冲击钻进所使用的钻具
1）用来破碎岩石和取样排屑的工具—钻头、冲击钻杆、 钢丝绳接头、捞砂筒和取样器等。
工程钻探学Leabharlann 件一字形钻头第一节、钢丝绳冲击钻进 二、钢丝绳冲击钻进所使用的钻具
1）用来破碎岩石和取样排屑的工具—钻头、冲击钻杆、 钢丝绳接头、捞砂筒和取样器等。
第四章 冲击及冲击回转钻进
采用回转钻进方法钻进坚硬和研磨性较高的岩石时，由于岩 石抗压入强度高，切削具必须在很大的压力下才能切入岩石， 而大的轴心压力将导致切削具的急剧磨损，从而使钻进效率 大大降低。实践表明，破碎坚硬岩石时，冲击钻进比回转钻 进更为有效，这是由于岩石的剪切强度只相当于抗压强度的 1/6~1/12，冲击钻进使岩石产生剪切破碎。此外，在冲击载 荷作用下，岩石表面可产生瞬时接触应力，在动应力作用下， 岩石易产生裂纹，并且随冲击速度的提高，岩石的脆性将增 大，有利于岩石中裂纹的发育。因此，用不大的冲击力，便 可以达到破碎坚硬岩石的效果。
工程钻探学课件
第二节、冲击回转钻进
工程钻探学课件
第二节、冲击回转钻进 施工工地照片
工程钻探学课件
第四章 冲击及冲击回转钻进 第一节、钢丝绳冲击钻进
钢丝绳冲击钻进的基本原理是， 借助于一定重量的钻头，在一定 的高度内周期地冲击井底，使岩 石破碎而获得进尺。在每次冲击 之后，钻头在钢丝绳带动下，回 转一定的角度，从而使钻孔得到 规则的圆形断面。
工程钻探学课件
钢丝绳冲击钻机
钢丝绳冲击钻机
工程钻探学课件
第一节、钢丝绳冲击钻进 三、冲击钻进规程
冲击钻进规程是研究如何合理地、有效地运用冲击钻具进行钻 进，从而能达到提高效率、保持质量和降低成本的问题。
岩心钻探钻进方法4-冲击回转钻进
特点：结构较简单，除活塞与冲锤外无
其他运动零件，也无弹簧、配水活阀等易 损零件，因而钻具工作可靠，使用寿命长 ；冲锤向下冲击砧子时，没有自由行程阶 段和弹簧对冲击力的抵消作用，因而冲击 器能量利用率高；能适用于高温高压条件 下的深井作业。缺点是对冲洗液杂质含量 要求高，否则射流原件易堵塞。
结构：如图所示。
工作原理：冲锤活塞正冲程和反冲程
均由液体压力推动。
特点：结构较复杂。采用差动运动方式
，必须有既滑动又隔压的密封件，以使冲 击器内部能形成一个压力差，在铁砧部位 设有"节流环"、"下阀"等元件，在与冲锤活 塞中间部位和活阀上部对应的外壳处设有" 呼吸道"。从理论上讲，该冲击器的液流功 率恢复较高。
岩心钻探钻进方法4-冲击回转 钻进
2. 与冲击回转钻进有关的岩石破碎机理研究结论
① 冲击动载作用下岩石易产生大剪切破碎，这对 硬岩（特别是粗颗粒硬岩）效果更为明显；
实验证明，对同种岩石，冲击载荷破碎的坑穴远大于静压载荷破碎的 坑穴。这可用岩石的剪切强度只是抗压强度的1/6—1/12进行解释。
② 在有一定预压下冲击破碎岩石，岩石的强度要 降低50—80%；
特点：结构简单，技术成熟，由于被压
缩弹簧释放出的能量与冲锤活塞。但工 作弹簧的工作寿命只有40～100h。
工程钻探
图7.2 反作用液动冲击器
1-工作弹簧； 2-外壳； 3-冲锤活塞； 4-铁砧
14 2020/8/3
③ 双作用液动冲击器
工程钻探
图7.1 正作用液动冲击器
1-外壳； 2-活阀座垫圈； 3-阀簧； 4-活阀； 5-冲锤活塞； 6-锤簧；
7-铁砧； 8-缓冲垫圈； 9-阀座
其他运动零件，也无弹簧、配水活阀等易 损零件，因而钻具工作可靠，使用寿命长 ；冲锤向下冲击砧子时，没有自由行程阶 段和弹簧对冲击力的抵消作用，因而冲击 器能量利用率高；能适用于高温高压条件 下的深井作业。缺点是对冲洗液杂质含量 要求高，否则射流原件易堵塞。
结构：如图所示。
工作原理：冲锤活塞正冲程和反冲程
均由液体压力推动。
特点：结构较复杂。采用差动运动方式
，必须有既滑动又隔压的密封件，以使冲 击器内部能形成一个压力差，在铁砧部位 设有"节流环"、"下阀"等元件，在与冲锤活 塞中间部位和活阀上部对应的外壳处设有" 呼吸道"。从理论上讲，该冲击器的液流功 率恢复较高。
岩心钻探钻进方法4-冲击回转 钻进
2. 与冲击回转钻进有关的岩石破碎机理研究结论
① 冲击动载作用下岩石易产生大剪切破碎，这对 硬岩（特别是粗颗粒硬岩）效果更为明显；
实验证明，对同种岩石，冲击载荷破碎的坑穴远大于静压载荷破碎的 坑穴。这可用岩石的剪切强度只是抗压强度的1/6—1/12进行解释。
② 在有一定预压下冲击破碎岩石，岩石的强度要 降低50—80%；
特点：结构简单，技术成熟，由于被压
缩弹簧释放出的能量与冲锤活塞。但工 作弹簧的工作寿命只有40～100h。
工程钻探
图7.2 反作用液动冲击器
1-工作弹簧； 2-外壳； 3-冲锤活塞； 4-铁砧
14 2020/8/3
③ 双作用液动冲击器
工程钻探
图7.1 正作用液动冲击器
1-外壳； 2-活阀座垫圈； 3-阀簧； 4-活阀； 5-冲锤活塞； 6-锤簧；
7-铁砧； 8-缓冲垫圈； 9-阀座
《岩土钻掘工程学》课件
地下水开发目的： 满足人类生活、 生产用水需求
地下水开发方法： 钻井、抽水、监 测等
地下水开发实例 ：某地地下水开 发项目
地下水开发效果 ：提高地下水供 应能力，改善水 质，减少污染
矿产资源开发实例
矿产资源类型：煤炭、铁矿、铜 矿等
钻掘工程技术：钻探技术、采矿 技术、运输技术等
添加标题
添加标题
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土的渗透性：土中水通过的能力
土的压缩性：土在外力作用下体积 减小的特性
土的抗剪强度：土抵抗剪切破坏的 能力
土的力学性质
土的强度：抗压强度、抗剪强度、抗拉强度等 土的变形：压缩变形、剪切变形、拉伸变形等 土的渗透性：水在土中的渗透速度、渗透系数等 土的抗冻性：土在低温环境下的抗冻性能、抗冻系数等
01
01
岩土钻掘工程施工技术
岩土钻掘施工方法
钻孔：使用钻机进行钻孔，包 括钻头、钻杆、钻具等
钻孔液：使用钻孔液进行冷却、 润滑、清洗等
取芯：使用取芯器进行取芯， 包括取芯器、取芯管等
岩土钻掘施工技术：包括钻孔、 钻孔液、取芯等步骤，以及钻 孔液的配比、钻具的选择等
钻孔施工过程控制
钻孔设备选择：根据工程地质条 件和钻孔深度选择合适的钻孔设 备
岩石的力学性质
岩石的强度： 抗压、抗拉、
抗剪等
岩石的变形： 弹性、塑性、
脆性等
岩石的稳定 性：抗滑移、
抗倾覆等
岩石的渗透 性：水、气 等流体的渗
透能力
岩石的抗腐 蚀性：抵抗 酸、碱等化 学物质的侵
蚀能力
岩石的物理 性质：密度、 孔隙率、吸
水性等
土的物理性质
土的密度：单位体积内土的质量
土的含水量：土中水的质量与干土 质量的比值 土的孔隙率：土中孔隙体积与土总 体积的比值
第四章 冲击及冲击回转钻进
5) 切削具的出刃形式多为平底形，且出刃量较大。
工程钻探学课件
第二节、冲击回转钻进
二、冲击回转钻进用的钻头
2、液动冲击回转钻进用钻头 ① 取心式硬合金钻头 普通大八角硬合金钻头 可带肋骨或不带肋骨。肋骨厚3mm 以增大通水面积，合金采用 10×10×16mm大八角柱八粒，内、 外出刃3mm，底出刃5mm，刃尖角
4) 钻头是以自由落体方式冲击岩石的。冲击钻头利用高的
冲击速度产生很大的冲击力，能有效破碎坚硬岩石。
工程钻探学课件
第一节、钢丝绳冲击钻进 一、钢丝绳冲击钻进的特点： 冲击钻进，总的来说是一种钻进速度低的老方法。它利用 钻具自由落体式进行钻进，因而只能钻进垂直的钻孔；与 现代先进钻进方法相比，钻进效率较低。因此，冲击钻进
（2）的中心通道而流人孔底，作经常性冷却钻头及吹粉，
②作为动力的主气流则沿缸壳(12）中的气槽，进人活塞 （冲锤）的中间环腔，并经缸壳上的下气槽进入锤下气室， 推动活塞上行。
工程钻探学课件
第二节、冲击回转钻进
一、冲击器
2、风动冲击器 ③在活塞上行中，当下段活塞封闭下气槽的入口后，就停 止向下气室进气，但锤下气室内的压气便膨胀井在惯性作用 下继续推动活塞上升。
冲击器钻进中硬岩石。
工程钻探学课件
第二节、冲击回转钻进
二、冲击回转钻进用的钻头
2、液动冲击回转钻进用钻头 ① 取心式硬合金钻头
工程钻探学课件
第二节、冲击回转钻进
二、冲击回转钻进用的钻头
2、液动冲击回转钻进用钻头 ②金刚石钻头 (1）现在金刚石冲击回转钻进方法仍以回转作用为主，冲击 为辅，所以选择钻头类型时，表镶或孕镶钻头都可以用；
2、风动冲击器 ⑥在活塞上行的过程中，当活塞的尾端离开轴承环(19）时， 活塞下气室中的膨胀气体经钻头中心孔排于孔底， ⑦当活塞下行至离开配气机构的尾管后，锤上气室的气体
第六章 冲击回转钻进与冲击振动钻进
2012-7-25 中国地质大学勘查教研室
第二节 液动和气动冲击器
其主要特点： (1)正作用冲击器结构简单，性能稳定，调 试容易。 (2)冲击器中弹簧的反作用要消耗一部分能 量，抵消了很大一部分高压液流所产生 的冲击力。 (3)弹簧在1500次／min或更高的循环压缩、 伸张下，容易损坏。
国家精品课程
岩土钻掘工程学
2012-7-25
中国地质大学勘查教研室
第二节 液动和气动冲击器
1.2 反作用冲击器
国家精品课程
岩土钻掘工程学
利用高压液流推动冲锤上行，压缩工作弹簧储存能 量，经弹簧释能作功。 高压液流进入，由于水路封闭当冲锤上下端压力差 超过弹簧1的压缩力和冲锤本身质量时，迫使冲锤 上行，并压缩工作弹簧储存能量；同时，铁砧4的 水路被逐步打开，高压液流流向孔底，液压下降， 冲锤利用惯性继续上行到上死点时，冲锤利用自身 质量和工作弹簧的弹力使冲锤急速向下冲击铁砧。 同时，由于冲锤与铁砧相接触而又封闭了液流通向 孔底的通路，液压开始上升，当上升到一定值再次 作用于冲锤使其上行，开始第二个工作周期。
图 . 斜面蝶状阀配气装置 1-阀箱，2-阀片，3-阀座。
2012-7-25
中国地质大学勘查教研室
第二节 液动和气动冲击器
如果活塞串联使用时，C1孔道的压气去下 一个活塞的上气室，推动活塞向下冲击作功。 压缩气体的少部分经配气阀中心孔、活塞中 心孔流入孔底，冲洗岩粉。活塞向下冲击又 产生压差，阀片又摆动变位，开始第二个循 环工作。
2012-7-
1.3 双作用冲击器 冲锤正冲程和反冲程均由液体压力推动。 钻具自重使活接头f压紧到外套g处，工作腔d 的液流分别作用在活阀2和塔形冲锤6上，由 活阀上下端的压差使活阀上移到最上位置； 冲锤活塞上、下面积不同产生压差使其向上 移动；当冲锤上行到与活阀接合时，通道d1 被关闭，冲锤与活阀一起急速下行，当下行h 时，活阀被支撑座4限止，冲锤与活阀分离， 借助惯性继续下行到s时，冲击砧子9； 由于冲锤中心通道被打开，液流恢复循环， 在液流压力作用下，活阀与冲锤急剧上行， 周而复始。
第二节 液动和气动冲击器
其主要特点： (1)正作用冲击器结构简单，性能稳定，调 试容易。 (2)冲击器中弹簧的反作用要消耗一部分能 量，抵消了很大一部分高压液流所产生 的冲击力。 (3)弹簧在1500次／min或更高的循环压缩、 伸张下，容易损坏。
国家精品课程
岩土钻掘工程学
2012-7-25
中国地质大学勘查教研室
第二节 液动和气动冲击器
1.2 反作用冲击器
国家精品课程
岩土钻掘工程学
利用高压液流推动冲锤上行，压缩工作弹簧储存能 量，经弹簧释能作功。 高压液流进入，由于水路封闭当冲锤上下端压力差 超过弹簧1的压缩力和冲锤本身质量时，迫使冲锤 上行，并压缩工作弹簧储存能量；同时，铁砧4的 水路被逐步打开，高压液流流向孔底，液压下降， 冲锤利用惯性继续上行到上死点时，冲锤利用自身 质量和工作弹簧的弹力使冲锤急速向下冲击铁砧。 同时，由于冲锤与铁砧相接触而又封闭了液流通向 孔底的通路，液压开始上升，当上升到一定值再次 作用于冲锤使其上行，开始第二个工作周期。
图 . 斜面蝶状阀配气装置 1-阀箱，2-阀片，3-阀座。
2012-7-25
中国地质大学勘查教研室
第二节 液动和气动冲击器
如果活塞串联使用时，C1孔道的压气去下 一个活塞的上气室，推动活塞向下冲击作功。 压缩气体的少部分经配气阀中心孔、活塞中 心孔流入孔底，冲洗岩粉。活塞向下冲击又 产生压差，阀片又摆动变位，开始第二个循 环工作。
2012-7-
1.3 双作用冲击器 冲锤正冲程和反冲程均由液体压力推动。 钻具自重使活接头f压紧到外套g处，工作腔d 的液流分别作用在活阀2和塔形冲锤6上，由 活阀上下端的压差使活阀上移到最上位置； 冲锤活塞上、下面积不同产生压差使其向上 移动；当冲锤上行到与活阀接合时，通道d1 被关闭，冲锤与活阀一起急速下行，当下行h 时，活阀被支撑座4限止，冲锤与活阀分离， 借助惯性继续下行到s时，冲击砧子9； 由于冲锤中心通道被打开，液流恢复循环， 在液流压力作用下，活阀与冲锤急剧上行， 周而复始。
岩土钻掘工程课件
特点
岩土钻掘工程具有高风险、高投入、高技术含量的特点，需 要综合考虑地质、环境、工程和经济等方面的因素，对技术 和设备的要求较高。
岩土钻掘工程的重要性
资源开发
岩土钻掘工程是资源开发的重要手段，如矿产、石油、天 然气等资源的勘探和开发，需要通过岩土钻掘工程获取地 下信息。
基础建设
在基础设施建设领域，如交通、水利、建筑等，岩土钻掘 工程是必不可少的环节，用于地质勘查、基础施工和地下 空间开发等。
VS
详细描述
孔内事故的发生与地层条件、钻进参数、 钻具质量等因素有关。为了预防孔内事故 的发生，可以采用定期检查钻具、优化钻 进参数、采用孔内加固等技术措施，确保 孔内安全。
钻掘过程中的环境保护问题
总结词
岩土钻掘工程中产生的噪音、振动、粉尘等环境问题是不可忽视的。
详细描述
为了减少岩土钻掘工程对环境的负面影响，可以采用低噪音、低振动的钻机和工艺，加强粉尘治理和 废水的处理，同时合理规划施工场地，减少对周围环境的影响。
02
岩土钻掘工程的基本原理
岩石力学基础
01
02
03
岩石的物理性质
包括密度、孔隙度、含水 量、温度等，这些性质对 岩石的力学行为有重要影 响。
岩石的力学性质
包括抗压、抗拉、抗剪等 强度，以及弹性模量、泊 松比等弹性性质。
岩石的变形与破坏
研究岩石在不同应力水平 下的变形、破裂和失稳行 为。
土力学基础
建设的发展，岩土钻掘工程技术得到了迅速发展和广泛应用。
发展
近年来，随着科技的不断进步和应用领域的不断拓展，岩土钻掘工程技术也在不断发展。 新型钻探技术和设备的研发和应用，如定向钻进、冲击回转钻进、超声波破碎等，提高 了钻探效率和精度，同时也为岩土钻掘工程的应用拓展提供了更多可能性。未来，岩土
岩土钻掘工程具有高风险、高投入、高技术含量的特点，需 要综合考虑地质、环境、工程和经济等方面的因素，对技术 和设备的要求较高。
岩土钻掘工程的重要性
资源开发
岩土钻掘工程是资源开发的重要手段，如矿产、石油、天 然气等资源的勘探和开发，需要通过岩土钻掘工程获取地 下信息。
基础建设
在基础设施建设领域，如交通、水利、建筑等，岩土钻掘 工程是必不可少的环节，用于地质勘查、基础施工和地下 空间开发等。
VS
详细描述
孔内事故的发生与地层条件、钻进参数、 钻具质量等因素有关。为了预防孔内事故 的发生，可以采用定期检查钻具、优化钻 进参数、采用孔内加固等技术措施，确保 孔内安全。
钻掘过程中的环境保护问题
总结词
岩土钻掘工程中产生的噪音、振动、粉尘等环境问题是不可忽视的。
详细描述
为了减少岩土钻掘工程对环境的负面影响，可以采用低噪音、低振动的钻机和工艺，加强粉尘治理和 废水的处理，同时合理规划施工场地，减少对周围环境的影响。
02
岩土钻掘工程的基本原理
岩石力学基础
01
02
03
岩石的物理性质
包括密度、孔隙度、含水 量、温度等，这些性质对 岩石的力学行为有重要影 响。
岩石的力学性质
包括抗压、抗拉、抗剪等 强度，以及弹性模量、泊 松比等弹性性质。
岩石的变形与破坏
研究岩石在不同应力水平 下的变形、破裂和失稳行 为。
土力学基础
建设的发展，岩土钻掘工程技术得到了迅速发展和广泛应用。
发展
近年来，随着科技的不断进步和应用领域的不断拓展，岩土钻掘工程技术也在不断发展。 新型钻探技术和设备的研发和应用，如定向钻进、冲击回转钻进、超声波破碎等，提高 了钻探效率和精度，同时也为岩土钻掘工程的应用拓展提供了更多可能性。未来，岩土
国家精品课程：岩土钻掘工程学第5章——回转钻进工艺PPT演示课件
国家精品课程
岩土钻掘工程学
30.09.2020
国家精品课程
第一节 钻进效果指标与钻进规程参数 岩土钻掘工程学
2、转速对钻速的影响 钻软、塑性大、研磨性小的岩层时（曲线Ⅰ），钻速vm与转速
n基本呈线性关系； 钻中硬、研磨性较小的岩层时（曲线Ⅱ），钻速vm与n开始呈
直线关系，但随着n继续增大而逐渐 变缓，转速愈高，钻速增长愈慢； 钻中硬、研磨性强的岩层（曲线Ⅲ）， 开始类似于曲线Ⅱ，但vm随n增大而 增大的速率缓慢，当超过某个极限转 速n0后，钻速还有下降的趋势。
30.09.2020
vT
t
H t1 T1
(m/h)
T1——一个月期间内消耗在固孔、测量孔斜、地球物理测井、 孔内注浆、人工造斜等工作中的补充作业时间，h。
30.09.2020
国家精品课程
第一节 钻进效果指标与钻进规程参数 岩土钻掘工程学
4、经济钻速
▪ 在国外叫做商业钻速，表示一台钻机在一个月（季）可计入成
本时间（基本工序时间 t 、辅助工序时间 t1、补充作业时间T1
30.09.2020
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第一节 钻进效果指标与钻进规程参数 岩土钻掘工程学
二、钻进规程
（一）概述 钻进规程是指为提高钻进效率、降低成本、保证质量所采取
的技术措施，通常指可由操作者人为改变的参数组合。 在回转钻进中主要的钻进参数有：钻压、钻具转速、冲洗介
质的品质、单位时间内冲洗介质的消耗量等工艺参数。 生产中有不同的钻进规程：最优规程、合理规程、专用规程
➢熟练操作、优化钻进、实现钻具升降机械化、自动化是提高
回次钻速的前提。
30.09.2020
国家精品课程
第一节 钻进效果指标与钻进规程参数 岩土钻掘工程学
第五章 冲击回转钻进
第二节 液动冲击器结构及作用原理
• 一、“正作用”类型液动冲击器 • (一)“正作用”类型液动冲击器原理 • “正作用”冲击器是以高压液流推动活塞 冲锤下行而进行冲击，而并借助弹簧力量 使其恢复到原来位置。如图 5-2所示。
• ―正作用”液动冲击器的工作过程如下： • 高压液流流向活塞冲锤5的顶部后，由于活 阀4封闭着活塞冲锤5的中间水路而截断了 液流通道。当不断流入的高压液流达到一 定能量时，便推动活塞冲锤5向下运动，使 其碰撞铁砧7产生一次冲击。
• 冲击回转钻进除可以提高钻速外，又因所需轴向 压力较小，转速较低，所以钻孔不易弯曲，孔内 事故少，材料消耗低，因此，是当前一种现实可 行的高效、优质、低消耗的钻进方法。特别是在 中等硬度以上的岩石中，其效率更为显著。 • 由于液动冲击器的类型不断增多，结构不断完善， 性能不断提高，磨料、钻头的品种不断发展，以 及相应的设备和辅助工具逐步配套，使冲击回转 钻的应用范围愈加广泛：
• 用此冲击器进行冲击回转钻进，除需配备耐高压 胶管和稳压器外，可基本上利用现有的常规钻探 设备和钻具级配，在易斜地层采用硬质合金冲击 回转钻进时，可将常规钻机附加减速装置，使转 速降低至20～40r/min时，能更好地发挥其防斜功 能和减轻管材磨损，有利于降低钻探成本和预防 孔内事故。在现有泥浆泵(如BW–250/50和BW– 250型)的能力下，钻进孔深可达450m，如采用压 力更高的泵，其钻孔深度还可增加。
• (六)用于反循环及各种工程勘察施工 • 目前，各种贯通式及非贯通式液、气动冲击器。已广泛用 于水力反循环连续取心钻进、气举反循环连续取心钻进中， 并在岩心勘探、工程勘察施中得到应用。 • 冲击回转钻进方法虽然应用日益广泛，但尚须进一步完善 和提高。 • 应当进一步研究冲击回转钻进的碎岩原理；研究、没计新 型的冲击器；研制用于坚硬岩层的大冲击功的冲击器，泥 浆钻进用的冲击器等；研究冲击器的设计和计算方法；设 计适应冲击回转钻进用的水泵及钻机；研究冲击回转钻进 用的钻头结构、硬合金的材质和形状及其镶焊方法；制订 合理的钻进工艺参数。
【采矿课件】岩土钻掘工程学
•
1994年美国政府在“国家钻探和采掘技
术
•
（NADET）计划”中指出 ：钻探和采
掘
•
是石油、矿业、现代交通、地下公用
设
•
施等关键部门所急需的…，其未来的
• 状 美国的“NADET”计划，从另一个角度说明了岩土钻掘 •工程是与国计民生息息况相取关决、于保我证们国钻民采经技济术可的持领续先发程展度不。可
在替代的重要技术手段。
•
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高新技术流行的今天，这些并不诱人 【采矿课件】岩土钻掘工程学
•多维 教材
•纸质 教材
•电子 教材
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•岩土钻掘工程 学
•教科书 •教学参考书 •电子教案 •多媒体教学软件 •习题库，试题库 •资料库(图片库，视频库，动画库)
【采矿课件】岩土钻掘工程学
•岩土钻掘工程
•学 据世界银行资料(1997)，按人均拥有水资源量中国属于严重 缺水的国家，其中占全国总面积1/3的西北地区，水资源量 仅占8%，严重制约了经济的发展。
• 我国每年地质灾害的损失达几百亿元，地质灾害治理正是
本学科的主要服务领域。
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【采矿课件】岩土钻掘工程学
大量钻探队伍
•Core Stem With Bit带钻头岩心管 •0 •0 •0 •1 •1 •1
•Core Stems Without Bit •无钻头岩心管 •Self-Recording Penetrometer贯入仪
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【采矿课件】岩土钻掘工程学
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【采矿课件】岩土钻掘工程学
岩土钻掘工程课件
第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程
0、硬质合金钻进的基本概念与特点 1、硬质合金钻进的基本概念 利用镶焊在钻头钢体上的硬质合金切削具作为碎岩的 工具，这种钻进方法称为硬合金钻进。 硬合金钻进是岩土钻掘工程中的一种主要钻进方法， 它用于软岩层及中硬岩层的钻进（1—4级软的沉积岩、 中硬的5—7级及部分8级岩浆岩和变质岩）。
第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程
（一）塑性岩石的碎岩情况
1、切入岩石的过程
钻头上切削具切入岩石的必要条件是：切削具与岩石接触
面上的单位压力必须大于或至少等于岩石的抗压入硬度。
即：
Py≥Hy F0
式中：Hy——岩石的压入硬度； F0——切削具刃尖处与岩石的接触面积。
第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程
第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程
2、选用硬质合金切削具的基本原则 合金切削具形状主要有：薄片状、方柱状、八角柱状和针状等。
第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程
选择切削具形状的一般原则是： （1）片状硬质合金：刃薄易于压入和切削岩石，但抗弯能力差，
适用于Ⅰ～Ⅴ级软岩； （2）柱状硬质合金：抗弯能力较强，压入阻力也较小，主要适
（二）弹塑性岩石的孔底破碎过程 弹塑性岩石是硬质合金钻头的主要钻进对象。理论上，切削具切入需要很大的轴向力，而在双
向力的同时作用下实际的Py力为（1/6~1/13）。 碎岩显著特点：以跳跃式的剪切破碎为主。岩石破碎大体分三个阶段：
1、切入岩石，岩石剪切破碎，前移碰撞刃前岩石。 2、刃前接触面很小，挤压力较大，小剪切破碎。继续前移产生若干次小剪切。
生塑性变形并不断地向自由面滑移——切削作用。 在切屑的裂隙尚未发展到全面断裂之前，下一切屑又发生滑移。因
此切屑是连续、平稳的，其切削槽宽与切削具刃宽相同。 实际上，由于振动、冲刷，岩屑将碎裂并被冲洗液带至地表； 在Py 和Px 共同作用下的切入比Py单独作用下切入更容易，也切入的
岩心钻探钻进方法冲击回转钻进PPT课件
① 有阀式潜孔锤
结构：如图所示。
工作原理：由配气机构的阀片控制高压
气体推动冲锤活塞上、下运动实现冲击。
特点：结构比较复杂，加工要求较高，但
排除岩粉的效果较好，故可降低钻头的磨耗 和提高钻进效率。
图7.7 J200B型潜 孔锤
1-接头; 2-钢 垫圈; 3-调整 圈; 4-碟簧; 5节流塞; 6-阀 盖; 7-阀片; 8阀座; 9-活塞; 10-外壳; 11内缸; 12-衬套; 13-柱销; 14弹簧; 15-卡钎 套; 16-钢丝; 17-圆键; 18-密封圈; 19-止逆塞; 20-弹簧; 21磨损片; 22-配 气杆; 23-钻头
② 气动冲击器——以压缩空气为动力介质。这类冲击器习 惯称为“潜孔锤”，在全面钻进钻孔施工中使用最多，如 锚固孔施工。
2021/7/21
工程钻探
9
第9页动使冲锤上下 运动。这类冲击器一般采用端面牙嵌机构、凸轮机构等
将钻具的回转运动变为纵向冲击运动。受工作原理和材料 强度的影响，寿命一直未能取得较大突破，故目前还未大 量进入生产使用。
中硬以下岩石塑性为主，钻压的主要作用是切入岩石碎 岩，钻压宜大。
2021/7/21
工程钻探
23
第23页/共38页
② 转速 n
硬岩主要靠冲击，转速要低，高了只会增加磨损。 软岩主要靠剪切切削，转速可高一点。 金刚石钻头出刃小，冲击作用主要是小冲击功的促进裂 隙发育，钻进还得靠磨削，转速要高。如用孕镶金刚石钻 头进行冲击回转钻进时，应开高转速，一般在500～ 700r/min。
形状及尺寸： 一般采用截面尺寸较大的八角不对称柱状硬合金。
2021/7/21
图7.10 硬质合金柱齿外型图
(a)-楔形齿(K30型); (b)-半球型齿(K40型); (c)-锥球齿(K41型)
结构：如图所示。
工作原理：由配气机构的阀片控制高压
气体推动冲锤活塞上、下运动实现冲击。
特点：结构比较复杂，加工要求较高，但
排除岩粉的效果较好，故可降低钻头的磨耗 和提高钻进效率。
图7.7 J200B型潜 孔锤
1-接头; 2-钢 垫圈; 3-调整 圈; 4-碟簧; 5节流塞; 6-阀 盖; 7-阀片; 8阀座; 9-活塞; 10-外壳; 11内缸; 12-衬套; 13-柱销; 14弹簧; 15-卡钎 套; 16-钢丝; 17-圆键; 18-密封圈; 19-止逆塞; 20-弹簧; 21磨损片; 22-配 气杆; 23-钻头
② 气动冲击器——以压缩空气为动力介质。这类冲击器习 惯称为“潜孔锤”，在全面钻进钻孔施工中使用最多，如 锚固孔施工。
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工程钻探
9
第9页动使冲锤上下 运动。这类冲击器一般采用端面牙嵌机构、凸轮机构等
将钻具的回转运动变为纵向冲击运动。受工作原理和材料 强度的影响，寿命一直未能取得较大突破，故目前还未大 量进入生产使用。
中硬以下岩石塑性为主，钻压的主要作用是切入岩石碎 岩，钻压宜大。
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工程钻探
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第23页/共38页
② 转速 n
硬岩主要靠冲击，转速要低，高了只会增加磨损。 软岩主要靠剪切切削，转速可高一点。 金刚石钻头出刃小，冲击作用主要是小冲击功的促进裂 隙发育，钻进还得靠磨削，转速要高。如用孕镶金刚石钻 头进行冲击回转钻进时，应开高转速，一般在500～ 700r/min。
形状及尺寸： 一般采用截面尺寸较大的八角不对称柱状硬合金。
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图7.10 硬质合金柱齿外型图
(a)-楔形齿(K30型); (b)-半球型齿(K40型); (c)-锥球齿(K41型)
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该类冲击器的主要缺点是需要刚度较大的弹簧， 工作寿命只有40~lOO小时。
2020/11/22
第二节 液动和气动冲击器
岩土钻掘工程学
1.3 双作用冲击器
冲锤正冲程和反冲程均பைடு நூலகம்液体压力推动。
钻具自重使活接头f压紧到外套g处，工作腔d 的液流分别作用在活阀2和塔形冲锤6上，由 活阀上下端的压差使活阀上移到最上位置；
2020/11/22
第二节 液动和气动冲击器
岩土钻掘工程学
1.2 反作用冲击器
利用高压液流推动冲锤上行，压缩工作弹簧储存能 量，经弹簧释能作功。
高压液流进入，由于水路封闭当冲锤上下端压力差 超过弹簧1的压缩力和冲锤本身质量时，迫使冲锤 上行，并压缩工作弹簧储存能量；同时，铁砧4的 水路被逐步打开，高压液流流向孔底，液压下降， 冲锤利用惯性继续上行到上死点时，冲锤利用自身 质量和工作弹簧的弹力使冲锤急速向下冲击铁砧。
冲击回转钻进最适用于粗颗粒的不均质岩层，在可钻性 Ⅵ～Ⅷ级，部分Ⅸ级的岩石中，钻进效果尤为突出。
冲击回转钻进不仅应用于硬质合金钻进，还应用于金刚石 钻进及牙轮钻进。
冲击回转钻进不仅可提高效率和钻头寿命，而且还可解决 “堵心” 、“打滑”、“防斜”等问题。
在岩土工程的大口径施工中也有用武之地。
第一节 概述
岩土钻掘工程学
第六章 冲击回转钻进与冲击、振动钻进
1、概述； 2、液体和气动冲击器； 3、冲击回转钻进用钻头; 4、冲击回转钻进工艺; 5、钢丝绳冲击钻进及振动钻进工艺.
2020/11/22
第一节 概述
国家精品课程
岩土钻掘工程学
冲击回转钻进是在钻头已承受一定静载荷的基础上，以纵 向冲击力和回转切削力共同破碎岩石的钻进方法。与常规回 转钻进法相比，冲击回转钻进只要用不大的冲击力，便可以 达到破碎坚硬岩石的效果。
岩土钻掘工程学
2020/11/22
第二节 液动和气动冲击器
岩土钻掘工程学
主要特点: 1)结构简单易操作； 2)无弹簧及配水活 阀等零件，寿命较长； 3)能量利用率较高； 4）工作时不易堵水 较好预防烧钻及蹩泵 等事故； 5）钻进中产生的高压水锤波比阀式冲击器小，钻具工作较平
稳，能减少水泵、冲击器及高压管路等零件损坏.
同时，由于冲锤与铁砧相接触而又封闭了液流通向 孔底的通路，液压开始上升，当上升到一定值再次 作用于冲锤使其上行，开始第二个工作周期。
2020/11/22
第二节 液动和气动冲击器
岩土钻掘工程学
反作用冲击器的主要特点： (1)对冲洗液的适应能力较强； (2)可获得较大的单次冲击功； (3)冲击器内部的压力损失较小，效率较高。
气动冲击器(风动潜孔锤) 以压缩空气驱动。由于单次冲击功 大，上返岩屑风速高，钻进效率可比液动冲击器高2~3倍。 近年来出现了贯通式冲击器、跟管钻进、成集束式潜孔锤 用于大口径钻进 、潜孔锤解卡、起拔套管等。钻孔深度从 埋线杆孔2.3m——油气井1000m以上。
2020/11/22
第二节 液动和气动冲击器
冲锤活塞上、下面积不同产生压差使其向上 移动；当冲锤上行到与活阀接合时，通道d1 被关闭，冲锤与活阀一起急速下行，当下行h 时，活阀被支撑座4限止，冲锤与活阀分离， 借助惯性继续下行到s时，冲击砧子9；
由于冲锤中心通道被打开，液流恢复循环， 在液流压力作用下，活阀与冲锤急剧上行， 周而复始。
2020/11/22
岩土钻掘工程学
一、液动冲击器
液动冲击器根据结构不同可分为: 阀式液动冲击器
又可分为: (1) 正作用阀式液动冲击器; (2) 反作用阀式液动冲击器; (3) 双作用阀式液动冲击器.
无阀式液动冲击器 又可分为: (1) 射流式液动冲击器; (2) 射吸式液动冲击器。
2020/11/22
第二节 液动和气动冲击器
岩土钻掘工程学
冲击回转钻进的核心部件是冲击器，根据驱动介质类型可分 为液动冲击器和气动冲击器。
液动冲击器以高压水或泥浆驱动，对中硬以上岩石比单纯 回转钻进有明显优势，还可与绳索取心相结合。广泛用于 地质钻探、水文水井、工程施工 、石油钻井等领域。但由 于自身冲击能较小，故钻进效果仍低于气动冲击器。
上部，推活塞下行，冲锤冲击砧。 在C输出高压水的同时，有一小股高压液流(反馈信
号)进入D控制孔。在活塞行程末了时，反馈信号很 强，促使射流由C切换到E输出，高压液流由左通道 输出，进入下腔，推动活塞向上。 活塞上行时，反馈信号又回到F，射流又切换到右 输出通道。如此反复循环，实现冲锤的冲击动作。
岩土钻掘工程学
1.阀式液动冲击器
1.1 正作用冲击器
液体压力推动冲锤下行冲击，弹簧力复位—“正 作用” 。
冲锤5在簧6作用下处上位，中孔被活阀4盖住， 液流瞬间被阻，液压↑产生水锤。冲锤和活阀 一同下行，压缩阀簧3和锤簧；活阀下行时被阀 座9限制与冲锤脱开，液流经中心孔流向孔底， 液压↓，活阀在阀簧作用下返位；冲锤在动能 作用下利用惯性继续运行，冲击铁砧7，冲击能 量经铁砧→岩心管接头→钻头。
冲锤在锤簧力作用下弹回再次与活阀接触。
2020/11/22
第二节 液动和气动冲击器
岩土钻掘工程学
其主要特点：
(1)正作用冲击器结构简单，性能稳定，调 试容易。
(2)冲击器中弹簧的反作用要消耗一部分能 量，抵消了很大一部分高压液流所产生 的冲击力。
(3)弹簧在1500次／min或更高的循环压缩、 伸张下，容易损坏。
2020/11/22
第二节 液动和气动冲击器
岩土钻掘工程学
2.2 射吸式液动冲击器
利用液流高速喷射时产生的卷吸作用及阀与冲锤间压力与位移的综合反 馈关系，通过阀与冲锤、活塞上腔与下腔液流压力差的正负交换而使冲 锤反复运动。
主要特点:
（1）结构简单、零件少、 无易损弹簧，工作寿 命较长。
第二节 液动和气动冲击器
其主要特点： （1）双作用液动冲击器的液流能利用率
较大； （2）结构比较复杂，部分零件磨损较快
等缺点。
岩土钻掘工程学
2020/11/22
第二节 液动和气动冲击器
2.无阀冲击器
2.1 射流式冲击器
双稳射流元件控制的液动冲击钻具。 高压水射流从喷嘴喷出产生附壁作用。 若先附于右壁，高压液流则流入通道C并进入缸体
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1.3 双作用冲击器
冲锤正冲程和反冲程均பைடு நூலகம்液体压力推动。
钻具自重使活接头f压紧到外套g处，工作腔d 的液流分别作用在活阀2和塔形冲锤6上，由 活阀上下端的压差使活阀上移到最上位置；
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第二节 液动和气动冲击器
岩土钻掘工程学
1.2 反作用冲击器
利用高压液流推动冲锤上行，压缩工作弹簧储存能 量，经弹簧释能作功。
高压液流进入，由于水路封闭当冲锤上下端压力差 超过弹簧1的压缩力和冲锤本身质量时，迫使冲锤 上行，并压缩工作弹簧储存能量；同时，铁砧4的 水路被逐步打开，高压液流流向孔底，液压下降， 冲锤利用惯性继续上行到上死点时，冲锤利用自身 质量和工作弹簧的弹力使冲锤急速向下冲击铁砧。
冲击回转钻进最适用于粗颗粒的不均质岩层，在可钻性 Ⅵ～Ⅷ级，部分Ⅸ级的岩石中，钻进效果尤为突出。
冲击回转钻进不仅应用于硬质合金钻进，还应用于金刚石 钻进及牙轮钻进。
冲击回转钻进不仅可提高效率和钻头寿命，而且还可解决 “堵心” 、“打滑”、“防斜”等问题。
在岩土工程的大口径施工中也有用武之地。
第一节 概述
岩土钻掘工程学
第六章 冲击回转钻进与冲击、振动钻进
1、概述； 2、液体和气动冲击器； 3、冲击回转钻进用钻头; 4、冲击回转钻进工艺; 5、钢丝绳冲击钻进及振动钻进工艺.
2020/11/22
第一节 概述
国家精品课程
岩土钻掘工程学
冲击回转钻进是在钻头已承受一定静载荷的基础上，以纵 向冲击力和回转切削力共同破碎岩石的钻进方法。与常规回 转钻进法相比，冲击回转钻进只要用不大的冲击力，便可以 达到破碎坚硬岩石的效果。
岩土钻掘工程学
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第二节 液动和气动冲击器
岩土钻掘工程学
主要特点: 1)结构简单易操作； 2)无弹簧及配水活 阀等零件，寿命较长； 3)能量利用率较高； 4）工作时不易堵水 较好预防烧钻及蹩泵 等事故； 5）钻进中产生的高压水锤波比阀式冲击器小，钻具工作较平
稳，能减少水泵、冲击器及高压管路等零件损坏.
同时，由于冲锤与铁砧相接触而又封闭了液流通向 孔底的通路，液压开始上升，当上升到一定值再次 作用于冲锤使其上行，开始第二个工作周期。
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第二节 液动和气动冲击器
岩土钻掘工程学
反作用冲击器的主要特点： (1)对冲洗液的适应能力较强； (2)可获得较大的单次冲击功； (3)冲击器内部的压力损失较小，效率较高。
气动冲击器(风动潜孔锤) 以压缩空气驱动。由于单次冲击功 大，上返岩屑风速高，钻进效率可比液动冲击器高2~3倍。 近年来出现了贯通式冲击器、跟管钻进、成集束式潜孔锤 用于大口径钻进 、潜孔锤解卡、起拔套管等。钻孔深度从 埋线杆孔2.3m——油气井1000m以上。
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第二节 液动和气动冲击器
冲锤活塞上、下面积不同产生压差使其向上 移动；当冲锤上行到与活阀接合时，通道d1 被关闭，冲锤与活阀一起急速下行，当下行h 时，活阀被支撑座4限止，冲锤与活阀分离， 借助惯性继续下行到s时，冲击砧子9；
由于冲锤中心通道被打开，液流恢复循环， 在液流压力作用下，活阀与冲锤急剧上行， 周而复始。
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一、液动冲击器
液动冲击器根据结构不同可分为: 阀式液动冲击器
又可分为: (1) 正作用阀式液动冲击器; (2) 反作用阀式液动冲击器; (3) 双作用阀式液动冲击器.
无阀式液动冲击器 又可分为: (1) 射流式液动冲击器; (2) 射吸式液动冲击器。
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第二节 液动和气动冲击器
岩土钻掘工程学
冲击回转钻进的核心部件是冲击器，根据驱动介质类型可分 为液动冲击器和气动冲击器。
液动冲击器以高压水或泥浆驱动，对中硬以上岩石比单纯 回转钻进有明显优势，还可与绳索取心相结合。广泛用于 地质钻探、水文水井、工程施工 、石油钻井等领域。但由 于自身冲击能较小，故钻进效果仍低于气动冲击器。
上部，推活塞下行，冲锤冲击砧。 在C输出高压水的同时，有一小股高压液流(反馈信
号)进入D控制孔。在活塞行程末了时，反馈信号很 强，促使射流由C切换到E输出，高压液流由左通道 输出，进入下腔，推动活塞向上。 活塞上行时，反馈信号又回到F，射流又切换到右 输出通道。如此反复循环，实现冲锤的冲击动作。
岩土钻掘工程学
1.阀式液动冲击器
1.1 正作用冲击器
液体压力推动冲锤下行冲击，弹簧力复位—“正 作用” 。
冲锤5在簧6作用下处上位，中孔被活阀4盖住， 液流瞬间被阻，液压↑产生水锤。冲锤和活阀 一同下行，压缩阀簧3和锤簧；活阀下行时被阀 座9限制与冲锤脱开，液流经中心孔流向孔底， 液压↓，活阀在阀簧作用下返位；冲锤在动能 作用下利用惯性继续运行，冲击铁砧7，冲击能 量经铁砧→岩心管接头→钻头。
冲锤在锤簧力作用下弹回再次与活阀接触。
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第二节 液动和气动冲击器
岩土钻掘工程学
其主要特点：
(1)正作用冲击器结构简单，性能稳定，调 试容易。
(2)冲击器中弹簧的反作用要消耗一部分能 量，抵消了很大一部分高压液流所产生 的冲击力。
(3)弹簧在1500次／min或更高的循环压缩、 伸张下，容易损坏。
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第二节 液动和气动冲击器
岩土钻掘工程学
2.2 射吸式液动冲击器
利用液流高速喷射时产生的卷吸作用及阀与冲锤间压力与位移的综合反 馈关系，通过阀与冲锤、活塞上腔与下腔液流压力差的正负交换而使冲 锤反复运动。
主要特点:
（1）结构简单、零件少、 无易损弹簧，工作寿 命较长。
第二节 液动和气动冲击器
其主要特点： （1）双作用液动冲击器的液流能利用率
较大； （2）结构比较复杂，部分零件磨损较快
等缺点。
岩土钻掘工程学
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第二节 液动和气动冲击器
2.无阀冲击器
2.1 射流式冲击器
双稳射流元件控制的液动冲击钻具。 高压水射流从喷嘴喷出产生附壁作用。 若先附于右壁，高压液流则流入通道C并进入缸体