CN109505519B - 一种喷砂钻机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水平导流孔钻机的改进,具体是一种喷砂钻机。本发明包括钻孔系统,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。本发明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。
Description
技术领域
本发明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。
发明内容
本发明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。
本发明的技术方案: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。
所述吸砂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。
本发明采用高压水射流(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为本发明的结构示意图。
图2为本发明钻头的结构示意图。
图3为本发明双重分流器及相邻件的结构示意图。
图4为本发明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.吸砂泵,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,本发明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。
使用本发明钻导流孔时,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的转速从而改变吸砂泵12的流量,调节球阀14控制进水管15进入吸砂泵的水流量从而调节含砂水流的含砂量和密度,将吸砂泵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)将本发明平移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发明施工导流孔,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。
以上仅为本发明的较佳实例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种喷砂钻机,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;
所述钻孔系统为锚喷钻机;
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;
所述吸砂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;
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:
关系式(1)中: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。
2.根据权利要求1所述的一种喷砂钻机,其特征是:所述钻头的后退速度v控制在4.3—7.4m/min范围。
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