一种喷砂钻机论文和设计-刘剑

全文摘要

本实用新型涉及水平导流孔钻机的改进，具体是一种喷砂钻机。本实用新型包括钻孔系统，在钻孔系统上连接喷砂系统；喷砂可防止导流孔堵塞，即使塌孔，孔底部砂层也能成为导流孔内有效的渗水通道；钻头和钻杆退出导流孔与深孔喷砂同步进行，无需套管、无需更换钻具，提高了钻孔效率。本实用新型可使导流孔的盲孔率至少减少15％，收液率提高10％以上，经济效益显著。

主设计要求

1.一种喷砂钻机，包括钻孔系统，其特征是：在钻孔系统上连接喷砂系统；所述的喷砂系统包括吸砂泵及电机，电机与变频器电连接，它们均安装在底座上；吸砂泵的进口连接一个三通管，三通管的一端通过吸砂胶管与砂池连通，另一端连接进水管，进水管与水池连通，进水管上装有球阀；吸砂泵的出口连接出砂胶管，出砂胶管上装有电磁流量计；出砂胶管的出口上安装有双重分流器，双重分流器的一连接口经所述钻孔系统的动力头与钻杆的内管连通，另一连接口与所述的钻孔系统的喷水管连通，喷水管与钻杆的内管和外管之间的封闭空腔连通；所述钻孔系统的钻头上沿轴心线设置有一喷砂通孔，喷砂通孔与钻杆的内管连通，喷砂通孔上装有止回阀；在钻头上还设置有一平行于喷砂通孔的喷水通孔，喷水通孔与钻杆的内管和外管之间的封闭空腔连通，喷水通孔的出口上装有水喷嘴。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种喷砂钻机，其特征是：钻孔系统为锚喷钻机。

3.根据权利要求1所述的一种喷砂钻机，其特征是：所述钻头的喷砂通孔直径为30—40mm。

4.根据权利要求1所述的一种喷砂钻机，其特征是：所述钻头的水喷嘴的射流压力为10—15MPa。

5.根据权利要求1所述的一种喷砂钻机，其特征是：喷砂时由钻孔系统控制钻头的后退速度v，钻头的后退速度v按关系式(1)计算：

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及水平导流孔钻机的改进，具体是一种喷砂钻机。

背景技术

目前，离子型稀土矿山采用原地浸矿工艺进行开采，该工艺具有占用土地少、不破坏山体表土层、工程投入少、劳动强度低、不产生浸矿尾砂等优点。直接在矿山表面钻垂直注液孔，从注液孔向矿体注入浸矿液，浸矿液中的浸矿剂与矿体中的稀土离子发生交换反应，从而形成含稀土离子的浸矿母液并向下渗流，通过矿体下部的收液工程收集母液。收液工程包括水平导流孔、集液巷道和集液沟，收集的浸矿母液大部分从水平导流孔渗出，再汇入集液巷道或集液沟。收液工程需要钻大量平行且等间距布置的水平导流孔。

目前，水平导流孔的施工主要使用一种稀土矿专用的千米钻，该钻机结构简单、自重轻，钻孔时钻头前端喷射水流，以水力冲蚀土体，具有钻孔成本低，设备损耗小的特点，且由于射流的水压力低、流量大，产生大量废弃泥浆污染环境；千米钻的轻量化设计，导致钻杆刚度小，钻较深孔时钻杆易弯曲；千米钻动力也较小，主要以水射流成孔且压力不高，所以遇到坚硬土层的钻进效率低。

另一方面，水平导流孔成孔后容易塌孔堵塞。因钻孔时扰动土体，水射流使孔周土体饱和软化，且收液过程中，土体长时间受水压力作用以及渗流带走部分细颗粒的影响，生产过程中导流孔不可避免发生塌孔。生产中至少有40％—50％的导流孔因塌孔堵塞成为盲孔，尤其易崩解的土质塌孔更加严重。生产中可观察到的现象是：数个相邻的导流孔，母液流出集中在个别导流孔，部分导流孔有少量母液流出，还有大量导流孔甚至无液体流出。因为塌孔堵塞，等间距布置的导流孔不能有效覆盖整个收液区域，降低了收液率。

相比现在普遍使用的千米钻，锚喷钻机(MX-60A型锚喷钻机)更有优势，它是一种以钻头切削土体钻进，侧面喷高压水射流扩孔成桩的钻机，其动力更强，钻杆刚度更大，但现有的锚喷钻机用于水平导流孔钻孔仍不能解决塌孔堵塞问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种喷砂钻机，解决钻水平导流孔时泥浆排放量大，成孔后易塌孔堵塞的问题。

本实用新型的技术方案：一种喷砂钻机，包括钻孔系统，在钻孔系统上连接喷砂系统；所述的喷砂系统包括吸砂泵及电机，电机与变频器电连接，它们均安装在底座上；吸砂泵的进口连接一个三通管，三通管的一端通过吸砂胶管与砂池连通，另一端连接进水管，进水管与水池连通，进水管上装有球阀；吸砂泵的出口连接出砂胶管，出砂胶管上装有电磁流量计；出砂胶管的出口上安装有双重分流器，双重分流器的一连接口经所述钻孔系统的动力头与钻杆的内管连通，另一连接口与所述的钻孔系统的喷水管连通，喷水管与钻杆的内管和外管之间的封闭空腔连通；所述钻孔系统的钻头上沿轴心线设置有一喷砂通孔，喷砂通孔与钻杆的内管连通，喷砂通孔上装有止回阀；在钻头上还设置有一平行于喷砂通孔的喷水通孔，喷水通孔与钻杆的内管和外管之间的封闭空腔连通，喷水通孔的出口上装有水喷嘴。

所述的钻孔系统为锚喷钻机(MX-60A型锚喷钻机)。

所述钻头的喷砂通孔直径为30—40mm。

所述钻头的水喷嘴的射流压力为10—15MPa。

喷砂时由钻孔系统控制钻头的后退速度v，钻头的后退速度v按关系式(1)计算：

关系式(1)中：v为钻头的后退速度，Q为含砂水流的流量，η为导流孔内砂的填充率，35％≤η≤50％，d为导流孔直径，k为砂的表观密度，l为饱和砂的堆积密度，m为水的密度，n为含砂水流的密度。

所述钻头的后退速度v控制在4.3—7.4m\/min范围。

所述吸沙泵喷砂时的体积流量为150—200L\/min，含砂水流密度为1.14—1.23kg\/L。

本实用新型采用高压水射流(用水少)冲击和合金刀头切削的共同作用，加快了钻孔速度，尤其在坚硬土层的钻进速度显著提升，减少了合金刀头的磨损和废浆排放量；喷砂功能可防止导流孔堵塞，即使塌孔，孔底部砂层也能成为导流孔内有效的渗水通道；钻头和钻杆退出导流孔与深孔喷砂同步进行，无需套管、无需更换钻具，提高了钻孔效率。导流孔的盲孔率至少减少了15％，收液率提高10％以上，经济效益显著。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型钻头的结构示意图。

图3为本实用新型双重分流器及相邻件的结构示意图。

图4为本实用新型三通管及相邻件的结构示意图。

图中：1.钻头，2.钻杆，3.动力头，4.双重分流器，5.推进架，6.机架，7.喷水管，8.出砂胶管，9.电磁流量计，10.变频器；11.电机，12.吸沙泵，13.三通管，14.球阀，15.进水管，16.吸砂胶管，17.砂池，18.水池，19.高压水泵；

1-1.喷砂通孔，1-2.喷水通孔，1-3.水喷嘴。

图中箭头表示水或砂流动方向。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型由钻孔系统和与钻孔系统连接的喷砂系统组成；

钻孔系统采用MX-60A型锚喷钻机，包括：动力头3、推进架5、机架6，机架6置于地面支撑钻孔系统，推进架5安装在机架6上，动力头3在推进架5的轨道上，动力头3前端连接钻杆2，后端连接双重分流器4，动力头3可驱动钻杆2前进、后退和旋转。

所述的喷砂系统包括吸砂泵12及电机11，电机11与变频器10电连接，它们均安装在底座上；吸砂泵12的进口连接一个三通管13，三通管13的一端通过吸砂胶管16与砂池17连通，另一端连接进水管15，进水管15与水池18连通，进水管15上装有球阀14；吸砂泵13的出口连接出砂胶管8，出砂胶管8上装有电磁流量计9；出砂胶管8的出口上安装有双重分流器4，双重分流器4的一连接口与所述钻孔系统的钻杆2的内管连通(经动力头3)，另一连接口与所述的钻孔系统的喷水管7连通，喷水管7与钻杆2的内管和外管之间的封闭空腔连通。

所述钻孔系统的钻头1上沿轴心线设置有一喷砂通孔1-1，喷砂通孔1-1与钻杆2的内管连通，喷砂通孔1-1上装有止回阀；在钻头1上还设置有一平行于喷砂通孔1-1的喷水通孔1-2，喷水通孔1-2与钻杆2的内管和外管之间的封闭空腔连通，喷水通孔1-2的出口上装有水喷嘴1-3，钻头1和钻杆2外径为89mm，喷砂通孔1-1直径30mm，水喷嘴1-3孔径1.6mm。

使用本实用新型钻导流孔时，注意几个问题：

(1)钻孔前需调试喷砂系统的流量和含砂量。砂池17装入一半容积的中细砂再装满水，将吸砂胶管16平放在砂池17中，管口一半没入砂层中，然后启动吸砂泵12，从电磁流量计9读出含砂水流的流量，从所述钻头1的喷砂通孔1-1取样含砂水流并测密度；调节变频器10改变电机11的转速从而改变吸沙泵12的流量，调节球阀14控制进水管15进入吸沙泵的水流量从而调节含砂水流的含砂量和密度，将吸沙泵12的体积流量调至150L\/min，含砂水流密度调至1.23kg\/L。

(2)钻导流孔，移动机架6使钻头1对准孔位，调节推进架5的仰角为2°；钻头1以45r\/min转速和4m\/min的推进速度钻进，启动高压水泵19，设置压力为15MPa，钻头1以高压水射流冲击和合金刀头切削的共同作用钻孔，随钻进接长钻杆2，钻深30m时达到设计深度停止钻进，关闭高压水泵19。

(3)深孔喷砂，启动吸砂泵12泵送含砂水流，含砂水流从出砂胶管8、双重分流器4、钻杆2、喷砂通孔1-1进入导流孔，导流孔内的砂粒迅速沉积；含砂水流的体积流量150L\/min，密度1.23kg\/L，钻头1应以7.4m\/min的速度匀速后退，钻头1露出孔口时，导流孔喷砂完成，关闭吸砂泵12。

(4)将本实用新型平移0.8m，钻下一个导流孔。

试验对比：某离子型稀土原地浸矿采场使用本实用新型施工导流孔，对比同矿区的采用其它钻机钻导流孔，导流孔的盲孔率减少了23％，收液率提高12％，经济效益显著。

以上仅为本实用新型的较佳实例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围内。

设计图

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设计方案

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