浅析气动潜孔锤钻进技术在钻探中的应用

空气潜孔锤在深部地震探测中的应用摘要:通过项目的实施,空气潜孔锤钻机在25d时间内每台钻机成孔量达到800余米,对深部地震探测爆破孔钻进中存在的问题进行了分析,提出了有效的解决办法,文中较详细的介绍了设备选择,空气潜孔锤钻进工艺等,该工艺在地震探测中有广阔的应用前景。

关键词:深部地震探测空气潜孔锤物探爆破孔“秦岭造山带与南鄂尔多斯盆地地壳精细结构与动力学响应”是国家自然科学基金重点项目,该项目于2010年10月被批准立项。

中国地震局地球物理勘探中心与中国科学院地质与地球物理研究所合作共同承担了该项目中“华北克拉通西部秦岭造山带与南鄂尔多斯盆地地壳与上地慢人工源高精度地震探测与精细速度结构刻画”专题的野外深部地震探测、地震资料采集和基础数据处理工作。

1 地理状况工作区主要集中在山区,探测剖面大部分区段位于陕西省内,南端进入了四川省东北部与重庆市交界地区,基本呈北东方向展布,向北进入陕西省,终止于榆林附近。

沿剖面穿过了不同的地形条件和地理环境,跨越了大巴山造山带、秦岭造山带、秦岭北缘大断裂、渭河断裂、乾县—蒲城断裂以及口镇—关山断裂构造带和不同的地质构造单元。

地处山区,地形复杂。

工作区落差很大,高的在海拔2000 m以上的山坡或山顶,每个爆破激发点的距离约为150 km左右。

2 地层特点及钻井的主要问题工作区广泛分布砂岩、石灰岩、个别地区有花岗岩,并且有的地区岩石岩溶化比较严重,因为地层条件比较复杂且不稳定,会在在钻井过程中出现一系列不利现象。

3 空气潜孔锤技术及工艺3.1 设备选用钻探设备选用J-150B潜孔锤钻机2台,LGC-17/14、5空压机2台,钻杆全部为Φ89 mm,Φ194 mm球齿合金钻头2套,Φ180 mm球齿合金钻头2套。

3.2 施工工艺及参数3.2.1 钻孔结构在岩石岩溶化的地层,开孔直径应是194 mm,下入套管坐到基岩上护壁,终孔直径是180 mm,基岩地层直接开孔180 mm到终孔。

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。

刍议气动潜孔锤在水井施工中的应用作者：钱天寿来源：《中国新技术新产品》2011年第15期摘要：介绍了气动潜孔锤工艺在水井施工中的设备选用和钻进参数及在应用中应该注意的问题。

关键词：气动潜孔锤；钻进参数；空压机；水井施工中图分类号：TE242.6 文献标识码：A气动潜孔锤钻进是属于空气钻进的一个分支，它是把空压机产生的压缩空气作为动力，通过不断改变冲击器内的进气方向，实现活塞在气缸内的不断往复运动产生冲击功和冲击频率直接作用在钻头上，然后在通过钻机和钻杆的回转驱动，形成对岩石的脉动破碎，同时利用冲击器排出的压缩空气把岩粉携带出孔外的一种冲击回转方法。

1 气动潜孔锤技术优缺点气动潜孔锤是以压缩空气作为动力介质完成冲击回转钻进，具有空气洗井钻进的特点。

较之传统的硬质合金回转钻进有成倍的功效。

特别是在高寒地区进行基岩水文钻探作业，对于缩短辅助时间、降低成本具有明显效果。

近年来在我国被广泛应用于采矿业凿井和基础工程等各个领域。

1．1 气动潜孔锤钻进的优点1.1.1 钻进效率高，成井周期短。

实践证明，气动潜孔锤钻进比液动潜孔锤钻进效率可提高2～5倍；比硬质合金回转钻进效率提高3～l0倍。

效率提高的原因是：单次冲击功大，无液柱压力；排渣风速高，孔底干净，无二次破碎，改善了孔底碎岩条件；成井后可直接下泵抽水，无需洗井，减少了洗井工序。

1.1.2 钻探成本低。

气动潜孔锤钻进配用的球齿硬质合金钻头在坚硬破碎岩石中钻进，既有利于破岩，又比普通硬质合金钻头寿命高；该工艺是用空气作为循环介质，施工中只需要极少量的生产用水，在干旱缺少水源的施工现场，可节省生产用水费用，又避免了供水系统的维护和设备运行，特别是在寒冷的冬季施工，大大缩短了辅助时间，降低了运行成本。

1.1.3 钻孔垂直度有保证。

气动潜孔锤钻进转速低，离心力小，钻具对孔壁的撞击机会小，此外这种钻进方法是以高频对孔底进行冲击，减小了对破碎或倾斜地层产生孔斜的影响，从而可提高钻孔的垂直度，一般孔斜度≤0.50/100m，同时也可减少孔壁岩石坍塌。

浅谈气动潜孔锤钻进技术的应用摘要：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，为使这一技术能够更好的应用，作者以实践为依据，参考有关技术资料，对气动潜孔锤钻进技术的应用进行了论述。

关键词：气动潜孔锤钻进技术一、前言气动潜孔锤钻进是当代多工艺空气钻进技术方法之一，由于它具有钻进效率高、钻孔质量好等一系列优点已被广泛应用，而且得到了大家的认可。

此项钻进技术迄今为止已有50多年历史，早期用于建筑业，随后扩展到采矿、钻凿水井。

我国于20世纪80年代初期，在基岩水井施工中开始应用这一技术。

经过几十年的科研开发和推广应用，现已取得了非常显著的成效，从根本上改变了长期存在的钻进效率低、成本高、成井质量差、出水量小、使用寿命短等问题。

二、气动潜孔锤钻进原理气动潜孔锤钻进是以压缩空气作为动力，推动潜孔锤工作，利用潜孔锤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表。

由于用途范围的不断扩大，促进了潜孔锤向多品种（常规式、偏心式、中空式、多种口径）、大口径以及集束式发展。

三、气动潜孔锤钻进的优点1.适用于极硬、中硬地层中钻进，效率和成孔质量均很高。

2.所需钻压小。

一般钻压在10～30kN。

3.钻孔垂直度好。

4.设备损耗小。

与回转钻进相比，潜孔锤钻进所需扭矩较小，这样对设备的损耗相对很小。

5.潜孔锤钻进维修费用低，使用寿命长，每米进尺成本比一般回转钻进降低50%。

6.钻进时不用水，有效的解决了干旱缺水地区施工供水困难问题。

四、气动潜孔锤钻进技术参数1.风量、风速和风压风量的确定，一方面是要根据所用冲击器的性能而定，另一方面则要满足所需的上返风速。

因为岩屑在气流介质中由于本身的粘度、密度和形状的不同而具有不同的悬浮速度，因此要使岩屑有效的排出孔外，达到孔底干净，就必须采用大于岩屑悬浮速度的上返风速才行，这也是潜孔锤钻进时重要参数之一。

除了反循环气动潜孔锤钻进不受孔径的限制外，正循环钻进风量在钻杆与孔壁环状间隙中的上返流速，不少资料推荐宜在15m/s～30m/s。

风动潜孔锤钻探工艺在岩土工程中的应用风动潜孔锤钻探工艺是以压缩空气作为动力带动孔内冲击器工作，钻头以冲击一回转破碎岩石，同时利用高压气流作为携粉介质。

这种方法克服了常规钻进中单一的切削破碎缺陷及泥浆携粉带来的漏失及孔壁坍塌等缺点，具有钻进效率高、成孔质量好且成本较低的优势，是破碎坚硬岩石层及松散的漂卵石地层的首选钻探工艺。

然而，风动潜孔钻探工艺的效率，受关键设备——空压机的风量、风压——制约较大，且破碎地层漏风、塌孔、返渣率低，因而必须因地制宜，采用本文所介绍的工艺方法以提高风动潜孔锤在复杂地层中的钻进效率。

1．岩土工程施工常用的潜孔锤钻具组合和钻进参数1．1钻具组合Φ50(Φ73)变通钻杆+Φ90-110冲击器+Φ110-Φ130球齿冲击钻头。

1．2钻进参数风量：9—12m3／min风压：0．5—0．7Mpa转速：25-30r／min钻压：300—500N2．偏心潜孔锤跟管钻进工艺在松散破碎复杂地层钻进，尤其是锚杆土钉类水平孔钻进中，塌孔卡钻一直是造成钻效低甚至钻孔钻具报废的难题，我们通过实践研究采用偏心潜孔锤跟管钻进工艺较好地解决了这个难题。

偏心潜孔锤跟管钻进是利用偏心潜孔锤在破碎地层跟管钻进克服所遇到的塌孔、卡钻、漏气等问题，使返渣效率大幅度提高而空压机耗风较少，因此，钻孔质量高，钻进效率大幅度提高。

如我院在某导弹试验区高边坡治理锚索工程施工中，钻孔所遇地层0-15m 为中等风化花岗岩，岩体破碎，节理裂隙发育，用Φ90冲击钻配Φ110偏心钻头，跟Φ16 8护壁套管，钻进时速在3-5m／h而相同地层未用偏心潜孔孔锤，出现塌孔、卡钻，每孔钻探时间少则一个班，多达几天，钻进效率极低，且钻探事故频繁，经常出现卡钻，导致钻孔钻具报废。

3．螺旋钻杆用于潜孔锤钻进工艺潜孔锤钻探工作的效率高低，取决于关键设备——空压机的性能好坏。

一般来说，钻孔深度、孔径愈大，岩土体愈破碎，则要求空压机的风量和风压愈大，然而，一般单位多数有6-12m3／min高压空压机，在施工深度大于20m的破碎岩土体中，常出现上返气流小、大颗粒吹不上来、重复破碎、加杆困难、埋钻等事故，利用两台或多台空压机并取送风，其管路连接复杂，而且不经济。

气动潜孔锤跟管钻进技术在钻孔桩施工中的应用摘要：以澳门地区实际工程为例，浅析气动潜孔锤跟管钻进技术原理及在钻孔桩施工中的应用。

关键词：跟管钻进技术气动潜孔锤钻孔桩The Application of Pneumatic DTH Hammer Drilling with Casing Technology in the Construction of Bored PilesYao suixi(China Civil Engineering Construction Corporation, Beijing 100038, China)AbstractExamples of actual construction projects in the Macau region, simple analysis of the application of pneumatic DTH hammer drilling with casing principle and technology in the construction of bored piles.KeywordsDrilling with Casing Technology , Pneumatic DTH hammer，Bored Piles1 引言气动潜孔锤跟管钻进成孔技术是多工艺空气钻进方法之一，广泛应用于地质勘探、水文钻井、滑坡防治、隧道及桥梁等工程领域。

近年来在城市建筑施工中亦多有应用，尤其适用于第四系冲击层地质的钻孔作业，具有钻进速度快、成孔率高、成孔深度大等优点。

2 气动潜孔锤跟管钻进成孔原理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。

跟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。

在不同地层中气动潜孔锤钻进技术探讨目录一、前言 (2)二、气动潜孔锤的工作原理 (2)三、气动潜孔锤的分类 (3)3.1 有阀式潜孔锤 (3)3.2 无阀式潜孔锤 (3)四、潜孔锤钻进工艺方法 (4)4.1 潜孔锤正循环钻进 (4)4.2 潜孔锤反循环钻进 (4)五、气动潜孔锤的钻进方法 (5)5.1 土层中气动潜孔锤的钻进方法 (5)5.2 卵砾石层中气动潜孔锤钻进方法 (5)5.3 硬岩地层和基岩地层中气动潜孔锤钻进方法 (5)5.4 复杂地层中气动潜孔锤钻进 (6)5.4.2 同步跟管钻进法 (7)5.4.3 贯通式气动潜孔锤反循环钻进法 (7)5.4.4 泡沫钻进法 (7)六、结语 (8)一、前言气动潜孔锤钻进广泛应用在露天开采和采石工作水井钻进、矿物勘探、桩孔钻进、现场勘察、岩层加固、桩墙钻进、地层锚固、特殊的地下钻进、地热孔钻进、通讯孔钻进、浅孔钻进、排水管和接地杆的安装等。

这样会遇到各种不同的地层情况。

二、气动潜孔锤的工作原理在气动潜孔锤钻进过程中，高压空气驱动冲击器内的活塞作高频往复运动。

并将该运动所产生的动能源源不断的传递到钻头上，使钻头获得一定的冲击功。

钻头在该冲击功的作用下，连续的对孔底岩石施行冲击。

岩石在该冲击功的作用下，形成体积破碎。

同回转钻进相比，该工艺是以钻头冲击破碎岩石取代了切削岩石；以动载冲击代替了静载研磨，以岩石的体积破碎代替了研磨剪切破碎。

在潜孔锤钻进的同时，一部分被体积破碎下来的岩屑被具有一定压力及速度的空气吹离孔底，并排出孔口、减少了岩石重复破碎的机会。

所以气动潜孔锤有较高的钻进效率。

气动潜孔锤的选择主要涉及其性能参数（冲击功、冲击频率、冲击能量以及压缩空气耗用量）、钻进规程（风量、风压、钻压、转速）和钻头。

实际上良好的冲击器应达到两个指标：及有较高的破碎岩石效率和较长的钻具寿命。

三、气动潜孔锤的分类气动潜孔锤按配气类别分为两大类：有阀式潜孔锤和无阀式潜孔锤。

⽓动潜孔锤钻进技术⽓动潜孔锤钻进技术摘要：⽓动潜孔锤的应⽤领域及分类和特点，根据常规潜孔锤钻进⽅法特点进⾏了总结与分类，吉林⼤学⾃主研发的贯通式潜孔锤及反循环钻进技术，研究成功，经⽣产性野外试验，取得了良好的效果。

关键词：⽓动潜孔锤、钻进技术、反循环1.概述风动潜孔锤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。

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。

2. 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。

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。