浅论气动潜孔锤在地质工作中的应用与发展

浅论气动潜孔锤在地质工作中的应用与发展

众所周知，在我国当前经济建设的过程当中，岩土钻凿工程所占的地位越来越重要，其广泛应用在供水、矿产、市政、环境、交通、建筑等各方各面。随着我国经济的不断发展与进步，此类工程的市场竞争越来越激烈，相应的对工程效率、成本、质量等的要求也越来越高。在市场竞争如此激烈的情形下，空气潜孔锤钻进受到国内外钻探行业的高度重视，因为它具有如下优点:能够大幅度提高钻进效率、降低施工成本、保证工程质量、其经济效益非常显着。空气潜孔锤钻进的工作原理是:以压缩空气作为动力，推动潜孔锤工作，利用冲击器对钻头的往复冲击作用，来达到破碎岩石的目的，被破碎的岩屑随潜孔锤工作后排出的废气携带到地面，从而达到清孔、排渣的目的。

潜孔锤钻探工艺的产生和发展可以说是世界钻探工艺领域的一次重大变革与进步，是钻探工艺发展的里程碑，它不同于传统工艺中的切削与研磨碎岩的方式，而是使用冲击的方式，使岩石成体积破碎，使其在岩石与坚硬地层中的钻进效率大大提高了。而空气潜孔锤的钻进技术，更是具有以下几个特点，而使其深受钻探工作者的关注：

1.由于空气潜孔锤的单次冲击功大而且排渣的速度很快，孔底的清理彻底、干净，不用二次破碎，所以空气潜孔锤的钻进效率很高，而且生产实践中证明，在坚硬岩层中，潜孔锤钻进效率是普通钻机的3～10倍。

2.气动潜孔锤采用柱齿或球齿硬质合金钻头，在坚硬破碎岩石中伴用，不仅有利于碎岩，又有比金刚石钻头寿命高的适应性，使钻头成本大大降低。

3.和回转钻进相比，潜孔锤钻进所需的钻压和扭矩要小很多，这使钻机设备使用的压力与负担减轻了很多，还为大口径硬岩钻进作业创造了有利条件。

4.风动潜孔锤钻进采用的是无循环的干式作业，空气既作为动力又作为排渣介质，达到了取材方便又不污染环境的目的。

5.风动潜孔锤工作时单次冲击功在瞬间即可产生极大的作用力，因此它可应用于软层冲击挤密不排土钻进，也可用于非开挖铺管的夯管技术。

6.气动潜孔锤钻进过程中，采用空气为排渣介质，清孔彻底，在取水钻进过

程中，不会对含水层造成污染，切成井后洗井容易，出水量大。

7.相对于回转钻机，潜孔锤具有一定灵活性，在山地等一些复杂地形，更变于摆放与安装，切设备简单，易于托运与管理，大大节省了人力物力的损耗，降低成本。

1871年第一台蒸汽功力凿岩机问世，不久之后，美国的注意力就转移到了研究空气作为动力的工作上。1902年，美国英格索兰公司首次推出了第一台便式移动空气压缩机，这加快了气功凿岩机的飞速发展，上世纪初开始了对空气潜孔锤钻进技术的实验工作，并于50～60年代获得了生产与应用。随着时代的进步和发展，国内外研究学者对潜孔锤结构进行不断的研究与改进，使其工作性能不断优化，对钻研匹配，钻头类型，工业方法等方面竟相进行深入研究，以使其能够适应多类工程的应用要求。

较早开始应用空气潜孔锤的国家之一是美国，它从最开始的风动凿岩开始，不断对空气压缩进行研究与改进，不断对风动潜孔锤的结构以及潜孔锤机械的配套进行设计以使其更加完善和发展，空气在这里的作用不仅仅是作为碎岩的动力、排渣、及冷却钻头，而且也为钻机提供行走、回转等动力，使其具有更加完善和合理的工业配套，使其具有更加突出的经济效益。风动潜孔锤的产品发展的越来越多样化和系列化，使得其拥有越来越广泛的应用领域。最近几年在大口径钻浆施工等方面取得了较大的发展。

我国幅员辽阔，有着复杂多变的地域气候和地形地貌，沙漠戈壁、黄土覆盖区，高寒缺水或供水困难地区、岩溶地区占了大量的面积，同时还存在大量禁用液体循环介质的客观条件，根据这样的情况，在我国较适宜采用空气潜孔锤钻进技术，以达到保证钻探质量，提高钻进速度和降低成本的目的。

在覆盖层较浅的基岩地层，以及施工用水困难或漏失严重的复杂地层，采用气动潜孔锤钻探施工，以达到快速、经济、便捷的施工目的，在采用气动潜孔锤正循环全面钻进过程中，需掌握以下几项数据参数规范，以达到在保证工程质量的前提下，实现快速、经济、便捷的目的。

1.风量应根据孔直径，钻杆外径和排渣通道上的上返风速等因素确定，可按

表1.1确定，也可按式1.2计算。排渣通道的上返风速不应低于15m/s，潜孔锤钻进实际所需风量宜比潜孔锤额定风量大20%。

表1.1 钻杆外径、环状断面面积与风量

钻杆外径 （mm） 73 89 114 孔（井）直径 （mm） 210 220 250 260 210 220 250 260 210 220 250 260 环状断面面积（㎡） 0.0305 0.0338 0.0449 0.0489 0.0284 0.0318 0.0428 0.0468 0.0244 0.0278 0.0389 0.0429 风量 （m³/min） 27.45 30.42 40.41 44.01 25.56 31.48 38.52 42.20 21.96 25.03 34.99 38.59

Q=47.1K1K2（D²－d²）v （式1.2）

式中：Q—风量（m³/min）；

K1—孔深修正系数，取值范围为1.0～1.1； K2—孔内涌水系数，取值范围为1.0～1.5； D—钻孔直径（m）； d—钻杆外径（m）；

v—排渣通道上返风速（m/s）。

2.风压不应低于孔内最大水柱高度时的启动风压与气动潜孔锤工作风压之和，宜为0.7MPa～2.5MPa。

3.钻压应根据地层硬度、钻头类型和规格尺寸选择，应使钻头与孔底岩石紧密接触，且压力不应过大，钻头在孔底不得空转。气动潜孔锤钻进时的轴向压力应符合表1.2的规定。

表1.2气动潜孔锤钻进的轴向压力

气动潜孔锤直径（mm） 76 102 127 152 203 305

最小轴向压力（KN） 1.5 2.5 4.0 5.0 8.0 16.0 最大轴向压力（KN） 3.0 5.0 9.0 15.0 20.0 35.0 4.钻速应根据钻头直径、岩性和冲击频率等确定。在不同地层中气动潜孔锤钻进的转速宜符合表1.3的规定，也可按下式1.2计算：

kdfnD式中：n—钻机钻速（r/min）；

k—岩石破碎系数，宜为0.8； d—合金柱齿直径（mm）； f—冲击频率（次/min）； D—钻头直径（mm）。

地层 覆盖层 软岩层 中硬岩层 硬岩层

（式1.2）

表1.3 不同地层中气动潜孔锤钻进的钻速

钻速（r/min） 40～50 30～45 20～40 10～30 同时气动潜孔锤钻进操作应特别注意以下几点问题：

1.开钻前，应检查送风管路连接的牢固性和管路仪表运转的灵敏性，且管路仪表的位置应便于观察。

2.在开孔时，应注意保护周围环境，做好必要的防尘，防渣措施。

3.下钻前，应特别注意钻机各项数据，对钻机的液压油管路进行检查、维修，可以在地面启动钻机观察，确保钻机能正常作用。

4.配置必要钻具时，应注意保持潜孔锤与孔底的距离，可适当提高1m左右。 5.加接钻杆时，应将下面钻杆的安全盖盖好，同时加好钻杆后，应先送风清除钻杆内异物，确保钻杆内部畅通、不含有异物。

6.下钻时，应注意潜孔锤与孔底的间距，应在距离孔底1m左右开始送风，送风时可伴随回转；提钻前，可缓慢降低回转速度，直至停止回转，但不能停止

送风，钻杆应上下提动，确保孔内干净。当上下钻不顺利，应保持通风状态，并且缓慢转动钻具同时上下活动钻杆，待上下钻顺畅后，再继续施工作业。

7.注意检查泡沫泵及其传送带是否正常。

8.当地层突然破碎、坍塌时，不能停止潜孔锤运转，应保持通风上下提动钻具，同时保持转速，直至潜孔锤能正常上下，排净孔内残渣时，再开始作业。

9.在气动潜孔锤钻进过程中，应时刻注意空压机的压力表盘数据，当表盘压力突然增大时，可能为孔内坍塌或孔内存在破碎带或存在较大溶洞，导致排渣不彻底时，应立即停止钻进，并上下提动钻具，直至孔内排渣彻底，压力表盘恢复正常，再继续钻进作业。当压力表盘数据突然降低时，应当立即停止送风，提钻进行检查钻具设备是否存在断裂、破损等问题。

10.当空压机送风正常，气动潜孔锤放置孔底却不能正常钻进工作时，应尝试停风、送风往复操作，如仍不钻进，则必须提钻检查冲击器。

11.如果空压机压力表盘缓慢上升，应当注意是否为钻头出气孔处堵塞，必要时提钻清理。

12.潜孔锤使用完毕后，应把钻机清洗干净，把各工具箱锁好，卷扬收起，摆放整齐。

以上我们大致了解了气动潜孔锤的工作原理以及钻进技术参数，我们知道想要实现气动潜孔锤的冲击、钻进就不能离开其重要的能量转换部位冲击器，而冲击器主要包括止气阀、气缸、活塞等组成部位，而活塞则是其能量转换的重要部位，由活塞产生的能量直接传递到钻头而实现钻进的目的。但我国因为地形地貌的复杂性，在大部分地区，潜孔锤钻进过程中会遇到过厚的覆盖层、卵石层、砂层等复杂多变得地层，因此我们了解了潜孔锤的结构核心特点，及工作原理，以实现其在复杂地层中钻进的同时跟管护孔，确保钻探工作的顺利进行。

气动潜孔锤的跟管的基本原理是将冲击器活塞产生的高频振动及冲击力直接作用到跟管上，将跟管导入孔内，其具体过程如下：空气压缩机产生的压缩空气进入冲击器内，使活塞在气缸内产生往复运动从而对套靴产生高频的振动及冲击作用，再由套靴作用于跟管，使跟管跟随钻头进入地层而达到护孔的目的。

工程实例: 贵州省六盘水市盘县保田镇新格子五组村人饮水工程设计解决村民安全饮水问题，通过水文地质调查及水文地质物探工作，工程点范围内，具

备人工机井采取地下水的条件。在新格子村外，确定了井位位置，井位交通方便，设备车辆可直接到达井位附近。设计孔深为150m，估计出水量为100m3/d以上，钻孔穿过地层为:0～30.00m为粘土夹碎石，30.00～150.00m为三叠系中统关岭组第二段，岩石可钻性级别为4～6级，节理裂隙发育，岩体破碎，地层中主要含溶孔—溶隙水。

在实际钻进工作中，因为覆盖层较厚，在进入地层约17m处时，出现了漏风严重的现象，给施工带来了极大的不便，因孔内残渣无法随着废气排出孔内，继续钻进可能导致其出现卡钻、埋钻、塌孔，这些钻进问题。因此采用跟管钻进技术，在跟管过程中，即解决了跑风、窜风问题，又起到了护孔作用，从而快速的穿过覆盖层。而在岩层中钻进时，因其含有大量的裂隙，在每次钻进过程中都不能做到彻底清孔，而采用在破碎较多的地段，每打进一根钻杆就多次提钻下钻，往复冲击清孔，以做到不影响施工钻进，保证成井质量。

就我国目前形势来看，在平原地区钻探技术已近相当完善，而在如云、贵、川等山区气动潜孔锤有着非常可观的发展前景，其在地形复杂，覆盖层较浅的岩层地区，有着独一无二的优势，但其依旧存在着不少问题，如在跟管过程中跟管易断，钻进过程中孔易发生偏斜，给下管造成困难，在岩层中遇到溶洞、破碎带等复杂地层，易出现卡钻、埋钻等问题，所以我们仍然有着很多困难要克服，使气动潜孔锤钻进技术越来越趋于完善，为社会作出更多的贡献和创造更多的财富。