适用于高充填度溶洞的注浆钻头

698 编辑：中冶有色技术网来源：中国水利水电第七工程局有限公司

2024-01-18 15:01:52

权利要求书： 1.一种适用于高充填度溶洞的注浆钻头，注浆钻头采用无心复合片铸造，其结构包括头部、本体和尾部，在本体表面设有螺旋排屑槽(3)，其特征在于，还包括刮刀(1)和注浆孔道(2)；

钻头头部设有刮刀(1)；

钻头头部还设有注浆孔道(2)，设置在注浆钻头内部以实现注浆功能。

2.如权利要求1所述的注浆钻头，其特征是，所述注浆孔道(2)分布在钻头直径剖面上，左中右共有三个注浆孔道(2)且在一线上，垂直于轴线。

3.如权利要求2所述的注浆钻头，其特征是，所述的刮刀(1)对称分布于钻头两侧，位于注浆孔道(2)的两侧，且以三个注浆孔道(2)所在面呈对称分布。

4.如权利要求1所述的注浆钻头，其特征是，所述的螺旋排屑槽(3)起始于刮刀(1)即起始于结构头部，螺旋上升至结构尾部，分布于本体；

共有两个螺旋排屑槽(3)。

说明书：一种适用于高充填度溶洞的注浆钻头技术领域[0001] 本实用新型涉及一种土木工程领域内使用的钻孔注浆施工装置。背景技术[0002] 在我国部分城市地区，岩土层软硬不均，变化较大，局部有破碎带，其裂隙发育段和破碎段含有裂隙水，在地下水的作用下极易产生岩溶现象，形成地下溶洞，施工过程中易

造成上覆土体坍塌，给城市基础设施建设带来诸多问题。

[0003] 目前，在现有的施工措施中，一般采用钻孔注浆加固的手段进行处理。其中小型一体式注浆钻机因体型小巧方便运输，装置成本低等特点被广泛应用于注浆充填加固施工

中。然而对于高充填度溶洞，在钻孔过程中岩渣无法下落，积聚于钻壁与孔壁之间，增加了

钻壁间不必要的摩擦，会对钻头造成剧烈磨损，甚至破环，减少设备的服役寿命，同时由于

小型化一体式注浆钻机自重小，极大可能会出现卡钻情况，不仅耗时费工，而且对工程整体

的安全性和经济性造成影响，因此亟需针对上述问题研发一种适用于高充填度溶洞的注浆

钻头。

发明内容[0004] 本实用新型发明基于现有技术的不足，通过在钻头上设置与地层条件相适应的排屑槽，该设计可以使钻进过程中产生的岩渣通过排屑槽向上排出，减少岩渣在钻壁周围的

堆积现象。

[0005] 进一步创新，排屑槽的螺旋角、螺距、直径等设计参数可以根据计算公式考虑相应的地层参数进行设计，以实现一种适用于高充填度溶洞的注浆钻头。

[0006] 本实用新型的目的可通过如下技术方案来实现：[0007] 一种适用于高充填度溶洞的注浆钻头，注浆钻头采用无心复合片铸造，其结构包括头部、本体和尾部，考虑钻进效果在本体表面设有螺旋排屑槽(3)，其特征在于，还包括刮

刀(1)和注浆孔道(2)；钻头头部设有刮刀(1)；钻头头部还设有注浆孔道(2)，设置在注浆钻

头内部以实现注浆功能。

[0008] 所述注浆孔道(2)分布在钻头直径剖面上，左中右共有三个注浆孔道(2)且在一线上，垂直于轴线。所述的刮刀(1)对称分布于钻头两侧，位于注浆孔道(2)的两侧，且以三

个注浆孔道(2)所在面呈对称分布。

[0009] 所述的螺旋排屑槽(3)起始于刮刀(1)即起始于结构头部，螺旋上升至结构尾部，分布于本体；共有两个螺旋排屑槽(3)。

[0010] 考虑钻进效率和施工质量，刮刀(1)所在的头部直径略大于尾部直径。[0011] 所述的螺旋排屑槽(3)的主要参数为螺旋角、螺距及直径，设计时可以通过公式计算使上述参数与相应地层条件相匹配，以提高施工效率。

[0012] 所述的螺旋排屑槽(3)的螺旋角设置可以考虑目标地层密度，根据钻屑重力、排屑槽摩擦力、孔壁阻力、浮力作用和水阻力作用，计算其螺旋角，以增加其在相应地层的排屑

效率，计算公式为：

[0013][0014][0015][0016] 式中，g为重力加速度，单位为m/s；k1为钻屑在泥浆中的阻力系数；ω为注浆钻头的角速度；R为注浆钻头的半径；ρ泥浆为泥浆的密度；ρ钻屑为钻屑的密度；f1为钻屑与孔壁之间

的滑动摩擦系数；f2为钻屑与排屑槽之间的摩擦系数；α为螺旋排屑槽的螺旋角。

[0017] 所述的螺旋排屑槽(3)螺距设置需考虑相应的地层软硬系数，计算公式为：[0018] s＝k2R[0019] 式中，s为螺旋槽的螺距；k2为地层软硬系数。[0020] 所述的螺旋排屑槽直径可以考虑岩土层岩渣尺寸，计算公式为为：[0021] k3d钻屑团＜r＜k4R[0022] 式中，r为螺旋排屑槽的直径；k3为富余度，使得钻削团颗粒可以适当通过；k4为控制系数，防止排屑槽过大，影响钻头强度和注浆效果；d钻屑团为钻屑团的平均直径。

[0023] 本实用新型的有益效果：注浆钻头在钻进过程时会产生的大量钻屑，对于高充填度岩溶地区，在钻孔过程中岩渣无法下落，积聚于钻壁与孔壁之间，增加了钻壁间不必要的

摩擦，会对钻头造成剧烈磨损，此时利用本实用新型，钻屑会随着设置的与地层特性相适应

的两条排屑槽带出，且排屑槽的设置可以考虑相应地层密度、软硬程度及地层岩渣尺寸，针

对性的调整螺旋角、螺距及直径，得到与目标地层相适应的钻头，有效的减少了钻注浆一体

化钻机钻头的磨损，提高了钻头的使用寿命，并且卡钻现象发生频率大幅降低，钻孔施工效

率和钻孔质量有明显改善，同时钻进过程中钻头得到很大程度上的保护，其注浆效果也有

了进一步的提高。

附图说明[0024] 图1是该实用新型西南等轴测图[0025] 图2为该实用新型俯视图[0026] 图3为该实用新型正视图[0027] 附图标号说明：[0028] 1为刮刀；2为注浆孔道；3为螺旋排屑槽。具体实施方式[0029] 为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。

[0030] 本实施例以一个高充填度溶洞的钻孔注浆为背景，处理范围地层为中风化泥质灰岩，区间内岩溶高度发育，溶洞平均充填率达75％，可定义为高充填度溶洞，充填物主要为

软塑～可塑状黏土及粉质粘土，局部夹泥质灰岩碎块。本工程拟采用半径为50mm的注浆钻

孔一体式钻机进行施工，具体步骤如下：

[0031] 如图1所示，该适用于高充填度溶洞的注浆钻头，包括刮刀1，注浆孔道2和排屑槽3，注浆钻头采用无心复合片铸造，钻头部分设有刮刀1，注浆孔道2设置在注浆钻头内部以

实现注浆功能，考虑钻进效果在其表面设有螺旋排屑槽3。

[0032] 如图2所示，刮刀1对称分布于钻头两侧，关于中间的注浆孔道2对称分布，共有三个注浆孔道2，每个注浆孔道2直径为8mm。

[0033] 如图3所示，螺旋排屑槽3起始于刮刀1结构尾部，螺旋上升至注浆钻头尾部，分布于两刮刀1尾部，共有两个螺旋排屑槽3，并且考虑钻进效率和施工质量，刮刀1结构部位直

径略大于钻头尾部直径。

[0034] 螺旋排屑槽3，其螺旋角设置考虑目标地层密度，根据钻屑重力、排屑槽摩擦力、孔壁阻力、浮力作用和水阻力作用，计算其螺旋角，计算公式为：

[0035][0036][0037][0038] 式中，取g＝9.8m2；k1＝1.2；ω＝20/3rad/s；R＝0.05m；ρ泥浆＝1.03g/cm3；ρ钻屑＝3

2.49g/cm；f1＝0.3；f2＝0.45

[0039] 计算得到α＝42.4°。[0040] 螺旋排屑槽3，其螺距设置考虑地层软硬系数，计算其螺距，计算公式为：[0041] s＝k2R[0042] 式中，取k2＝0.9[0043] 得到s＝45mm。[0044] 螺旋排屑槽3，其直径设置考虑岩土层岩渣尺寸，计算公式为：[0045] k3d钻屑＜r＜k4R[0046] 计算结果为：r＝8mm。