一种基于水平定向钻的模型试验装置

张晟斌, 刘继国, 2, 刘夏临 ,2, *, 舒 恒, 2, 程 勇, 赵 强, 马保松

(1. 中交第二公路勘察设计研究院有限公司, 湖北 武汉 430056; 2. 中交集团隧道与地下空间工程技术研发中心, 湖北 武汉 430056; 3. 中山大学, 广东 珠海 519082)

0 引言

采用水平定向钻对隧道进行地质勘察时,由于勘察距离相对较长,且全孔取芯技术效率较低。故为了在保证隧道勘察精度的前提下提高勘察效率,目前水平定向钻技术对隧道进行地质勘察主要采用三牙轮钻头全断面破碎钻进结合非连续提钻取芯的勘察方法。基于此,通过模型试验的方法,探究钻进参数与岩石物理力学性质间的相互变化关系,可为水平定向钻勘察孔围岩质量评价提供可靠的数据支撑。

在数字钻进试验装置设计方面,国内外学者做了大量研究。王玉杰等[1]利用自主研发的多功能数字钻进测试系统提出单位体积研磨能与单轴抗压强度之间的关系式,得到钻进参数与岩石强度之间的关系模型(RDP-Rc); 该试验系统主要包括伺服司钻系统、气压加载系统以及数据检测采集系统3部分,可采集试验中的钻进压力、钻头转矩、钻进速度和转速等参数。Yaar等[2]采用取芯钻进试验系统探究钻进参数与岩石单轴抗压强度之间的变化关系,得出钻进速度随着钻进压力的增大而增大,随着砂浆单轴抗压强度的增大而减小,并提出比能(单位时间内钻压和转矩破碎单位岩石所消耗的机械能大小)与砂浆单轴抗压强度之间的经验关系式; 该试验钻机旋转动力由电机驱动,利用压力传感器、转速表与位移传感器测量取芯钻进过程中的进尺、钻速、转矩和钻压等参数。岳中琦[3]和Wang等[4]研发了一台能够自动且连续记录和监测钻进参数的钻孔过程数字监测仪,包含距离传感器、转动传感器、高压空气流驱动力传感器和数据处理单元,应用于20多个施工和勘察场地的钻孔数据的监测工作,可为工程岩体质量评价提供更直接有效的数据。周宏源[5]采用数字钻探模型试验装置分析含水率、压实度对钻进力学响应量和强度参数影响规律,建立了钻进响力学与岩土体强度参数间的量化关系数学模型,该装置包括地下隐伏病害微损旋压触探系统和三维柔性边界加载系统,可实时采集钻进过程中的钻头转矩、转速、推进力和进尺速度等参数。刘正好[6]采用多功能智能钻进感知装置开展三轴加载下的掩体室内钻进测试,揭示岩石参数、地应力大小对岩石钻进参数的影响规律; 该试验装置由伺服钻进系统、真三轴加载装置、监测控制系统3部分组成,可实时测量钻头的钻压、转矩、转速和钻进速度等参数。陈祖军等[7]采用西安理工大学岩土所研发的XCY-1型岩体力学参数数字钻系统,建立钻进过程中机-岩相互作用的数学模型,提出了一种基于数字钻技术的岩石主要强度参数解析方法,该钻进系统主要由电气控制系统、液压系统、油泵传动系统、实时监测系统和数据采集控制系统组成,可实时记录钻进过程中的钻进参数。

以上学者研发的试验装置大多针对垂直钻探或水平超前预报,其工作原理与水平定向钻均不相同。但现场施工过程中影响水平定向钻钻进效率的因素有很多,且在实际钻进过程中有多种因素(如钻压、转矩、围岩强度、节理裂隙等)同时影响水平定向钻的破岩钻进过程,因此,无法查明单一因素(如钻压、岩石强度等)对钻进效率的影响规律。本文针对水平定向钻技术用于隧道地质勘察方向,自主研发了水平定向钻进模型试验装置,该装置包括钻进动力系统、旋转动力系统、参数测量系统,其中动力系统主要由液动螺杆马达和液压油缸共同驱动,该装置既保留了水平定向钻的工作特性,又可实时测量试验中的钻进压力、钻进速度、钻头转矩和转速等参数,以研究钻进参数与岩石强度之间的相互变化关系。

1 水平定向钻钻进试验系统设计

1.1 水平定向钻钻进试验系统简介

水平定向钻钻进参数与岩石强度相关性模型试验系统如图1所示,该装置包括钻进压力动力系统、旋转动力系统和参数测量系统。钻进动力系统包括液压油缸、液压系统、岩石箱和导轨; 旋转动力系统包括BW250型号泥浆泵、液动螺杆马达及三牙轮钻头; 参数测量系统包括拉线式位移传感器、压力传感器、动态转矩传感器、液压表和涡轮流量计。其中,拉线式位移传感器固定在液压油缸前端外表面,拉线头固定在液压油缸前端的法兰上,用于测量油缸伸缩的位移大小; 压力传感器用螺钉固定在液压油缸和岩石箱之间,用于实时测量液压油缸顶进力的大小; 动态转矩传感器连接在液动螺杆马达和钻头短节之间,用于测量液动螺杆马达工作中的转速和三牙轮钻头破碎岩石时产生的转矩; 液压表和涡轮流量计安装在高压水管中,用于测量试验中水的压力与流量。

图1 试验系统示意图

该试验系统的工作原理: 首先,调节BW250泥浆泵,通过观察液压表和涡轮流量计,使高压水管内的水流量及压力在液动螺杆马达正常工作范围内,保证液动螺杆马达正常工作; 然后,将液动螺杆马达固定在试验架上,使液动螺杆马达转子仅正常旋转而不做水平移动; 最后,控制油缸液压系统,使岩石箱在油缸推力作用下缓慢匀速地向前移动,在液动螺杆马达提供的旋转动力作用下,三牙轮钻头缓慢破碎岩石并形成钻孔。

试验过程中,液压系统和液压油缸为三牙轮钻头提供水平顶进力; 液动螺杆马达为试验系统中破碎岩石的三牙轮钻头提供转矩与转速。水箱内的清水通过BW250泥浆泵增压后,顺着高压水管流入液动螺杆马达中,最后从三牙轮钻头喷嘴中流出。该试验中的高压水既可保证螺杆马达正常工作,又起到冷却钻头和冲刷钻孔岩屑的作用。拉线式位移传感器、压力传感器、动态转矩传感器、水压力计、涡轮流量计分别用于测量试验过程中的位移、钻进压力、转矩、转速、水的压力与流量。

1.2 试验设备与砂浆试件制备

1.2.1 试验系统设备

试验系统主要由钻进压力动力系统(见图2)、旋转动力系统(见图3)和参数测量系统(见图4)3部分组成。

(a) 液压系统

(a) BW250型泥浆泵

(a) 拉线式位移传感器

1)钻进压力动力系统包括液压系统(见图2(a))、液压油缸(见图2(b))、岩石箱(见图2(c))和导轨(见图2(d))。其中,液压系统工作功率为1.5 kW,额定压力为16 MPa,在液压系统电磁换向阀部位安装溢流阀和节流阀,试验中可通过溢流阀来控制液压油缸的顶进力,采用节流阀控制液压系统的顶进速度;法兰式液压油缸行程为800 mm,顶进力为50 kN;岩石箱尺寸为40 cm×40 cm×60 cm(长×宽×高),左右侧面各有9个螺孔,用于固定岩石;导轨长度为2 m,基本动额定负荷为77.57 kN,基本静额定负荷为102.71 kN。

2)旋转动力系统包括泥浆泵(见图3(a))、液动螺杆马达(见图3(b))、中空短节(见图3(c))、三牙轮钻头(见图3(d))。其中,BW250型号泥浆泵为卧式三缸往复单作用活塞泵,适用于深度1 500 m以内的钻机,且泵的机构内设置有变速箱可调节其转动速度,实时调节泵的排量和压力,以适应孔底钻具工作状态,钻探人员也可根据泥浆泵的压力和排量情况判别孔内钻具是否正常工作。BW250型泥浆泵的技术参数主要参数如表1所示。图3(b)中的直螺杆主要技术参数如表2所示。

表1 BW250型泥浆泵主要技术参数

表2 试验用液动螺杆马达参数

3)参数测量系统包括拉线式位移传感器(见图4(a))、压力传感器(见图4(b))、动态转矩传感器(见图4(c))、液压表(见图4(d))、涡轮流量计(见图4(e))和无纸记录仪(见图4(f))。其中,拉线式位移传感器最大量程800 mm,输出信号为4～20 mA电流信号;压力传感器采用轮辐式重力测重传感器,额定量程为5 t,输出信号为4～20 mA电流信号;动态转矩传感器可同时测量螺杆转速和三牙轮钻头转矩2个参数,量程为0～800 N·m,以脉冲方波标准信号形式输出,并有相应的信号采集仪表,以15次/s的频率对试验数据进行采集;LCD液晶显示液压表,量程为0～10 MPa,并以4～20 mA电流信号输出DN40涡轮流量计,可测流量范围1～20 m3/h,螺纹安装,标准耐压等级为6.3 MPa,以4～20 mA电流信号输出;本次试验采用无纸记录仪收集试验数据,可收集电流、电压、RS485等信号,其中位移、钻进压力、泥浆循环系统压力和流量4个参数每秒采集1次,而钻头的转速和转矩数据每秒采集15次左右。

1.2.2 水平定向钻孔底钻具动力原理

由于液动螺杆马达是水平定向钻用于隧道地质勘察的孔底动力来源,因此在分析钻进参数与岩石强度之间的变化关系时,应首先了解螺杆的工作原理。如图5所示,液动螺杆马达主要由传动轴总成、万向轴总成、马达总成、防掉总成和旁通阀总成5部分组成[8-9]。

图5 螺杆马达结构示意图

螺杆马达在工作过程中满足能量守恒,即单位时间内输入的水力能等于输出的机械能[10],表达式为:

MTωT=ΔpQ。

(1)

式中:MT为液动螺杆马达的理论转矩;ωT为液动螺杆马达理论角速度; Δp为液动螺杆马达进出口压降;Q为流经液动螺杆马达的流量(即排量)。

钻头的理论转速与理论角速度之间的定量关系为:

(2)

(3)

式(2)—(3)中:nT为钻头的理论转速,即马达的输出转速;q为马达的每转排量。

联立式(1)—(3),可得:

(4)

NT=ΔpQ。

(5)

式(5)中NT为理论功率。

从式(4)—(5)可以看出,液动螺杆马达的理论转矩MT和钻头的理论转速nT是2个相互独立的参数,钻头的理论转速nT仅与马达本身的结构以及排量Q有关,液动螺杆马达理论转矩MT与马达本身的结构及进出口压降Δp有关。

1.2.3 试验样品制备

为了验证该试验系统的可行性,采用6块尺寸为300 mm×300 mm×600 mm(长×宽×高)、强度等级为M15的长方体砂浆试块。根据JGJ 98—2010《砌筑砂浆配合比设计规程》、JGJ 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》中的不同强度水泥砂浆配合比方案,考虑大块砂浆难以养护的问题,采用32.5 MPa水泥,水泥、河砂与水的质量配比为1∶4∶0.7,最终各试块的具体强度以室内单轴抗压强度试验结果为准。6块砂浆试块(A-1至A-6)的具体物理力学参数见表3。

表3 A-1至A-6砂浆试块的基本物理力学参数

2 试验方案与步骤

2.1 试验方案

试验中制作6块强度等级为M15、尺寸为300 mm×300 mm×600 mm(长×宽×高)的长方体砂浆试块,钻进不同砂浆试块时,通过调节液压油缸系统,增加不同砂浆试验中钻进压力值,分析不同钻进压力对水平定向钻钻进速度、转矩、转速、系统水压力和水流量的影响规律。

2.2 试验步骤

1)试验系统检测。打开BW250型泥浆泵档位调至A2-B3,工作流量为250 L/min、水压为2.5 MPa,测试液动螺杆马达是否正常工作;调节液压系统使液压油缸推动岩石箱缓慢往前移动,同时检测拉线式位移传感器、轮辐式重力传感器、动态转矩传感器、液压表和涡轮流量计及参数采集仪是否正常,正常工作后将试验系统全部关闭。

2)将岩石试块固定在岩石箱。将岩石切割成300 mm×300 mm×600 mm(长×宽×高)的长方体,放入400 mm×400 mm ×600 mm(长×宽×高)的岩石箱内,在岩石两侧放入2块钢板,并用岩石箱侧面的螺钉固定。其中,应将岩石300 mm×300 mm(长×高)的那面对准牙轮钻头。

3)打开旋转动力系统。打开BW250型泥浆泵,并将档位调至A2-B3,检查动态转矩传感器、液压表和涡轮流量计是否正常显示。

4)调整油缸推进速度。打开液压系统,通过调节液压系统中的节流阀和泄压阀,将液压油缸推进速度调整到预定值大小,并将岩石缓慢匀速往前推动,在此过程中检查拉线式位移传感器、轮辐式重力传感器是否正常。

5)查看无纸记录仪,记录岩石与钻头开始接触时的位移数据。

6)控制试验钻孔深度。保持岩石匀速前进,在三牙轮钻头破碎岩石过程中,时刻关注无纸记录仪位移数据,当钻孔深度达到预定值大小时,关闭液压系统和BW250型泥浆泵。

7)减小钻进压力因摩擦所产生的误差。调节液压系统的电磁换向阀,使岩石后退至初始位置,再次调节电磁换向阀,使液压油缸按照试验时的速度推进至钻孔底部与三牙轮钻头接触位置,记录往前推进过程中的钻进压力数据,此时的钻进压力数据为油缸推动岩石箱与岩石时所产生的摩擦力值。

8)将岩石取出,换1块岩石,重新调节液压系统节流阀和泄压阀,改变液压油缸的推进速度继续试验。

9)重复步骤2)—8)直至试验结束。

10)导出并处理数据。

3 试验结果分析

3.1 钻进成果

本次试验共钻进6块强度等级为M15的砂浆试块,钻进深度为400～500 mm,施加的钻进压力平均值依次为5.14、2.98、12.24、5.59、8.3、10.05 kN。其中,图6(a)为三牙轮钻头的钻孔,图6(b)为试验后的6块砂浆试块。

(a) 三牙轮钻头钻孔

3.2 不同钻压条件下钻进参数的相互变化关系

3.2.1 钻进参数随钻进深度变化关系

为了分析水平定向钻钻进压力对转矩、转速、水压力、水流量和钻进速度的影响,本次试验采用6块强度等级为M15的砂浆试块。经试验测试可知6块砂装试块的单轴抗压强度分别为: 10.8、12.39、15.13、9.51、8.77、10.32 MPa。试验中改变每块砂浆的钻进压力,从中观察各参数之间的变化规律。得出钻进压力、转速、转矩、钻进速度、水压力和水流量随钻进深度的变化关系如图7所示。

(a) 钻进压力随钻进深度的变化关系

由图7可以看出,随着三牙轮钻头从刚接触到完全钻进砂浆试块中,各钻进参数随钻进深度的变化会先急剧变化,然后再稳定钻进。由于不同砂浆试块的钻进压力不同,导致不同砂浆试块的各钻进参数也发生相应的变化。由于试验过程中钻头的转速与系统水流量变化范围较小,所以图7(b)与图7(f)的相互变化曲线没有明显层次感,本次试验中的钻头转速变化在158～163 r/min,水流量变化在15.6～16.0 m3/h。6块砂浆试块稳定钻进后各钻进参数平均值如表4所示。

表4 A-1至A-6砂浆试块各钻进参数平均值

3.2.2 各钻进参数之间的变化关系

根据表4中6块砂浆试块钻进参数的平均值,分别绘制如图8所示的砂浆试块A-1至A-6各钻进参数之间的相互变化关系散点图。

(a) 钻进速度随钻进压力的变化关系

由图8(a)和图8(b)可知,在砂浆试块单轴抗压强度相近的条件下,水平定向钻的钻进速度及钻头所受的转矩随钻进压力的增大呈现正相关变化关系,即随着钻进压力的增加,水平定向钻的钻进速度与钻头破岩时所受的转矩会不断增加。三牙轮钻头破碎岩石主要采用冲击压碎和滑动剪切2种方式[11],当砂浆试块单轴抗压强度相近时,钻进压力越大,三牙轮钻头的切削齿侵入岩石就越深,破碎的效率就越高,产生的转矩也越大[12]。另外,随着钻进压力的持续增加,被剪切破坏的砂浆试块与三牙轮钻头之间的内聚力不变,但摩擦力会逐渐上升,导致三牙轮钻头所受到岩石的剪切力也不断增大,最终使砂浆试块的破坏速度也在不断增大[13]。

图8(c)和图8(d)分别为试验中砂浆的转矩与水压力、钻头的转速与水流量之间的相互变化关系,根据1.2.2节液动螺杆马达的工作原理可知,当螺杆的型号固定时,试验中三牙轮钻头所受到的转矩大小与水压力增量呈正相关,即试验中的水压力会因为砂浆的转矩增大而增大;钻头的转速与系统中的水流量呈正相关关系,即试验中的水流量会因为钻头转速的增大而增大。

由图8(e)可知,当试验中的液动螺杆马达型号固定之后,在三牙轮钻头破岩钻进过程中,钻头的转矩与转速呈现反相关的变化关系,即钻头的转速随着三牙轮钻头转矩的增大而减小。这是因为试验中砂浆试块的转矩是钻头受到的旋转阻力,当旋转阻力相应增大时,钻头的转速会相应地减小,但总体变化不大。例如: 当A-3砂浆试块的转矩是6块砂浆试块中的最大值83.66 N·m时,钻头的转速却为6块砂浆试块中的最小值159.42 r/min; 当A-1砂浆试块的转矩是6块中的最小值33.14 N·m时,钻头的转速却是6块中的最大值161.04 r/min。

4 结论与讨论

1)基于水平定向钻用于隧道地质勘察的工作原理,研发一种水平定向钻探模型试验装置。该装置包括钻进压力动力系统、旋转动力系统和参数测量系统3部分,既保留了水平定向钻的工作特性,又可实时测量试验中钻头的转速、转矩、钻进速度、钻进压力、系统的水流量和水压力等参数,解决了工程现场难以获取的孔底钻头转矩及转速等参数问题。

2)采用6块强度等级为M15的砂浆试块对该试验系统进行测试,得出: 钻进压力在液动螺杆马达工作范围内时,水平定向钻的钻进速度与钻头的转矩随着钻进压力的增大而增大,基本呈正比例变化关系;系统水压力和钻头转矩呈正比例变化关系; 系统水流量和钻头的转速呈正相关变化关系。因此该试验系统可以真实地反应水平定向钻的工作特性。

3)目前,该试验系统没有考虑围压对钻进参数的影响,可以将放置岩石的位置(岩石箱)改装为可施加三轴围压的岩石箱,以此来分析不同围压大小对钻机参数的影响以及不同围压条件下钻进参数与岩石单轴抗压强度之间的定量关系。