【摘 要】
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近年来我国地质灾害频发,严重危及人民生命财产安全,仅2020年全国共发生地质灾害7840起,造成直接经济损失达50.2亿元,因此地质灾害防治成为人们重点关注的问题。针对地质灾害中的滑坡、泥石流等,常采用打入抗滑桩等方法进行防治,高效率成孔是有效防治地质灾害的关键因素,常规成孔方法有人工挖孔桩以及旋挖成孔,但施工速度慢且危险,因此选用合适的钻进工艺与钻具是高效率钻进的保证。气动潜孔锤因钻压需求低;冲
【基金项目】
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国家重点研发计划项目“特大滑坡应急处置与快速治理技术研发”中的“特大滑坡防治大直径成孔钻具与施工机械小型化研究”（2018YFC1505303）；
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近年来我国地质灾害频发,严重危及人民生命财产安全,仅2020年全国共发生地质灾害7840起,造成直接经济损失达50.2亿元,因此地质灾害防治成为人们重点关注的问题。针对地质灾害中的滑坡、泥石流等,常采用打入抗滑桩等方法进行防治,高效率成孔是有效防治地质灾害的关键因素,常规成孔方法有人工挖孔桩以及旋挖成孔,但施工速度慢且危险,因此选用合适的钻进工艺与钻具是高效率钻进的保证。气动潜孔锤因钻压需求低;冲击碎岩钻速高;在硬岩、坚硬岩地层中钻进效率高;能源干净、地层适应性好等优点,广泛应用于桩基础施工、矿山开发、水文水井及应急救援等领域。气动潜孔锤冲击回转钻进碎岩时,经常会因钻头布齿与冲击功选用不合理,造成钻头磨损较快,钻进效率低,能量损耗大等问题。基于上述问题,有必要对潜孔锤钻头布齿进行研究,优化钻头布齿,提高钻进效率与钻头耐磨性,保证潜孔锤快速钻进与提高寿命。现在针对大直径潜孔锤反循环钻头布齿的研究较少,因此依托于国家重点研发计划“特大滑坡防治大直径成孔钻具与施工机械小型化研究”课题,对φ600mm大直径潜孔锤钻头布齿参数进行研究,以期为大直径钻头布齿提供理论基础。本文采用φ19mm硬质合金球齿对硬岩、坚硬岩进行研究。通过自由落体实验台进行研究分析单齿碎岩机理,可知碎岩机理为:弹性变形、压裂、体积破碎三个阶段,同时得出在五组不同冲击功（20J、25J、30J、35J、40J）情况下的破碎坑最大直径为22mm左右,依据单齿破碎坑最大直径为布齿的最优间距,设计三齿与五齿排布,分析相邻球齿之间不同角度对碎岩效果的影响与相邻球齿碎岩过程中的相互影响。选用ABAQUS软件,建立与实验中球齿、岩石同等模型,进行数值模拟分析,观察岩石受到冲击后应力波的传递情况,通过对比三齿与五齿冲击岩石过程中,球齿之间不同角度应力波叠加对岩石破碎的影响,得出当球齿正五边形排布冲击岩石破碎效率优于正三角形。经模拟与实验分析,在钻进硬岩与坚硬岩时,单齿冲击功分别采用40J与30J冲击功,可达到减小球齿磨损、降低能量损耗的目的,布齿时采用五齿正五边形布齿方式,使岩石更容易发生完全破碎。根据实验与模拟测得的布齿参数,自主设计了两个分别适用于硬岩、坚硬岩钻进的大直径潜孔锤反循环钻头,同时考虑到反循环排渣过程中,岩屑颗粒对反循环效果的影响,测量实验、模拟、大直径潜孔锤现场施工中产生的岩屑,对比钻头中内侧直径为φ30～50mm的排渣口,得出所设计的钻头可满足快速钻进需求并有效进行反循环。综上所述,设计的两种钻头可有效降低钻头磨损与能量损耗,提高气动潜孔锤钻进效率与使用寿命加之其施工简单维护方便等特点,能够广泛应用到地质灾害防治施工中,使其降低时间成本,更高效的完成地质灾害防治工作。
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