高压水射流凿岩技术的研究与试验

1　辅助凿岩的机理

　　岩石中含有大量分布方向杂乱的、以颗粒边界形式存在的、潜在的细微裂纹。在钻孔过程中，如果充分利用岩石的这一特性，可以提高钻孔效率、减少能耗。水射流辅助钻凿岩孔正是有效地利用了岩石的这一特性。

2　试验装置

　　试验装置主要由高压水发生器、钻机和钻具三部分组成。高压水发生器产生中等压力(140MPa)的水射流，钻机使钻具旋转并推进钻具，钻具是破碎岩石的直接工具。试验所用的岩石为砂岩，颗粒均匀，单轴抗压强度为 50～70MPa，岩石尺寸为500mm×300mm×500mm。
2.1　高压水发生器
　　高压水发生器是一种双向作用的增压系统，与一台电机驱动油泵配套使用。油泵将压力油经换向阀泵入增压器的低压缸中，增压器中有一个双向作用的大活塞，活塞两端各连接一个小柱塞。当20MPa的压力油推动大活塞运动时，来自低压供水系统的低压水在柱塞挤压作用下，形成超高压水并经喷嘴喷射出来。
2.2　钻机
　　试验用钻机由供水管路、高压旋转接头、回转机构和进给机构组成。回转机构由液压马达通过减速箱带动钻杆和钻头旋转，经减速后的钻头转速为 50～70r/min，在此范围内可实现无级调速。钻具的推进由油缸实现，油缸的最大推力可达9.6kN，推力大小可视需要而调节，由高压水发生器产生的高压水经蓄能器和高压软管输送到钻头。
2.3　钻具
　　在水射流辅助钻孔作业中，钻头是一个关键的工作部件，钻头设计的好坏，对能量利用和钻进效果影响很大。对水射流钻头而言，其主要设计参数是喷嘴直径大小、喷嘴数量、喷嘴安装位置以及相对钻头中心线的倾角，这些参数与岩石特性和钻头直径有关。根据岩石的抗拉和抗剪强度远比抗压强度小这一特性，我们设计了如图1所示的A型和B型两种结构型式的刮刀钻头，钻头直径为26mm。每种钻头都装有两个喷嘴，喷嘴的配置原则是：对于外圈射流来说，射流的切割圈径要等于或大于钻头的直径，使钻头正好能潜入孔内，如果切割圈太大，则浪费能量，若切割圈太小，则影响钻头推进。对于中心射流来说，要尽可能把岩孔底部形成的锥状岩脊破碎掉，以利于钻头推进。