气动潜孔锤技术

湖北省地质环境总站工程中心2021培训讲课人：罗会军邮箱：岩土钻凿工程在当前我国经济建设中已占有愈来愈重要的地位，其应用领域已不仅涉及矿产的勘探与开发，而愈来愈多地涉及建筑、供水、市政、交通、环境等方面。而随着我国经济建设的进一步改革开放和建设步伐的加快，这类工程的国际国内市场越来越大，要求也越来越高。因此，岩土钻掘技术及工艺水平的开展对我国的各类工程建设及经济开展起着愈来愈重要的影响，空气潜孔锤钻进以其能够大幅度提高钻进效率，保证工程质量，降低施工本钱，具有显著的技术经济效益而视为现代钻探技术与衡量钻探技术的标志之一，受到国内外钻探行业的重视。风动潜孔锤钻进工艺的诞生及开展是世界钻探技术的一次重大革命，它改变了传统的切削和研磨碎岩方式，使岩石成体积破碎，大大提高了钻进效率和对坚硬及复杂地层的适应性，风动潜孔锤钻进开始主要始于钻凿爆破孔，水井基岩孔，地质勘探孔，国内外研究者为了拓展其应用范围，从潜孔锤结构形式、工作性能，使其适应多种工程应用的要求。空气潜孔钻进技术因其如下的一些特点，是它拓展应用领域的有利条件：1、钻进效率高，生产实践证明，其钻研进效率比波动冲击回转钻进效率高了310倍，效率提高的原因是：单次冲击功大，排渣风速高，孔底干净，无二次破碎；由于无液柱压力，在无地下水的情况下，改善了孔底破条件。2、潜孔锤的柱齿或球齿硬质合金钻头，在坚硬破碎岩石中伴用，既有利于破岩，又有比金刚石钻头寿命高的适应性，大大降低了钻头本钱。3、因钻具转速低，钻具对孔壁的碰撞时机较少，而且这种钻进方法是以高频对孔底冲击，减少了对岩石或倾斜地层产生孔斜的影响，从而可提高钻孔的垂直度，同时，也可减少孔壁岩石坍塌。4、比起回转钻进，潜孔锤钻进所需的钻压和扭矩要小得多。这样可减轻钻机的设备的质量和能力，为大口径硬岩钻进，边坡坑滑加固锚杆孔钻进创造了有利的使用条件。5、风动潜孔锤钻进采用的无循环干式作业，空气既作为动力又作为排渣介质，不污染环境。6、风动潜孔锤工作时单次冲击功在瞬间即可生产极大作用力，因而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。随着潜孔锤结构形式的开展，工作性能的优化，钻研进工艺的完善以及应用时所显示出的优点，使人们越来越认识到潜孔锤钻进在复杂地层、矿产勘探及工程地质勘探、锚固工程、灌浆孔、大坝钻孔中应用具有良好前景。自1871年美国研究制造了一台的蒸汽动力凿岩机以来，不久之后便将注意力转到空气作为动力的研究上，并于1902年由美国英格索兰公司推出了第一台便式移动空气压缩机，从而导致了气动凿岩机的全面开展。空气潜孔锤钻进技术是上世纪初开始试验以及5060年代获生产创造，并于20世纪80年代广为开展形成的，空气钻进技术被视为钻探技术的革命，随着潜孔锤钻进技术以及钻进效率高、钻头寿命长、钻孔质量好的特点，国内外研究者对潜孔锤结构不断改进，工作性能优化，钻研匹配，钻头类型，工艺方法等方面竟相进行研究，使其适应多种工程应用的要求。一 国外的研究现状1、美国是空气潜孔应用较早的国家之一，它从最早的风动凿岩开始，不断进行空气压缩的改进和研究，不断完善和开展风潜孔锤的结构的设计，以及进行潜孔机械的配套，空气不仅作为碎岩动力，排渣及冷却钻头，而且也为钻机提供行走、回转等动力，使其工艺配套更趋完善和合理，其经济效益更加突出。风动潜孔锤的产品越来越多样化和系列化，应用领域越来越广泛。最近几年来，其在大口径工程钻机施工及潜孔定向钻进以及进行非开挖地下管线铺设中取得了较大的开展。2、西德有关公司，为了有效地提高卵砾石中和坚硬岩石的钻进效益，近年来也将潜孔锤钻研进技术较广泛地应用于矿山爆破孔、水井、工程和岩石钻浆中，并取得了较好的效果，特别是潜孔锤取心钻研进技术及汽举反循环工艺得到了较大的开展。二 国内研究现状我国幅员辽阔，地形地貌气候复杂多变，有大面积的沙漠戈壁，大面积黄土覆盖区，大面积高寒缺水或供水困难地区，大面积岩溶地区，并存在冰冻层带，当然还有大量忌用液体循环介质的各种客观条件等宜于开展采用多工艺空气钻进技术，以保证钻探质量，提高钻探速度和降低本钱。我国地质部门曾于19571958年在北京和甘肃锡铁山进行过早期空气钻进试验。6070年代乃至“六五期间不少单位陆续进行研究试验生产应用，虽未能形成较大规模的生产能力，但对开展此技术的认识都是肯定的，地质生产部“七五科技及攻关工程之一“多工艺空气潜孔锤钻进技术的开发研究，经过五年攻关活动，工程所设七项课题和分解进行的此项专题，均取得了丰硕成果，包括如下几下方面：1、空气潜孔锤钻进器具和工艺除了创造条件，大面积拓广应用常规潜孔锤钻进处，开发了反循环“GQ200型贯穿式潜孔锤和配套的“FQ200/250球齿钻头，“QG273/210型跟管钻进钻具，“QXD165和“QXS165型潜孔锤取的钻具，Q150/230、Q230/260、Q260/300mm潜孔扩孔钻头，以及井口密封捕尘装置，并研究总结了一套空气潜孔锤钻进工艺，此项成果对提高我国水文井钻探技术与生产水平效果显著，后来又延伸研制成功孔径95、93mm和8001500mm贯穿式潜孔锤。2、设备研制成功空气反循环钻进用“WP系列双壁钻具114、89、73三牙轮钻头，双通道水龙头，主动钻探及岩样接收装置等，并研究总结了一套空气反循环钻进工艺。3、气举反循环双壁取样器具和工艺设计研制成功SHB系列气举反循环钻进双壁钻杆114、12、140、168mm，各型钻头、气液别离和岩样接收装置等，并研究总结了一套取样判层和钻进工艺。4、空气钻进用泡沫剂和钻进工艺共研制成功四种泡沫剂ADF1、CDT182、CDT183和一种清泡剂DX，其性能到达或超过国外同类产品水平。5、多功能空气钻进用钻机和各类监测系统，为开展多工艺空气钻进技术装备创造了条件。一根据潜孔锤的工作原理及开展动态，拓展其在复杂地层地层松散、钻进困难、孔壁稳定性差钻进时的跟管及拔管应用，同时提出对潜孔锤的改进措施。二根据空气潜孔锤在复杂地层条件下的碎岩优势，研究其松散布地层及基岩地层中的取心钻进，进一步完善钻具配套，拓展其在复杂地层在进行工程地质勘察的应用。三风动潜孔锤钻进行ODEX工艺，它不仅使用了潜孔锤造孔，同时解决了套管跟进问题，防止了钻孔坍塌和重复破碎，提高了钻进速度，本文拟探索，在成孔口径及钻进深度上有所突破，以满足还在水利、水电、工路、铁路、工业及民用等各类灾害及根底施工中的不取心钻进。四空气潜孔锤挤密成孔。目前，我国土层锚杆及桩基孔施中常采用冲洗液正循环和长螺旋杆干式作业钻进方法。用正循环钻进法因受施工场地，冲洗液排放及污水处理等条件限制，一般很少采用。而长螺旋干式作业不仅消耗功率大，而且钻进效率低，本钱高，因此一开展潜孔锤锥开钻头挤密成孔研究具有较为广泛的应用前景。五非开挖地下管线施工中潜孔锤钻进，它是一种机构简单，使用广泛，费用低的非开挖铺管施工设备。空气潜孔锤是以压缩空气为功力的一种风动冲击工具。它所产生的冲击功和冲击频率可以直接传给钻头，然后再通过钻机和钻杆的回转驱动，形成对岩石的脉动破碎能力，同时利用冲击器排出的压缩空气，对钻头进行冷却和将破碎后的岩石颗粒排出体外，从而实现了孔底冲击回转钻进的目的。因此，冲击器的结构、性能是实现风动钻进的重点。1、按冲击器的配气方式和结构特点，可以分为有阀和无阀两种类型1有阀式冲击器，这类冲击器的特点，是由配气结构的阀片控制的。按排气方式可分为旁侧排气和中心排气两种。旁侧排气冲击器使用最早，因其气缸内的气体由钻头两侧排出，故称旁侧冲击器、中心排气冲击器是使汽缸内的气体经钻头的中心孔排出。这种冲击器的排粉效果好，钻头使用寿命长，钻进效率高，较旁侧冲击器更适用于潜孔钻进的条件和要求。目前，用于岩土钻掘的冲击器多为中心排气冲击器。2无阀冲击器，这种冲击器没有阀，控制活塞往复运动的配气系统是布置在汽缸壁上，当活塞运动时自动配气。由于这类冲击器不用阀片配气，所以称为无阀式冲击器。这类冲击器的工作压力比有阀式要低，在相同工作压力下产生的冲击功要大一些。2、按冲击器的额定工作压力，可以分为低风压冲击器和中高风压冲击器。低风压冲击器，一般是指其额定工作压力在0.50.7Mpa，如宜化一英格索兰矿山工程机械生产的CIR系列，无锡探矿机械产生产的WC及DJ系列，嘉兴冶金机械厂生产的厂系列冲击器。中高风压冲击器，是指工作压力在0.7Mpa以上冲击器，如宜化英格索兰矿山工程生产的DH和DHD高风压系列，无锡探矿机械产生的CJ2、GQ、CJ系列冲击器，嘉兴冶金机械厂生产的JW和JG系列冲击器。一般将工作压力在0.71.2Mpa的冲击器叫作中风压冲击器，工作压力在1.2Mpa以上的冲击器叫作高风压冲击器。按冲击的钻进口径可分为小口径冲击器和大口径冲击器，孔口径在200mm以下的冲击器为小口径冲击器，如CIR90、CIR110、CIR150、CIR170、J80、J80B、J100、J100B、J150等系列冲击器，成孔口径大于200mm的冲击器叫做大口径冲击器如DH、DHD、CJZ、JW200、J200B、J250、FGC15等系列冲击器。按潜孔锤锤的中心通孔形成分为普通潜孔锤和贯穿式潜孔锤。如FGC15O 为贯穿式潜孔锤，其余为普通式潜孔锤。贯穿式潜孔锤的研制成功，为进行大口径硬岩、砂卵石层钻进，以及进行反循环连续取样及绳索取的钻进技术的开展创造了条件，提高钻进效率的同时，降低了设备压缩机风量及风量配套要求，提高了钻进深度。冲击器是一个能产生冲击作用的气功装置，其根本结构一般由配气机构，内外缸、活塞几局部组成。其根本结构见以下图。1 上接头2 密封圈3 逆止阀4 弹簧5 配气座6 阀垫7 内缸8 活塞9 外缸10 缓冲圈11 半圆卡12 胶圈13 外管14 花键套通过不断改变进排气方向，就可实现活塞在气缸内的不断往复运动，从而也能不断反复冲击钻头，这就是气功冲击器工作的最简单原理和过程。造成控制反复改变进排压缩空气方向的机构叫配气机构，配气机构是冲击器的核心局部，当压缩空气进入前气室时推动活塞上行，当压缩空气进入后气室时推动活塞下行。活塞是冲击器的一个能量转换装置，它依靠活塞运动将压缩空气的能量转换为冲击的机械能，一般是以冲击动态表示，冲击功的大小决定于活塞的重量及运动速度。下面就以右图阐述冲击器的根本工作原理。压缩空气经左侧进气缸进入内缸和外缸间的环槽，由内缸的径向进气孔进入前气室图中位置，推动活塞上行回程，后气室内气体由于容积变小而排气，经活塞上端内孔与上接头下部芯管之间环状间隙排到衬套的下环槽，此时前气室处于进气行程，后气室处于排气行程。当活塞中部环面接触内缸下端内孔后，既关闭了前气室的进气通道，前气室处于封闭状态，室内压缩气体开始膨胀作动，继续推动活塞上行，此为膨胀过程。当活塞上端内孔与芯管密封面接触而关闭排气环槽后，后气室内气体处于压缩状态，进入压缩行程。活塞继续上行，当底端面越过衬套上径向排气孔后，前气室开始排气，经衬套内孔直接排到下部环槽，此时前气室为排气行程。当活塞上环面越过内缸环槽后，压气开始进入后气室，后气室处于进气行程，活塞作减速运动，直至速度为零而停止运动，即完成了活塞的回程运动。活塞冲程时前后气室经历的过程相反，前气室依次经历排气行程，压缩行程和进气行程，后气室依次经历进气行程、膨胀行程和排气行程。经潜孔锤作功后的废气内衬套下环槽经外缸径向孔排至外缸与外套管之间的环状通道，再经上接头右侧排气孔及专门排气管排出外，压气在孔内形成完全的封闭循环。空气潜孔锤钻进技术不同于普通的切削与研磨原理。它是将压缩机产生的压缩空气的能量通过空气潜孔锤这个能量转换装置，对需要破碎的岩石产生高频的冲击能量，当这个能量冲击功到达岩石的临界破碎功时，便产生体积破碎，同时工作后的气体在一定的风速条件下将岩石颗粒排出孔外以实现钻进的目的。潜孔钻钻进的操作技术虽然简单，但是没有科学和熟练的操作，不可能取得理想的钻进效果，有时还可能发生麻烦。因此，合理的选用钻进技术参数如钻压、风压、风量和转速是取得理想钻进效果的根本条件。一、钻压空气潜孔锤钻进的根本工作过程，是在静压力钻压、冲击力和回转力三种力作用下不碎岩的。其钻压的主要作用是为保证钻头齿能与岩石紧密接触，克服冲击器及钻具的反弹力，以便有效地传递来自冲击器的冲击功。钻压过小，难以克服冲击器的工作时的背压和反弹力，直接影响冲击功的有效传递，钻压过大，将会增大回转阻力和使钻头早期磨损。对于潜孔锤全面钻进，一般认为单位直径的压力值在3090kg/cm，而对于潜孔锤取心钻进，压力推荐值可查资料较少，据中国地质大学对空气潜孔锤取心钻进的压力推荐值，在软至中硬岩层为78199N/2，据成都水文队试验资料通过钻压计算，在软至中硬岩层一般多为2.944.9KN，即单位面积上的钻压为4168N/2。但笔者认为，钻压的合理选择应考虑到钻进方式裸孔或偏心跟管、全面钻进或取心钻进，设备性能、钻具匹配钻具钻量，以及所选用的冲击器的性能如低风压还是中高压，因工作压力的不同而背压不同进行综合考虑，既要到达最正确的钻进效果，还要最大限度地减少钻具及钻头的磨损。二、转速转速的上下主要和冲击器的冲击频率，规格大小以及钻岩的物理机械性质有关。一般转速选用每分钟20转左右为好，转速过高会造成钻头的严惩磨损和钻进效率的降低，由于气功潜孔锤进是以冲击碎岩的，回转速度为改变钻头合金的冲击破岩位置，防止重复破碎，因此，合理的转速应保证在最优的冲击间隔范围之内。最优冲击间隔确实定，多采用两次冲击间隔的转角表示，转速与冲击频率和最优转角的关系式如下：A=n 260/f 度 式中：A-最优转角度 n-钻具转速 r/min f-冲击频率 次/min美国水井学会NWWA康伯尔认为在硬岩中两次冲击之间的最优转角为11，因而主张钻机立轴转速在1830r/min。而在多年的施工过程中，通过对各种地层及潜孔锤钻进的不同钻进试验应用，认为钻速选择在2050转/分是比较合理的，对于硬岩层选用低转速，对于软岩层选用较高转速。三、空气压力潜孔冲击器的冲击频率和冲击功都与空气压力有关，空气压力是决定冲击功的重要因素，因而也是影响机械钻速的主要参数，从国内外大量资料证料，机械钻速的提高和空气压力的提高是成正比关系。例如：空气压力从0.6Mpa提高至1.03Mpa时，钻进速度可提高一倍。空气压力除满足潜孔锤工作压力外，还应克服管道压力损失，孔内压力降、潜孔锤压降外，尚须在有水情况下克服水柱压力，才能正常工作。P=Q2PmP锤P水式中：P-空气压力 Mpa Q2-每米干孔的压力降一般为0.0015Mpa/m L-钻杆柱长度m Pm-管道压力损失Pm=0.10.3Mpa P锤-潜孔锤压力降 Mpa P水-钻孔内水柱压力从上式可以看出在无水条件下，钻时深度增加，空压压力越大，钻进深度越大。四、空气量空气钻进中空气清耗量是根据气动潜孔冲击器的性能参数耗气量及为去除孔内岩屑的最低上返速度而确定。根据文献资料推荐，为保持去除和携带孔底岩屑的钻孔环隙，上返速度，取心钻进成，上返速度V=1015m/s，全面钻进时V=2025m/s，为满足上述要求对空气量的计算，一般采用下式：Q=47.1k1k2(D2d2)V式中：Q-钻进时所需空气量m3/minK1-孔深损耗系数，孔深100200m以内取1.01.1K2-孔内涌水时，风量增加系数，其值与涌水量有关，中等和入涌水量成K2=1.5D-钻孔直径md-钻杆外径V-环状间隙气流上返速度总之，钻进技术参数的选择应考虑到岩石的机械特性，冲击器的性能，钻孔深度，孔内水柱压力，钻孔口径等诸多因素，在取得最正确的钻速同时，防止更多的动力及本钱消耗。上一章就空气潜孔的类型、工作原理及钻进技术参数已有综述，我们知道空气潜孔潜是实现空气钻进的核心局部，而冲击器的核心是活塞这个能量转换装置，由它产生高频的振动及冲击作用直接传递给钻头而实现钻进目的。因此，就如何根据潜孔锤的结构特点及工作原理来改变力的传递方向，以实现其在复杂地层中钻进分步跟管护孔，及拔出导管是本章的研究重点。在常规钻操作工作中，跟管与拔管都是靠吊钟来实现，但其劳动强度大，工作效率低，特别是在水平孔钻中孔施工中会增加大量的人力消耗，而却效率极低，甚至无法进行工作，达不到设计目的。年年，在成都市顺城街地下通道管棚施工及三角处交流中心深基坑支护成孔，锚杆施工中遭遇此困难，因地层皆为第四系列卵石层且地下水皆已疏干，护孔极为困难，虽当时已有偏心跟管工艺应用，但因该工艺在生产中的应用还不十分成熟，且钻进深度远达不到当时深度的要求，给施工带来较大困难，为此，在通过如何就就根据冲击器的结构特点及工作原理进行认真分析后，成功实现了空气潜孔锤在跟拔管施中的应用，解决了施工难题，并创造了较好的社会及经济效益，为在复杂地层中进行水平孔钻进提供了有利的技术支撑，使空气潜孔钻进工艺在非开挖铺设管线，隧道管棚施工，边坡锚杆及锚索施工以及钻探埋卡钻的事故处理上得到了更为广泛的应用，拓展了空气潜孔锤的应用领域。笔者于年首次在成都市顺城城街过街通道管棚施工中应用，解决了在水平施工中跟拔管困难以来，后屡次在进行非开挖铺设管线，深基坑锚固支护，边坡锚索，锚杆施工中得到进一步应用，并使之与偏心跟管潜孔锤钻进工艺相结合，使该方法得到了更为广泛的应用。空气潜孔锤跟管的根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导管上，将导管跟入孔内，其具体过程如下：空气压缩机产生的压缩空气进入冲击器，使活塞在气缸内产生往复运动从而对打杆产生高频的振动冲击作用，打杆再将冲击频率及冲击力传递到导管，使导致管在高频振动及冲击作用下跟入地层而到达护孔的目的。二、跟管实现机具1、下缸接头，原冲击器下缸接头是实现传递回转和扭短作用的，而跟管是在不回转下进行的，因此，需对下缸接头进行改进。、打杆：打杆及作用相当于钻头，冲击器活塞直接其上，其与岩心管接头连接，接头又与导管相接，因此打杆直接将冲击功传递至导管。、岩心管接头：岩心管接头其作用是将打杆及套管连接在一起，同时为了让冲击器工作后的气体排出，通常在接头上钻口径mm的排气孔，以降低导管内的气体背压。在复杂比层中进行垂直或水平孔施工中往往进行跟管钻进，当钻进完毕或发生孔内事故，经常遇到起拔导管的问题。常规方法为使用吊锤和千斤顶进行强力起拔，但往往失败和将导管拔断，后采用潜孔锤法，利用其高频振动进行松动和解卡，再施以一定的起拔索引力，可将导管轻松拔出。一、拔管原理将冲击器下缸接头重新进行改进加工成一打垫，冲击器活塞直接作用于打垫上，打垫将冲击作用传递给外缸，再通过外缸与冲击器上接头及导管的连接传递至导管上，导管在高频的冲击及振动作用下拔出孔外，冲击器工作后的气体从打垫的中心孔排出。二、主要实现器具1、打垫：其作用相当于钻头，直接承接冲击作用。、连接三通：其作用为连接冲击器与导管，同时将气送入冲击器。冲击器跟管拔管技术，有人曾屡次在米的孔内应用，几乎全都应用成功，如在施工中确有困难时，可加大冲击中的性能，施加较大的牵引力。但值得注意的是冲击器工作时的高频振动，易破坏丝扣，因此在工作过程中应随时将已松动的丝扣旋紧，另外在拔管时，外缸受力后容易产生断裂，可向厂家提出改善材质及增大厚度的要求来解决此问题。空气钻进以其能大幅度钻进效率，保证工程质量，降低施工本钱，具有显著的技术经济效益而被视为现代钻探技术与衡量钻探技术水平的标志之一，受到国内外钻探行业的重视。国外经过半个世纪的开展，进入年代，空气钻进技术日益完善，形成了以含气低密度介质，多种循环方式、多种碎岩方法的多工艺空气钻进技术，广泛应用于石油、煤油、固体矿产、水文水井、工程地质勘察，工程施工等领域，获得了较好的经济效益和社会效益。作为多工艺空气钻进技术配套重要内容的空气冲击回转潜孔锤取芯钻进技术的试验研究，其主要意义在于适应坚硬及复杂地层、干旱缺水、供水困难、以及忌用液体循环介质的水文地质、工程地质、灾害地质勘探，固体矿产勘查，为获得地层的实物岩心资料，满足地质质量及工程技术要求，提高钻进效率，而充分利用空气钻进的主要技术装置和器具，配置适应的取心钻头及钻具即可有效工作。4.1.1 国内外对空气潜孔锤取心钻进技术的研究现状值得指出的是，在应用空气潜孔锤不取心钻进大幅度提高钻进效率的同时，为满足局部孔段岩心采取要求的取心式冲击回转已经提出。多年来，通过不同途径的试验研究获得了较大的进展，坚硬岩石及复杂地层取心钻进取得成功，贯穿式潜孔锤连续取四样及绳索取心技术得到了长足开展。取心技术在各种领域得到了飞速开展。4.1.2 国外根本情况1、原苏联出版的“岩心钻探学，关于空气潜孔锤取心钻进的钻具结构，由气动冲击器+岩心管+气动冲击钻组成，在IXX级岩石中钻进，机械钻速达成2.52m/h，岩心采取率为7580%。2、西德空气潜孔锤主要应用于第四系卵石层和浅孔中，并且应用潜孔锤取心钻进已取钻进展，其钻头型式为原壁园筒，底唇面镶嵌球齿或片齿合金。3、美国刚开展了取心钻进技术在石油、矿山等其它领域的潜孔锤取心应用研究，其工艺也由单位的正循环开展到反循环低密度循环介质领域，在空气钻进深度上有着更大的开展。空气潜孔锤钻进的主要设备与机具配套是：钻机、空压机、气动冲击器、钻具等，以及附属设备。对主要设备机具的根本技术要求：一、钻机：常规油压钻机及水文水井钻机。动力头钻机根本适用。应重视钻机具有相匹配的低转速性能一般2040r/min，具有较好的加压、减压机构，给进行程大、机动性能好，履带式液动力头工程及锚固钻机应优先选用。二、空压机：作为气动冲击器的动力源，又是吹洗井底岩屑，冷却钻头的洗井介质。因其风压既要满足冲击器的工作需要，又要能排出岩屑，所以在选用空气压缩机时应根据冲击器的工作性能，钻孔口径深度等因素进行综合考虑。三、气动冲击器：国内外产品型号繁多，要根据钻孔口径、深度以及钻进工艺方法合理选择，根本类型为低压、中压潜孔冲击器。一、钻具组合的整体结构潜孔锤取心钻具的组合，是以潜孔冲击器通过自行研制的花键轴套式联动器与取心钻具连接成可拆卸的整体，再与钻杆柱、主动钻杆、液压动力头连接。下入孔内，通过空压机供给具有一定压力的压缩空气，在钻机的回转作用下，实现潜孔锤钻具的冲击回转钻进。二、钻具类型一取心单管钻具1、钻具结构如下：动力头钻杆柱潜孔冲击器自行研制的花键轴套式联动器特殊岩心管接头上扩孔器厚壁岩心管下扩孔器取心卡簧及钻头柱齿或片齿2、特点：结构简单，易于加工，操作简单，厚壁岩心管强度高，采用8mm大螺纹，增大了螺纹的耐冲击强度，易于拆卸。3、适用范围：在完整、比较完整的均质或非均质，中硬、硬岩层取心钻进及空气潜孔锤不取心钻进中可配合分段取心。二取心单动双管钻具1、钻具结构见图：2、对单动双管取心钻具结构要求 单动装置性能良好、灵活可靠、保证内容不转动。具有足够的内通风断面，确保压缩空气畅通，风阻小。风外管同轴度好，卡簧与卡簧配适宜度，采心功能可靠。三、扩孔器：扩孔器的作用是修整孔壁，保持孔径符合规定要求，保持孔内钻具，在冲击回转作用的稳定性，防止钻头早期磨损，延长钻头伴用寿命。采用肋骨性结构，选用D240以上厚壁无缝钢管，两端本剂与岩心管扣型相同的螺纹，管外园周均布6条肋骨片最好为螺旋形，并在肋骨片上镶焊5513硬质合金块，其外径较钻头外径大0.51.0mm。四、花键轴套式联动器采用何种机构将潜孔冲击器的冲击功及钻机回转力短传递到孔内取心钻具及钻头上，是实现冲击回转取心钻进的关键局部。通常潜孔冲击器与钻头的连接多采用花键贺柱销式。结构虽然简单，但其径向间隙过大，同心度差，不能适应较长取心钻具的连接强度和预防钻孔弯曲的要求。为将潜孔冲击器之冲击力及钻具回转扭矩有效地传递到岩管，通过多种方案比较，创造性地设计出花键轴套式联动器装置，花键轴寺通过特殊变径接头与冲击器外掳下接头相连，花键轴下端采用顶锥式“梯形螺旋纹与岩心管接头相连，上端直接接受冲击器活塞垂直传递冲击力，成功地解决了冲击器与取心钻具连接及冲击回转力的传递。五、空气潜孔锤取心钻头为了实现取心钻进，应根据空气钻进的根本特点，岩石的机械物理特性进行设计钻头，以取得最正确的应用效果，取心钻头分为单管与双管两种，其结构见图。一 结构1、钻头体：当冲击回转时，钻头体承受着冲击、回转扭矩，轴向静载荷，处于复杂的应力状态，为适应气功冲击回转钻进的技术要求，钻头体材质应具有高的抗挤压、抗弯曲、抗扭强度，本次试验选用FF710钎头专用钢，这是一种低炭板状马氏体钢，空冷硬度可达HRC4045，机械强度高，韧性好，耐磨，抗冲击性能好，经锻制按钻头冠部设计加工成型，为适应各种地层的需要，可将钻头体进行调质和外表渗氮外照，以进一步提高钻头体的强度和耐磨性以提高钻头的使用寿命。2、钻头体连接螺纹，应具有连接强度高，易拆卸的特点，通过强度计算设计螺距8mm特殊梯性和母螺纹连接型式，钻头内车削锥度3的卡簧座。3、钻头体通风排粉槽。通过计算在钻头底唇及内外侧面铣磨通风排粉弧形通道1020mm四组。4、硬质合金柱齿钻头选用211221801R34锥形齿或4R63，1218mm球形齿，片齿钻头选用QK2722220252型271622mm，在硬岩一般选用球形齿，在较软岩先用锥形齿或片齿以提高岩心强度。5、合金排列：合金的排列形式应根据钻机的转速，岩石的机械特性体积破碎功以及所选用的冲击器类型综合考虑。单管柱齿均以冠部内外斜镶式35，内外出刃1.52.5mm，底出刃5mm，130/110钻头冠部合金分为四组计12粒内刃4粒，外刃8粒，单管片齿采取直镶式均布六片内外出刃1.52.5mm，底刃58mm。6、固齿方式：采取冷压、热压或高频焊接方式，当进行硬岩钻进时采取冷压，以免掉齿式合金碎裂。二 钻头适用范围潜孔锤单管取心钻头柱齿及片齿主要适用于较完整的中硬、硬、中等研磨性、脆性的可钻性48给均质或非均质的砂岩、石灰岩以及火成岩类地层，亦可用于可钻性35级砂岩、粉砂岩层，不适应软的塑性泥质岩类地层。潜孔锤双管取心钻头，主要适用于较完整较破碎的中硬硬、中等研磨性、具脆性的可钻性48级均质或非均质的砂岩、灰岩及成岩以及第四系砂卵石层钻进，亦可用于可钻性35级砂岩、粉砂岩层。六、取芯卡簧卡簧与卡簧座配套使用，专门用以卡取岩心，是潜孔锤取的钻具，不可少的重要易损零件。1、结构图。2、特点：卡簧应根据岩石特点，注意卡簧内径与钻头内径的精密配合，一般卡簧自由内径较钻头内径小0.30.5mm，单簧卡簧应重视岩心与卡簧有效通风断面的合理设计，以减少风阻及岩心堵塞。空气潜孔锤钻进的地质条件，通常适用于可钻研性510级的中硬坚硬岩石才能充分表达出其技术优越性，然而为拓展其应用领域及与常规地质钻探设备的配套使用，分别在四川盆地以沉积岩为主的泥质，钙质胶结的泥岩、砂岩、粉砂岩为主的一套“红色地层，和含水半富的厚层砂卵砾石层以及成都周边的花岗岩、片麻岩、石灰岩等硬碎性地层进行了生产试验，其主要工作对象不仅包括以月攻地质、工程地质、环境地质勘探、水井钻探、工程地质勘察，而且包括地质灾害治理、水利水电根底施工、边坡支护与锚固超前预支护管棚施工等钻探为目的的钻探工作。虽然试验的地层不是很全面，但其有一定的代表性，不过作为技术方法配套以及潜孔锤钻进获得的技术经济指标仍可以进行综合评价。1、工程简况成都市顺城街人防地下通道工程，位处蜀都大道闹市区，从地面以下7.5m穿越长度为55.093m，建成后净宽4.3m，净高3.6m平战结合的人防地下通道。经专家会议论证，由铁道部科学研究院西南分院根据国际上先进的“新奥法隧道修建法原理，决定采用“松散围岩浅埋暗挖新技术。实现该项新技术方案的关键，是在隧硐开挖前，以一定扩散角沿隧硐顶部轮廓打水平孔，并在成孔后下入钢管，注浆加固，形成管棚超前预支护，然后开挖，衬砌支护。1992年12月，我公司承担了这项工期紧、质量要求高、技术难度大、高风险的“长条件相同，该大厦地面37层，地下三层，基坑开挖15m，采用人工挖孔桩及锚杆护壁，锚杆距地表7.2米，孔深15m，设计抗拔力50T。2、长管棚超前预支护护施工技术“长管棚超前预支护施工技术，是当今国内外在软弱围岩体中隧道施工的一种高效、平安的先进技术，欧、美、日等兴旺地区、国家尚在开展完善中。我国铁道80年代以来，已在假设干线路隧道穿越断层、破碎岩体中应用，管棚长度在1518m，设备及钻进取心、跟管工艺已列入“八?五期间研究解决的技术难题。地矿部机电所研制的“土星881、890型全液压多功能钻机，在北京西单地铁车站以亚粘土、砂砾土为主的第四纪地层，采用水平蔽旋钻进工艺，进尺5万米，被国际隧道与地下工程学术会议肯定，并认为到达国际水平。但是，在松散的中密砂卵石层进行管棚水平跟管钻进，国内尚无成功的工程实例。通过两个阶段施工，累计完成水平孔38个，进尺661m，平均钻井跟管深度17.3m，最深者31.34m。从而突破了在疏干、中密砂卵砾石层水平钻孔的钻进及跟管技术难关，平安地穿越了蜀都大道地地面以下埋设的十余条水、电、通讯管线，特别是污水管和电力管道的基底距通道仅0.55m，而未受损失。地面交通正常进行，保证了工期，工程质量符合设计技术要求。4月下旬已经贯穿的地下通道，有力地证实“管棚超前预支护水平钻孔确保了掘进的平安及工程进度。1993年9月国际电视节目及国际熊猫节在成都开幕之际，人防地下人行通道正式投入运行，迄今已平安运行12年，从而肯定了“管棚超前预支护水平钻孔在松散砂卵砾石浅埋暗挖工程实践中获得成功，受到铁科院、市人防指挥部的高度评价与赞扬，认为该项技术到达了国内先进水平。在交通、水利、市政、地铁建设、地质灾害治理中扩大钻探效劳领域，为开拓多工艺空气钻探，提供了一种新的施工技术，具有广阔的市场及开展前景。随着我国经济建设的飞速开展，“管棚超前预支护水平钻孔的施工技术，自94年以来，已先后在宝成铁路复线建设青江3号隧道；松散岩类辐射井供水工程等不同效劳领域，扩大应用了该项技术，进一步完善和开展了多工艺空气钻探技术。据统计仅上述3项工程，完成钻孔120个，钻探进尺2205m，平均孔深18.4m，深者达33.4m，获得了明显的社会效益和经济效益。3、管棚水平钻孔在砂卵砾石层施工技术的难点是钻进、护壁及跟管。为突破技术难点，通过多方案论证，并为施工实践，立足现有技术装备条件，充分发挥空气钻进技术优势，直接应用“空气潜孔锤取心钻进技术，是突破卵石钻进的有效方法，采取地面潜孔冲击器分级水平跟管技术是十分有效措施。由此形成的“小径超前取心钻进，潜孔冲击器水平跟管的钻进跟管综合工艺技术，突破了技术难关，拓宽了空气钻进技术的应用领域。3.1钻孔结构测量放线、安设6塑料管定位。为预防钻孔弯曲，首先应下好孔口导向管，采用“小径超前钻进，分级跟进钢管“的技术方法。一般开孔150mm，跟入146mm定向导管23m，换径跟进127mm注浆钢管68m，108mm注浆管跟进至设计深度。3.2钻进工艺技术空气潜孔锤单管取心钻进法，适用于超径卵砾石密集孔段。1钻头型式：选择矿山钎头合金，10mm15mm及7mm10mm楔形齿；128mm球形齿；16mm12mm8mm片形齿，分别采用气焊或高频焊接法，成为同径潜孔锤取钻头。2钻具组合：分单管取心钻具及单动双管取心钻具。本工程工程仅用单管钻具，并针对超径卵石的破碎难题，回次长度小，钻具结构作了较大简化。3技术参数a、轴向压力：为保证钻头齿刃能与岩石紧密接触，克服冲击器的反弹力，为有效地传递来自冲击器的冲击力，一般在45KN。b、转速：一般在5070r/min。c、空气压力与空气量：为满足潜孔冲击器的正常工作，提供较大冲击功，气压一般浅孔为0.450.6Mpa。空气量以保证去除和携带孔底岩屑的钻孔环隙上返速度确定。水平钻也受岩性及钻孔条件限制，钻具结构在岩主管接着上增设分气孔，以减少气流的冲击携砂能力，实际空气量以满足潜孔冲击器正常工作为原那么。4操作要点a、根据注浆钢管直径，选择J-80B或J-100B潜孔冲击器及其相匹配的联动器，连接取心钻具，下入孔内进行空气冲击回转取心钻进。b、浅孔段有时利用常规合金取心钻具，在孔口地表主动钻杆以下连接潜孔冲击器，通过钻杆传递冲击功。C、钻进中以适当压力克服冲击器工作的反弱力，有效地传递冲功，低转速保证钻头的合理转角，通过CS-KQXD型联动器传递回转扭矩，从而实现在冲击回转中破碎岩石。5钻进效果：据钻孔统计资料，在密集或超径卵石层段钻进，平均机械钻速达2.36m/h，高者达4.24m/h，较普通合金钻头机械钻速平均提高59.5%以上，平均台效467m，并可高达600m，较普通合金钻进平均提高89.1%以上。无循环液单管普通合金钻进法，适用于粒径较小的砂卵砾石层孔段。1钻头型式：选择8mm16mm八角及5mm5mm13mm方形合金，呈品字形，密集式排列的取心钻头。2钻具组合：常规型。3技术参数：钻压；转速5070r/min。4操作要点：a、选择较注浆钢管小一级合金钻头，采用无循环液干钻法，超前钻进0.51.0m，提出钻具，进行地表跟管；b、钻进效果：据钻孔统计表资料，砂卵石层中平均机械钻速1.48m/h，平均台效247。3.3跟管工艺技术管棚注浆钢管结构设计规定选用127mm，108mm地质钢管，采用地质套管接箍连接方式，钢管长度一般为1.01.5m，钢管外表按设计排列钻10mm出浆孔。套管靴采用同径厚壁7mm管，底端成45内嗽叭型，并经热处理。锚杆施工钢管除不钻注浆孔外，其它要求同上。潜孔冲击跟管器具1潜孔冲击器：J-150B、J-100B。2组合冲击连接器：按不同型号的冲击器及钢管直径配套。3潜孔冲击跟管钻具组合：主动钻杆冲击器组合冲击连接器钢管接头注浆钢管。技术参数1以满足潜孔冲击品正常工作，有效地传递冲击为目的。通常空压机的气压在0.400.60Mpa，空气量为810m3/min。由此产生的单次冲击功，J-150B型为330J，J-100B型为150J。操作要点1当小径钻进后，连接注浆钢管，安装具有分流孔的钢管接头及冲击连接器和潜孔冲击器。当启动空压机，通过闸门操作，气体驱动冲击器运动，而将冲击功传递给注浆钢管，实现水平跟管钻进。废氯通过分流孔逸出，而不排除孔内岩屑。2为保证注浆钢管跟管方向偏斜符合设计要求，防止冲击器及主动钻杆的水平策略作用引起跟管偏斜，应在孔口地表冲击器与主动钻杆段安装活动中心导正架。3必须采取先小径超前钻进，后地表跟管方法。4潜孔冲击跟管，切忌盲目跟管，保持均速，跟管困难时可扭磨钢管，必要时采用小径掏心钻进后跟管。通过38个管棚钻孔资料，累计跟管127mm、108mm长度966m，平均单孔跟管钻进浓度达17.37m，跟管深度大于20m的钻孔9个，19个孔108mm管跟进达31.31m。锚杆施工钻孔62个，累计跟进123mm管导正250m，108mm导管930m，全部孔深均到达设计15m。3.4拔管工艺要求在钻进时，当发生孔内事故或钻孔弯曲及锚杆钻孔完成下入锚筋及注浆管后，往往需要起拔导管，因此，起拔导管是我们在施工中要面临的施工难题。常规的拔管方法如吊锤或千斤顶法在垂直孔中虽然有效，但经常将导管拔断，造成重大的孔内事故，特别是在水平孔或斜孔施工中，施工为困难，劳动强度大，效率极低，为此，在此两项工程中我闪通过对潜孔锤的工作原理进行认真分析后，将潜孔锤进行改进，利用潜孔锤的工作原理进行认真分析后，将潜孔锤进行改进，利用潜孔锤的高频振动冲击原理进行导管起拔，取得了十清楚显的效果，通过合理地拔管配套工艺，将1530米的孔内导管全部拔出。该工艺技术在不增加其它机具设备的同时，大大降低了施工劳动强度，提高了生产效率，降低了施工本钱。因此，空气潜孔锤拔管技术将在需要起拔管导管的钻探施工及处理埋卡钻事故中具有广泛的应用前景。潜孔锤拔管器具1潜孔冲击器：J-150B、J-100B。2组合冲击连接器：按不同的型号冲击器及钢管直径配套。3拔管器具组合由内至外：导管导管接头组合式连接器改进后的冲击器。操作要求1拔管器具连接好后，先控制风压和风量，利用冲击器的高频振动，松动导管后再正常起拔。2当管接松动后，拔管速度较慢时可适当对组合器具利用钻机立轴施工加一定的牵引力，提高拔管速度。3因导管抗拉强度较低，切忌盲目强力起拔管，应根据导管直径及钻孔深度合理选择冲击器。4导管拔出一定长度后应对拔管器具进行导正和支撑，以保证顺利拔管和防止导管折断，边起拔边拆卸导管。6、认识6.1立足于现有技术装备，采用“空气潜孔锤取心钻进技术和“潜孔锤水平跟拔管技术，突破在中密砂卵石层水平钻孔钻进及跟拔管技术难管，进一步拓宽了空气钻进技术的应用领域，该套技术具有设备简单，施工效率高、本钱低的特点，可以得到广泛的应用和推广。6.2该钻进工艺因钻进和跟管分开进行，钻进时间短，跟管及其它辅助工作时间长，效率提高有限，施工中应进一步加强施工组织管理，完善设备机具的配套，提高四尺进尺长度及单位跟管深度等措施功能提高生产效率。6.3、该工艺因采取小径超前取心钻进，在漂卵石地层中应慎重选用，当钻遇大卵石时可能导管无法跟进。6.4、潜孔锤跟拔管技术可根据不同的钻进口径，钻进深度选择相应的潜孔锤及其配套机具，合理的钻孔结构来实现更大的钻探口径及深度要求。6.5、该工艺方法可在地下管钱铺设，覆盖成较厚的锚索施工及边坡支护等工程中发挥较大的优势，并将得到越来越广泛的应用。空气潜孔锤在泥岩、砂岩、粉砂岩等较软岩地层中的取心钻进试验采用特制花键轴套式联动器及钻头结构设计先进、适用，效果好。我国改革开放以来，岩土钻掘工程的开展尤为迅速，几乎已触及工程施工领域的各个角落，如矿山井巷，随着山同室支护，岩土边坡加固，地质灾害治理，坝址根底加固，深基坑支护，结构抗池与抗倾，围堰防渗等，可以预料岩土钻掘技术将以独特的效应、简单的工艺、广泛的用途、经济的造价，在工程领域中显示出旺盛的生命力。同时，随着工程建设的开展，对岩土钻掘技术也提出了愈来愈高的要求，特别是在漂卵砾石、人工抛填土石及边坡大块石土等复杂地层中进行有效钻进和护孔是我们不得不面临的困难之一。ODEX工法跟管钻进的诞生在发挥潜孔锤钻进硬管的优势的同时，解决了护孔这一重大难题，进一步拓展了空气潜孔的应用领域，推动了钻探技术在工程领域的又一次突飞猛进。它的诞生，提高了钻进效率，降低了施工本钱。ODEX工法又叫同步跟管钻进方法，它是在潜孔锤碎岩钻进的同时，通过钻具和导管的特殊构成或双动力头的另一动力头同步跟进导管进行护孔，钻进多少，导管跟进多少。该工法因钻进和跟管同步进行，因此不存在钻孔跨蹋和重复破碎问题，是在复杂地层进行钻进的一种有效方法之一。1、在碎岩方法是采用潜孔锤钻进，因卵砾石层的岩石一般都较坚硬，如果采用其它钻进方法，都不能取得比潜孔钻效率更高的效果，基于坚硬岩石的物理性质，以冲击破碎为最好。2、在卵砾石等复杂地层中钻进不考虑如何护孔是不行的，采用边钻进边跟管护孔是保证顺利成孔的方法之一。如何使护孔套管顺利跟入，目前有两种方法，即单回转和双回转。单回转是钻具回转达，偏心钻头扩孔钻进，一般成孔直径大于导管直径，同时利用空气潜孔锤的高频冲击振动原理，通过钻具的导正器的肩部台阶与导管靴的台阶接触，在导管不回转的情况下同步跟进；双回转是在钻进的同时，使导管也回转，回转方向和钻具相反，这样就需要两不动力头分别带动钻具和护孔管。双回转是当前解决跟管护孔比较有效的方法之一，双回转钻进可以克服其它护孔方法的某些缺乏，如单回转跟管的困难，当然双回转也带来钻机结构比较复杂，需要两个动务头，动力消耗大，设备费用高。目前，单回转因设备本钱低，配套工艺简单等特点在我国具有较为普遍的应用。3、钻头是偏心的，没有偏心钻头的扩孔钻进，就不可能顺利进行跟管，然而当起钻时，钻头还必须进入护孔管内，这就要求钻头和钻具，具有在钻进时能形成偏心扩孔，使钻孔直径大于跟管的外径，而在起钻时，那么又不受跟管的阻隔，而顺利的提出地面。1、风动潜孔锤单动力头套管跟进钻直风动潜孔锤单动力头套管跟进钻进是克服松散、破碎、卵砾石等复杂地层钻进的有效方法之一，根据钻具结构可分为偏心式和同心式2种，见以下图。偏心式偏心式跟管钻具由钻杆、风动潜孔锤、偏心钻头、套管和套管靴组成。钻进时，偏心钻头在套管靴前钻出比套管外径大的钻孔，偏心钻具上的冲击力同时带动套管靴、套管与钻孔同步跟进，钻出的岩屑那么通过套管与钻杆之间的环隙上返至孔外，到达既保持孔内清洁又保护已钻出钻也的目的。在松散、破碎地层施工完毕后，偏心钻头可通过反转回缩，并从套管内孔中提出内钻具，然后再用小一径冲击钻头在锚固段钻进，待锚索安装完毕后，再把导管从钻孔中拔出。这咱钻具由于其结构简单，制造本钱低，套管靴通径较大等优点而在工程施工中被广泛采用。同心式同心式跟管钻具组成与偏心式根本相同，不同之处是同心式套管靴与套管钻头之间有相对回转运动，所以在结构上同样规格的套管及套管靴要比偏心式的小810mm，套客靴、套管钻头加工本钱较高。其优点是中心钻头的使用寿命长，钻具回收成功率高，操作比较容易。1.2双动力头双动双管套管跟进钻进与风动潜孔锤单动力头套管跟进钻进工艺不同的是，双动力头双管套管跟进钻进时，首先要具备双动力头钻机，套管在钻进过程中一般以与中心钻具相反的方向进行回转。其钻具组成原理如图3。这种工艺方法由于套管在钻进过程中进行回转和给进，使得钻孔深度可以较深，对地层的适应范围也广，可以在粘土、淤泥质、砂层或流砂地层钻进，也可以在松散、破碎、堆石体等岩石地层中采用。1.3单动力头双管反循环钻进与常规正循环钻进方法不同的是钻具组合中采用的是双壁钻杆。钻进过程中，压缩空气经双壁钻杆内、外管之间的环状间隙被送到潜孔锤上方的转换接头处，并经转换接头被送入潜孔锤工作，破碎下来的岩粉经潜孔锤上返至转换接头外，经转换接头进入双壁钻杆的中心管，由中心管将岩粉排出孔餐。这种方法由于防止了上返压缩空气在地层裂隙中的漏失，在排渣过程中能保持较高的的上返速度，从而能把破碎下来的岩屑彻底从孔内排出，保证了孔内的清洁，从而获得较高的的钻进效率。对于大多数数裂隙发育的漏失地层，钻进过程中能有效地防止卡钻、埋钻等事故。但不适合用于松散、容易坍塌的地层。另外一种钻具组合是由一个动力头同时驱动外管套管和钻杆同向回转，破碎下来的岩屑那么类似于双动向双管钻进方法，也是从外管和钻杆之间环状间隙循环排出。1、防尘：2、加油润滑的问题：原那么上尽量不加机油或柴油进行润滑，结构上不需要。另外也容易造成粘灰影响内部清洁。3、拆装一定要按结构进行，拆装时清洗干净，由于内部结构形成的台阶一时装不上去，不能硬敲进去。4、定期检查易损件。对有阀式应检查胶阀片和穿梢；对无阀式检查半圆卡。5、长期保管防潮防湿。故障故障故障原因故障原因处理方法处理方法冲击器不工作1 向孔内放时孔内水过多提离水面吹出水并加高风压下放2 气压过低调高气压3 钻头排气孔堵塞清洗钻头4 冲击器进碴清洗、检修冲击器5 冲击器零件损坏6 润滑油过粘更换润滑油冲击器工作时断时续1 冲击器进碴或钻头堵塞清洗冲击器和钻头2 冲击器内部零件窜动保证胶垫的压缩量3 钻头损坏更换钻头钻孔效率低1 冲击器零件磨损检修冲击器2 钻头磨钝修磨或更换钻头3 排碴不充分充分排碴，增加风量4 气压过低调高气压谢谢！