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收稿日期:2009-02-07;改回日期:2009-04-04 作者简介:许刘万(1954-),男(汉族),陕西白水人,中国地质科学院勘探技术研究所教授级高级工程师,全国水井钻机情报网首席顾问,兰州军区给水团技术顾问,探矿工程专业,从事水文水井、工程钻探设备、各类钻具及钻探工艺的研究、推广工作及进口全液压动力头钻机、国产各类钻机、机具的配套研究,河北省廊坊市金光道77号,xuliuwan@;史兵言(1970-),男(汉族),山东人,中国地质科学院勘探技术研究所高级工程师、科研项目负责,探矿工程专业,从事各种钻探施工钻具及钻探工艺方法研究开发推广工作;赵明杰(1956-),男(蒙古族),河北承德人,河北省地矿物资总公司副总经理,全国水井钻机情报网秘书长,经济管理专业,从事地矿物资与各类钻机的配套销售工作,河北省石家庄市中山西路891号。
反循环气动潜孔锤的研制及应用许刘万1,史兵言1,赵明杰2(1.中国地质科学院勘探技术研究所,河北廊坊065000;2.河北省地矿物资总公司,河北石家庄050081)摘 要:针对目前正循环气动潜孔锤施工中存在的若干问题,开发研制了新型派生系列反循环气动潜孔锤,经过在水井、砂金勘探施工中的应用,取得了非常显著的效果,为我国采用此种工艺方法施工提供了一种新的产品,使得这项技术更加完善,更加成熟,应用领域更加广阔。
关键词:空气钻进;水井;砂金勘探;反循环气动潜孔锤中图分类号:P634.4 文献标识码:A 文章编号:1672-7428(2009)04-0031-04D evelop m en t and Appli ca ti on of Reverse C i rcul a ti on D TH /XU L iu 2w an 1,SH I B ing 2yan 1,ZHAO M ing 2jie 2(1.The I n 2stitute of Exp l orati on Techniques,CAGS,Langfang Hebei 065000,China;2.Hebei Pr ovincial Geol ogy and M iningMateri 2als General Company,Shijiazhuang Hebei 050081,China ))Abstract:According t o the technical p r oble m s in positive circulati on constructi on,a ne w derived syste m of reverse circula 2ti on DTH was devel oped,which has been app lied in the constructi on of water well and alluvial exp l orati on with remarkable effect .This ne w p r oduct made DT H more perfect and br ought wider app licati on field .Key words:air drilling;water well;alluvial exp l orati on;reverse circulati on DTH1 概述反循环气动潜孔锤钻进技术,是多工艺空气钻进技术中的一个重要组成部分,也是空气钻进技术在碎岩方法上的一项重大突破。
大直径气动潜孔锤在硬岩地层桩基施工中的应用
董继昌
【期刊名称】《智能建筑与工程机械》
【年(卷),期】2024(6)1
【摘要】气动潜孔锤是以压缩空气作为动力的一种风动工具,其将提供冲击作用的气动装置与破碎岩石的钻头相结合,潜入桩孔孔底进行钻进,并充分利用潜孔锤排出的高压空气,对钻头进行冷却和排渣。
基于此,对大直径气动潜孔锤在硬质岩层桩基施工中的应用进行了总结分析,阐述大直径气动潜孔锤在硬岩地层桩基施工中的施工工艺流程、技术参数、操作要点等内容,并对施工中易发生的典型事故进行原因分析,总结相应的处理措施和经验,形成一套基本成熟的硬岩钻进施工工艺。
【总页数】3页(P41-43)
【作者】董继昌
【作者单位】中铁二十局集团第五工程有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TU753.3
【相关文献】
1.气动潜孔锤配合长螺旋钻机在复杂地层桩基施工中的应用
2.气动潜孔锤在钻孔硬岩钻进中的应用
3.大直径风动潜孔锤引孔技术在含硬岩层预制桩施工中的应用与研究
4.潜孔锤-旋挖组合钻进技术在硬岩桩基工程中的应用
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132管理及其他M anagement and other气动潜孔锤钻进技术在矿井下大口径孔施工的应用研究高建波（陕西省一九四煤田地质有限公司，陕西 铜川 727000）摘 要：在绿色矿山建设中，矿井下大口径孔施工是其中的重要内容。
采用气动潜孔锤钻进技术进行矿井下大口径孔施工，是基于井下硐室施工环境的要求。
本文主要对气动潜孔锤钻进关键技术进行了分析，以某矿井下大口径孔施工项目作为研究对象，在施工机具设备的优化改进方面进行了探讨，以探究气动潜孔锤钻进技术在矿井下大口径孔填充施工中的应用效果。
关键词：气动潜孔锤钻进；矿井；大口径孔；应用中图分类号：TD324 文献标识码：A 文章编号：11-5004（2019）04-0132-2收稿日期：2019-04作者简介：高建波，陕西省一九四煤田地质有限公司。
随着社会经济的发展，各类工程技术水平实现了不断提升。
在我国社会发展过程中，对于能源资源的需求不断扩大，进而促进了矿山开采规模的进一步扩大，同时，随着工程开采从粗放式向集约式发展，在矿井下大口径孔填充施工中，利用气动潜孔锤钻进的先进技术，改善矿山尾砂排放，提高资源回收利用率，从而满足绿色矿山建设需求，促进矿山的可持续发展。
就目前而言，我国在大口径孔施工中设备的应用主要以立轴式回转或者是水井转盘式钻机为主，其在实际填充施工中的进度较为缓慢，并且需要的成本相对较大，尤其是在矿井下施工中，由于设备较大会为施工带来很多困难。
基于此，本文以某矿井下大口径孔施工项目为例，分析了在具体施工中应用气动潜孔锤钻进技术的应用效果。
1 气动潜孔锤钻进关键技术（1）技术原理。
气动潜孔锤钻进技术的主要应用原理是以高压气体对冲击活塞产生作用，促使其进行往返运动，从而对钻头产生一定的冲击力，为其提供工作动力，进而对岩石进行冲击破碎，同时，利用冲击器在活动中排除的压缩空气，实现冷却钻头和清除岩屑的作用。
（2）对钻机进行优化改进。
一般来说，在进行大口径孔施工过程中，其施工设备的选用多数是水井转盘式钻机，其在地面施工大口径钻孔具有良好的施工效果。
综述276 2015年5期关于气动潜孔锤在地质勘探中的应用高明辉河南省煤田地质局四队，河南平顶山 467000摘要：气动潜孔锤钻进技术以其钻进效率高、钻孔质量好等一系列优点已被广泛应用于地质勘探工程领域，为使这一技术能够更好的应用，本文介绍了气动潜孔锤钻进技术在粘土层、破碎坍塌地层以及河床卵砾石地层中的钻进工艺。
关键词：气动潜孔锤；钻进工艺；复杂地层中图分类号：TD421 文献标识码：A 文章编号：1671-5810(2015)05-0276-011 钻进技术根据施工区域的地质情况，钻孔机常采用四种主要的钻孔方法气动或液压驱动的旋转动力头与冲击设备结合，通过钻杆的顶部传输旋转和冲击能量，通过钻杆中的冲击波传递能量给钻头进行钻孔。
仅限于小孔径和深度浅的作业，一般常用于采石场，建筑工地和地下采矿作业。
潜孔锤（以下简称DTH）位于钻柱的底部，压缩空气通过钻柱进入DTH，驱动活塞往复运动直接冲击钻头，向岩石传递冲击能量。
系统功率损耗不大，特别适用于深孔、直孔和中硬岩石。
反循环（RC）钻孔是采用DTH从钻头面收集并输送岩石样品的一种形式，通过DTH的中心管将干燥和未被污染的岩屑装入样品收集装置，为地质分析作准备。
由液压或电动马达驱动的齿轮箱形成旋转的动力头，通过钻架上上下移动的进给系统和厚壁钻杆产生下拉力给三牙轮钻头施加足够的进给力。
用于较软岩石或强节理硬岩石。
2 气动潜孔锤跟管钻具系统一般主要由潜孔冲击器、导向钻头、环状钻头、扩孔钻头、套管靴及套管组成管钻具由钻机提供回转扭矩及推进动力，空压机提供高压空气通过钻杆进入潜孔冲击器使其工作。
冲击器冲击跟管钻具的导正器并将冲击波及钻压传给中心钻头及环状钻头破碎孔底岩石。
同时钻机带动钻杆回转，钻杆将回转扭矩传递给冲击器带动导正器转动使偏心钻头张开，使扩孔钻头及中心钻头跟随导正器旋转，钻出大于套管外径的孔，使套管在自重作用下随钻头跟进。
当自重小于套筒外壁的摩擦阻力时，内层跟管钻具继续向前破碎岩石，直至导正器上的凸肩与套管靴的凸肩接触，导正器将部分钻压和冲击波传递给套管靴，迫使套管靴带动套管与钻具同步跟进。
Science &Technology Vision科技视界煤矿井巷揭煤工作工期紧、任务重。
揭煤钻孔施工过程中,当遇到高硬度岩时,使用普通复合片钻头进尺慢、效率低,很难满足揭煤工期要求。
当钻孔施工遇高硬度岩石时,对钻具、设备及施工进度都造成了较大的影响,为保证安全顺利揭煤,必须改进硬岩钻进施工工艺,将液压钻机与气动潜孔锤相结合,顺利地完成揭煤任务。
1概况1.1巷道情况西翼暗主斜井主要用途是做为张集矿(中央区)二水平采掘活动的运煤胶带机巷,北邻西翼回风大巷(二),右邻西翼-590回风大巷。
该巷位于西一采区系统大巷煤柱内,上口标高-484.6m,下口标高-816.2m,全长1360m。
西翼暗主斜井揭8煤巷道停头位置-724.13m,距8煤法距7米。
1.2地质情况8煤:黑色,粉末状为主,加块状,半暗~半亮型煤,平均煤厚3.2m;8煤顶板为石英砂岩,岩性坚硬,普氏硬度系数:11.5。
1.3钻孔设计措施孔共设计11排,每排11个钻孔,共计121个,钻孔总量:5206.2m。
钻孔掩护范围控制在巷道轮廓线外不少于12m,呈扇形布置,相邻两个钻孔终孔水平间距为3m。
钻孔方位:-45.7°~44.3°,倾角(以水平线为准):-40.7°~-5.9°,预计8煤见煤深度:9.3m~57.9m,止煤深度:14.2m~82.9m,实际终孔位置以穿过8煤后见岩1m 终孔。
由于岩石较硬,措施钻孔进行优化后,设计7排,每排7个钻孔,共计49个,钻孔量:2262.3m,相邻钻孔终孔水平间距为5m。
图1图22钻机及设备选择(1)钻机:ZDY3200S 型全液压钻机,额定转矩3200N.m,额定转速70~240r/min。
(2)钻杆:Φ63.5/73mm 肋骨钻杆。
(3)空压机:埃尔特空压机,型号:MLG21/10-132G,排气压力:1.0MPa,排气量:21m 3/min。
(4)潜孔锤1)潜孔锤的类型采用CIR90型低压冲击器,以压缩空气为动力,冲击器长度820mm,Φ80mm,冲击行程50mm,施工选择锤头Φ110mm、Φ90mm。
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0.7M Pa～2.5M Pa。
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：Dkdf n π= （式1.2） 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 ）。
表1.3 不同地层中气动潜孔锤钻进的钻速 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。
