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

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：

D

kdf 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