气动潜孔锤钻进技术

126
1485 152-165
47
1161 105-114
129
1295 152-165
4、贯通式潜孔锤
（吉林大学建设工程学院） （GQ-200型）
1、钻杆内管 5、心管 2、钻杆外管 6、内缸 3、扶正环 7、活塞 4、外 缸 8、衬套
9、钻头
A、上腔 B、进风孔 C、下腔
潜孔锤外径（mm）
190
上世纪80年代国外已将风动潜孔锤拓宽应用到地质岩 芯勘探领域，将潜孔锤施工爆破孔几米至十几米深延伸到勘 探钻孔的几百米深，将潜孔锤爆破孔只成孔不取芯发展到取 芯取样钻进，并由普通正循环钻进发展为中心取样钻进，即 CSR(Center Sample Recovery)钻进方法。
80年代开始，随着潜孔锤应用于勘探领域，国外钻探 技术人员开始研究贯通式潜孔锤及反循环钻进技术。时值我 国七·五计划开始，原地质矿产部瞄准国际前沿，也将贯通 式潜孔锤及反循环钻进技术列为重点科技攻关项目，由原长 春地质学院承担研究工作。
气动冲击器，从使用的观点出发，它应具有以下一些要求。 1．结构简单、便于制造与维修； 2．工作稳定可靠，防空打机构灵活，潜入深水密封性好； 3．孔底岩屑排除效果好； 4．深孔钻进用冲击器在高背压条件下应有良好的工作基础； 5．有良好的能量恢复作用，能耗较小； 6．有较高的钻进速度和使用寿命。
1. 阀式气动潜孔锤
1—上接头； 2—密封圈； 3—弹簧；
4—止逆阀； 5—垫圈；
6—密封圈；
7—进气座； 8—内缸；
9—外缸； 10—喷嘴； 11—冲锤； 12—隔套； 13—导向套； 14—圆键； 15—下接头； 16—钻头
3. 高风压气动潜孔锤
该类冲击器适于高风压下工作，属无阀式中心排气型冲击器。是仿美国英格 索—兰德公司的DHD—360冲击器设计的。由嘉兴冶金机械厂、宣化风动工具厂等单 位生产。该冲击器的特点是活塞大端冲击钻头尾部，能量传递效率高，活塞大端直 接与外缸接触，在相同外径限制下，活塞有较大的做功面积。
包括矿山采矿用竖井、通风井、充填井、诽水井等，亦用于大型多方 向反向井施工(Raise Drilling)和高垂直度的冻结孔施工。 9．其他应用领域
如地下坑道用管棚法施工时打水平孔，铺设地下管线和栽埋线杆施工 等。
二. 气动潜孔锤的分类及特点
按其配气类型分：有阀及无阀两种； 按其结构类型分：贯通式及非贯通式两种； 按其工作压力分：低风压、中风压、高风压。
气动潜孔锤对容易孔斜的岩层，如片理、层理发育，或者 软硬不均匀以及多裂隙的岩层等，能有效防止或者减少孔斜。
气动潜孔锤还能克服某些卵砾石层、漂砾层钻进困难。
气动潜孔锤钻进的应用领域：
1．固体矿产勘探 在地质设计允许用岩屑取代岩心时均可采用潜孔锤钻进，以大幅度提
高钻进速度。自从出现贯通式潜孔锤和取心潜孔锤(在港孔捶下部接岩心管) 之后，很大程度扩展了其在固体矿产勘查领域的应用。 2．砂矿床勘查
5、大直径湿式反循环潜孔锤
三. 潜孔锤多工艺钻进技术
1.常规潜孔锤钻进
常规潜孔锤钻进指的是采用普通潜孔锤进行全面破碎孔底 岩石的一种钻进方式。它是最早使用的一种以单一干压缩空气 作为动力（后来发展加入雾化、泡沫等介质）风动工具。它所 产生的冲击能量，可直接传给钻头，利用冲击器排出的压缩空 气以正循方式冷却钻头和排屑。
W—200型无阀冲击器结构图
W型无阀冲击器为国产中心排 气的潜孔冲击器。结构见图。
其工作原理为压缩空气经上 接头1，逆止阀4进入进气座7的后 腔，然后压气分两路前进；一路 经进气座和喷嘴10进入活塞和钻 头的中空通道，在孔底冷却钻头 和喷吹岩屑；另一路进入内缸14 之间的环形腔（此腔作为活塞运 行的进气室）。位于进气室的压 气，经气缸的径向孔以及活塞上 的环形槽进入
单次冲击功（J）
720
贯通孔直径（mm）
62
冲击频率（HZ）
18
钻孔直径（mm）
200-250 耗气量（m3/min）
14
潜孔锤长度（mm）
1468 潜孔锤压力降（MPa） 1.0
贯通式潜孔锤工作原理图见图2.2。压 缩空气经双通道气水龙头2由双壁钻杆5进 入贯通式潜孔锤的上接头环状间隙，推开 逆止阀6，充满外缸和内缸8之间的环状通 道，由内缸8上的径向进气孔进入前后气室 推动活塞9往复运动产生冲击能量。前后气 室内做功后的废气分别排入活塞9与心管7 之间的环状通道，进入钻头上部环槽，经 钻头花键槽底部留出的通道由钻头排气孔 排出。经扩压槽和孔底岩石的反射作用， 并在钻头抽吸孔的强力抽吸作用下，气体 携带岩样直接进入钻头中心，经潜孔锤的 贯通孔和双壁钻杆的中心通道，通过双通 道气水龙头的鹅颈弯管3、排渣管1最后排 到地表收集岩样设备中，实现不停钻连续 取心（样）钻进高新工艺。
(一)常规潜孔锤钻进方法特点 该钻进方法特点是不取岩心，孔底全面破碎，岩屑量大，
并全部由高速气流携出孔外。因此，能否将孔底破碎的岩屑及 时、干净地排出孔是关系到钻速高低和能否维持正常钻进的关 键。这常就规要潜保证整个钻孔中，各段上返风速都不应低于排屑要 求（一般为15m/s），特别是孔口处，风速不能下降太多。因此， 设计钻孔结构时，应根据地层条件和潜孔锤钻进工艺的要求尽 量简化，最好一径成井，这对于爆破孔、工程施工孔、锚杆孔、 帷幕灌浆孔等均可实现。当钻凿水井时，潜孔锤钻进方法多用 于基岩钻进，完整岩层多为裸眼井身，上部覆盖层用套管隔离。 此外，水位以上的大裂隙和溶洞也必须用套管封闭。有时需下 入更大直径的水泵，不能一径成井，但可用潜孔锤扩孔钻头扩 孔。此时需要下入两层套管，外层套管用以隔离覆盖层，内层 套管为钻进技术套管。先用经济井径钻到预定深度，然后起出 技术套管，再用选定的潜孔锤扩孔钻头扩孔，至需要的深度。
2. 无阀式气动潜孔锤
（嘉兴JG150型）
嘉兴潜孔锤类型和技术参数
型号
风压 耗风量 冲击功 （MPa） （m3/s） （J）
JG-80 1.05
4
111
JG-80B 0.63
0.1
108
JG-100 1.05
4.5
210
JG-100A 1.05
5.4
210
JG-150 2.46
6.5
608
J-100B 0.63
5．爆破孔施工 包括矿山采矿、水电、交通等建设中的爆破孔以及人工地震的震源孔，
都广泛采用潜孔锤钻进。 6．锚固与注浆工程施工
用潜孔锤施工各种用途的锚固孔与注浆孔都比普通回转钻进方法优越的 多，特别在某些滑坡治理和挡土墙锚固孔施工时往往忌用液体介质。 7．基础工程施工
主要指用潜孔锤施工钻孔灌注桩(特别是嵌岩桩)和地下连续墙。除用单 体潜孔锤外，大断面基础工程可用组合式潜孔锤施工。 8．矿山竖井施工
工作原理：
该类型风动冲击器工作原理是在活塞返回行程时（如图 所示），压气由上接头1进入，以配气座10上的长孔①、内 缸12上端的气孔②、外缸13上端的环⑦⑧⑨⑩状空间③、内 缸12的长孔⑤、再经活塞上端与外缸13之间的空间⑦、活塞 下端上的气槽⑧与外缸管下端的环状⑨关闭时，前气室停止 供气；当活塞继续后退至其上端气槽⑥与内气缸12上的气槽 ④相通时，压气仍经①、③、⑤、⑥以及④到达后气室，后 气室开始供气，推动活塞冲程做功。前后气室的废气，分别 由钻头尾部排气管和活塞中心孔经钻头排出至孔底。另外该 冲击器还有一条经配气座中心孔，活塞及钻头中心孔排至孔 底的气路，以作为排除岩屑的补充，该气流的大小由节流塞 直径来调节。
风动潜孔锤20世纪60年代引入我国，70年代我国技术人 员已经自行设计研制风动潜孔锤，应用领域主要是矿山爆破 孔，完成的工作量愈年增加。风动潜孔锤钻进以其很高的钻 进效率、很长的钻头寿命、较低的钻孔成本、并不需配制洗 井介质、适合全天候施工作业等显著特点，在各钻孔领域展 现出巨大的应用前景。
自70年代始风动潜孔锤逐渐扩大其应用领域，发展到水 文水井钻凿，其硬岩钻进效率较常规钻进方法(硬质合金钻进、 钢粒钻进)效率提高5～8倍，风动潜孔锤钻凿水井做为一项高 新技术当时被广为应用。
138
DH-6
0.56-2.46 7.1-36.8 450-1977 1210-1850
136
DHD-340A 1.06-2.45 2.3-13.3 158-694 1090-1800
92
DHD-360 1.06-2.45 4.5-26.6 390-1719 1100-1800
136
45
1138 105-114
气动潜孔锤钻进技术
气动潜孔锤钻进技术
一. 气动潜孔锤的概况 二. 气动潜孔锤分类及特点 三. 潜孔锤多工艺钻进技术 四. 钻进技术参数及操作方法 五. 潜孔锤用于水文水井钻凿
次发明 了以压缩空气做为动力介质的世界第一台风动凿岩机，开创 了潜孔锤钻进的新纪元。
宣化有阀式风气潜孔锤 宣化无阀式风气潜孔锤
宣化潜孔锤类型及技术参数
型号
风压 （MPa）
耗风量 （m3/min）
冲击功 （J）
冲击频率 外径
重量 长度 钻头直
（r/min） （mm） （Kg） （mm） 径（mm）
CIR-90
0.5-0.7
7.2
107.8
840
80
18.5
864
90
CIR-150 0.5-0.7
15.9
333.4
890
136
86
1010
155
CIR-150A 0.5-0.7
17
420
850
89
1008 155-165
CIR-170 0.5-0.7
16.8
421
CIR-170A 0.5-0.7
19.5
500
800
156
102
1150
175
840
119
1142 175-185
DH-4
0.56-2.46 2.3-14.7 152-665 1340-2000
属于这类冲击器在我国使用最多的为J系列冲击器（如 J—80、J—100、J—150、J—200、J—250）和CZ系列冲击 器等。
（嘉兴J200型）
J系列冲击器结构如图所示。 冲击器工作时，压缩空气由接头2 压开止逆阀19进入缸体。进入缸 体的压缩空气分成两路，一路是 直吹排粉气路，经阀座8、配气杆 22、活塞9的中孔通道以及钻头23 的中心孔进入孔底，直接用来吹 洗孔底岩屑；另一路是气缸工作 的配气气路，压缩空气进入具有 阀片7的配气机构，并借助活塞9 与配气杆22、内缸11上的孔及衬 套12上的槽进行配合，使阀片翻 转，实现上、下进排气的转换， 推动活塞往复运动。
我院自主研发的贯通式潜孔锤及反循环钻进技术、大直 径湿式反循环钻进潜孔锤技术相继研究成功，经生产性野外 试验，取得了良好的效果。
应用领域
气动潜孔锤钻进适用的地层几乎可包括所有火成岩和变质 岩以及中硬以上的沉积岩。对于硬岩和坚硬岩层来说，使用潜 孔锤钻进更为有利。因为硬岩和坚硬岩层的脆性大，在冲击载 荷作用下，除局部岩石直接粉碎外，在钻头齿刃接触部位岩石 将产生破裂形成一个破碎区，并产生较大颗粒的岩屑，因而钻 进速度大大高于单纯回转钻进。
某些矿产（如金矿）很多为砂矿床，并且往往赋存在卵砾石层以及含 漂砾的沉积层中，用潜孔锤结合反循环取样效果甚佳。 3．工程地质勘查
工程地质勘查包括陆地和水域，一般多在第四系覆盖层中钻进。当遇 到卵砾石层或漂砾时亦用潜孔锤钻进。 4．水井钻凿施工
这方面应用潜孔锤甚广，既能快速施工，又能提高成井质量，凡是在 基岩井施工设计时都首先考虑采用这种方法钻进。
0.15
165
J-150B 0.63
0.25
400
J-170B 0.63
0.3
430
J-200B 0.63
0.4
520
J-250B 0.63
0.5
560
冲击 频率 （HZ） 23.3 16 19.2 19.2 20 16 0.25 15 17.2 16.2
外径 重量 （mm） （Kg）
76 27.5
1 — 螺纹保护套； 2 — 上接头； 3 － 调整垫圈； 4 — 碟形弹簧； 5 — 节流顺； 6 — 阀盖； 7 — 阀片； 8 — 阀座； 9 — 活塞； 10— 外缸； 11— 内缸； 12— 衬套； 13— 柱销； 14— 弹簧； 15— 花键套； 16— 钢丝； 17— 圆键； 18— 密封圈； 19— 止逆阀； 20— 弹簧； 21— 磨损片； 22— 配气杆； 23— 钻头； I — 防空打孔； II— 内外缸环形腔； III— 衬套沟槽
76
19
92 37.5
92
46
137 138
95
30
136
81
156
94
188 163
215 208
长度 （mm
） 957 854 1164 1164 1591 870 1012 1196 1299 1474
钻头 直径 （mm） 90 90-95 105-115 105-115 155-165 110 155-235 175-240 200-210 250-300