钻孔灌浆设备

1第二章钻孔灌浆设备第一节钻孔设备1钻孔设备的一般配置灌浆工程的钻孔设备包括钻机和钻进工具。钻进工具是指水龙头以下与其连接组成的全套工具。不同的钻进方法机具配置不完全相同。图2.1-1为回转式岩芯钻机主要设备布置及钻具结构示意图。本节介绍水利水电工程中常用的钻机和主要钻孔工具。（a）（b）（c）（d）图2.1-1回转式岩芯钻机主要设备布置及钻具结构示意图a-金刚石钻进的钻具；b-硬质合金钻进的钻具；c-全断面钻进的钻具；d-钢粒钻进的钻具；1-钻机；2-动力机；3-水泵或泥浆泵；4-钻塔；5-钢丝绳；6-水龙头；7-送水管；8-吸水管；9-水箱；10-主动钻杆；11-套管；12-钻杆接箍；13-钻杆；14-钻杆锁接头；15-沉淀管；16-沉淀管接头；17-岩芯管；18-钻里钻头；19-钻铤；20-钻铤接箍；21-钻铤锁接头；22-岩芯管接头；23-扩孔器；24-金刚石钻头；25-全断面钻头；26-硬质合金钻头22钻机2.1钻机的功能钻机是造孔的专用设备，其基本功能是以机械动力带动钻机，以回转、冲击、振动或冲击回转等方式在地壳中钻进成孔。2.2钻机的结构原理目前，水利水电钻探灌浆主要应用油压给进式立轴钻机和转盘钻机。其基本组成可概括为“三大机构”、“两大系统”，即：回转机构、给进机构、升降机构；机械传动系统和液压传动系统。2.2.1机械传动系统机械传动系统是将输入的动力经变速、变向、变矩分配给回转、升降机构。其作用有三：①变速变矩；②分配动力；③改变运动形式和换向。该系统主要包括联轴节、离合器、变速箱和分动箱。2.2.2液压传动系统液压传动系统是利用油泵输出的压力油液驱动油马达、油缸等液动机构，以使立轴回转和控制给进机构、移动钻机、松紧卡盘及拧卸钻杆等。该系统主要包括：动力机构、操纵机构、执行机构及辅助装置。动力机构——油泵或称能力转换器，由它供给油路系统的压力油，作为整个液压系统工作的动力源。常用的油泵有齿轮泵、叶片泵与柱塞泵等。操纵机构——又称控制、调节装置。它包括：调整压力的压力阀（溢流阀、减压阀等）；调节速度的节流阀；变换方向的换向阀等各种不同的阀类。执行机构——又称液动机，它包括实现往复运动的各种型式的油缸及旋转运动的油马达等。辅助装置——包括油箱、油管、油接头、滤油器及控制仪表等。2.2.3回转机构回转机构是回转钻具，带动钻头破碎孔底岩石。油压给进、机械传动式钻机的回转机构有立轴式回转器和转盘式回转器。2.2.3.1立轴式回转器的组成、结构型式及特点立轴式回转器的结构见图2-1-2。它主要由箱体、变角装置、横轴、锥齿轮付、立轴导管、立轴及卡盘等组成。其中立轴与卡盘，除传递回转运动外，还通过油缸与横梁带动钻具上下运动。立轴式回转器具有下列特点：（1）立轴式回转器与给进系统在结构上紧密联系，构成一个独立的部件。回转和给进运动通过立轴与卡盘传至钻具。（2）回转器的变角范围大，导向性能好，适于钻进任何倾角的钻孔。3（3）立轴通孔较小，升降钻具时，回转器必须让开孔口。让开方式主要有后移式和开合式。（4）回转器的锥齿轮传动比较小。（5）回转器本身不能拧卸钻具，需另配拧管机。（6）回转器的结构复杂，制造工艺要求较高。2.2.3.2转盘式回转器的组成、结构型式及特点转盘就是转盘式钻机的回转器。转盘有两种结构型式：一种是心管定位式，另一种是壳体定位式。前者应用较为广泛。转盘的组成和基本结构见图2-1-3。它由横轴、锥齿轮付、转盘、转柱、回转梁、卡筒、心管及箱体和机座等组成。转盘具有下列特点：（1）转盘直接安装在孔口处的机座上，其重心低、强度大、稳定性好。（2）锥齿轮付传动比较大。（3）转盘可以完成拧卸钻具任务，不必另配拧管机。（4）一般转盘通孔都较大，升降钻具可不让开孔口。（5）转盘的变角范围较小，一般为60°～90°。（6）卡盘中心与转盘中心的同心度很难保证。（7）转盘结构简单，加工制造较方便。2.2.3.3给进机构给进机构是调整破碎岩石所需要的轴向压力和控制给进速度。目前，机械传动式钻机采用的给进机构有油压给进和手动机械给进两类。图2-1-3转盘结构示意图1—链轮；2—横轴；3—轴承；4—轴颈；6—轴承座；7—主动锥齿轮；8—轴承；9—心管；10—套轴；11—从动锥齿轮；12—转盘；13—转柱；14—回转梁；15—卡筒；16—螺钉；17—变速部分；18—机座；19—箱体。图2-1-2立轴式回转器结构示意图1—横轴（或半轴）；2—主动伞齿轮；3—轴承；4—变速箱外壳；5—变角装置；6—回转器外壳；7—轴承；8—下压盖；9—立轴导管；10—立轴；11—被动伞齿轮；12—下卡盘；13—上卡盘；14—横梁；15—活塞杆；16—油缸；17—活塞。4手动机械给进机构有手轮（把）给进、钢绳给进、主动钻杆给进与螺旋差动给进等形式。有的钻机还具有双重给进机构，如XJ-100型钻机既有手动给进机构，又有蜗轮蜗杆——齿筒式和机械给进机构。液压给进是一种先进的给进方式，通过操纵液压控制阀，来调整轴向压力和给进速度，实现加压钻进、减压钻进和快速倒杆。它除完成给进系统的功能外，还可完成松紧卡盘工作。2.2.3.4升降机构升降机构是用以完成钻具、套管和附属工具的升降工作。升降机构的主要工作件是升降机，它主要由传动系统、卷筒和制动器组成。目前，常用的钻机均采用行星轮系传动式升降机，习惯称游星式升降机。（1）游星式升降机的结构：我国钻进绝大多数采用卷筒与内齿圈固定的定轴轮系传动型游星式升降机，其传动系统结构见图2-1-4。（2）游星式升降机的工作原理与操纵状况：升降机工作原理示意图见图2-1-5。提升：升降机接受动力后，中心轮处于转动状态，扳下提升抱闸手把，同时松开制动图2-1-4游星式升降机结构示意图1—升降机轴；2—升降机传动齿轮；3—中心轮Za；4—游星轮轴；5—游星轮Zg；6—内齿圈Zb；7—卷筒；8—提升抱闸；9—制动抱闸；10—游星架图2-1-5行星式升降机工作原理示意图（a）提升（b）制动（c）下降1—中心齿轮；2—行星齿轮；3—齿圈；4—支架5抱闸，提升抱闸闸住，提升制圈及行星齿轮的支架等，此时，行星齿轮在中心齿轮带动下只能自转并带动齿圈转动，卷筒就缠绕钢绳进行提升。制动：扳下制动抱闸、刹住下降制圈，同时松开提升抱闸，卷筒、内齿圈被闸住不转，钻具停止升降。由于中心齿轮继续转动，故在齿圈及中心齿轮的影响下，行星齿轮构成的“转动体”转动，行星齿轮既自转又公转，转动方向和速度是固定的。下降：提升和制动抱闸都处于松开状态，在钻具自重作用下，卷筒反转，放松钢丝绳，下降钻具。2.3钻机的种类与选择应根据施工环境、岩石性质、钻孔深度、钻孔方向、钻孔直径和灌浆方法等因素选择高效率的钻孔方法和钻机。2.3.1回转式钻机回转式钻机是目前使用最多的一种钻孔设备。按其回转机构的不同，回转式钻机分为立轴式、转盘式和动力头式三种。其中立轴式又分为手把式、液压式、螺旋差动式和全液压式四种。其中，立轴式液压钻机由于分档较多，转速高，机体较轻，操作简便、能耗较低，是我国帷幕灌浆钻孔的主要设备，这种钻机按其钻进能力分为100米、300米、500（600）米、1000米，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四种规格，在灌浆工程中四种规格的钻机都有应用，但应用较多的还是Ⅰ、Ⅱ型轻型钻机。我国许多钻探机械厂都能生产各种规格的不同型号的立轴式液压钻机，表2-1-1为部分国产钻机型号和主要性能。我国一直也从国外进口一些回转式钻机，但数量不多，使用不很广。表2-1-1灌浆工程常用的部分回转钻机型号和规格性能钻机型号钻孔深度（m）钻孔直径（mm）钻孔倾角（°）转速（r/min）配备动力（kW）主机重量（kg）制造商XY-1A18015090～75140～101011500北京探矿机械厂XY-110075～11090～75142～5708.8500DK-15015036～590-360135～12897.5600XY-230056～3000-9065～117222950重庆探矿机械厂XY-2PC15056～1500-9081～119011650GX-ITD15075～1500-9090～60011500GX-5010075～1500-9099～3787.5360SGZ-1A15075～1100～36095～100011690杭州钻机制造厂SGZ-ⅢA30075～1300～360129～120018.5920HXY-110048～1500-90145～60011500合肥探矿机械厂GXY-1A20046～1500-36061～65411650无锡探矿机械厂HT-150A15056～1100～36083～85411380衡阳探矿机械厂HY-1A10050～1100～360142～57011750注：主机重量有的不含动力机，有的包含。62.3.2冲击回转式钻机冲击回转式钻机是以回转式钻机为基础，在钻头上部连接一个专门的冲击器（也称潜孔锤），在钻进中钻机提供一定的轴向压力和回转力矩，冲击器给钻具一定频率的冲击能量，在孔底以冲击和回转切削的共同作用破岩钻进的一种机械。按使用动力的不同，常用的冲击器有风动式和液动式。与回转钻进相比，它钻孔速度快，机动灵活，钻孔费用较低。冲击回转式钻机的种类较多，灌浆工程中常用的型号及其性能见表2-1-2。表2-1-2部分冲击回转钻机型号及性能表钻机型号钻孔深度（m）钻孔直径（mm）钻孔倾角（°）转速（r/min）配备动力（kW）主机重量（kg）制造商QDG-2-150120～30012015～132303700北京探矿机械厂GZ-1508073～1500～9010～144372000QDG-125150～20020～9025～130111000DK－15010036～590～360135～12907.5300北京风动机械厂MGJ-506050～700～18026～4811720重庆探矿机械厂MGY-100100100～20020～1106～162373000MD-305065～1300～9011～11815无锡探矿机械厂MD-5050110～150－10～9020～16718.5590MD-100100110～2000～9011～212373460JMZ-15030～5080～150-10～90山东地质探矿机械厂MK-275750~9010~1557.5550煤科院西安钻探研究所MK-4200750~9010~300221100SM系列60～3150～3600～46375～1109000～10500意大利soilmecKlemm802系列1502540～9080.5～1148500～21000德国宝峨公司Mustang系列★30～100阿特拉斯-柯普柯注：主机重量有的不含动力机，有的包含。2.3.3冲击式钻机冲击式钻机（凿岩机）在灌浆工程中多用于回填灌浆、固结（浅孔）灌浆和衔接帷幕灌浆的钻孔。虽然冲击钻机的钎杆也须作回转运动，但这种转动并不是在打击钎杆时发生，钎头刃在冲击破碎岩石时并不转动，是一种纯冲击式钻机。在施工中常用的冲击钻机有手提式凿岩机、气腿式凿岩机（轻型、重型）等。72.4钻机的维护保养钻机是钻探灌浆的重要设备，只有通过正常的维护和保养，才能使钻机延长使用寿命和保持良好的工作状况。2.4.1钻机的维护2.4.1.1开动前的检查与维护（1）检查变速箱、回转器、减速箱、液压油箱等的油量是否适当。（2）检查制动装置、离合器、锁紧装置和分动机构等的作用是否可靠，必要时进行调整。（3）在开车试运转中，注意检查仪表是否灵敏可靠。2.4.1.2运转中的操作与维护（1）挂档变速前，先要扳开离合器。（2）操作离合器时，必须轻匀、平稳。（3）使用卷扬机时，严禁将升降手把和制动手把同时闸紧。（4）在钻进过程中，随时注意轴承、齿轮传动力等有无冲击声；温度是否超过烫手温度（60℃）。若发现问题应及时处理。2.4.2钻机的保养钻机的保养作业按以下要求进行。2.4.2.1每班保养（1）将机器外表洗擦干净，注意保持底座滑道、立轴、导向杆的滑动面清洁和良好的润滑状态。（2）紧固外表所有起固定作用的螺钉