1、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发展对我国的各类工程建设及经济发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，降低施工成本，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发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
2、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，大大降低了钻头成本。3、因钻
3、具转速低，钻具对孔壁的碰撞机会较少，而且这咱钻进方法是以高频对孔底冲击，养活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有使用条件。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发展，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
4、，使人们越来越认识到潜孔锤钻进在变东地层、矿产勘探及工程地质勘探、锚因工程、灌浆孔、大坝倒垂孔中应用具有良好前景。一、研究现状：自 1871 年美国研究制造了长一台的蒸汽功力凿岩机以来，不远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，从而导致了气功凿岩机的全面发展。空气潜孔锤钻进技术是上世纪初开始试验以及 5060 年代获生产发明，并于 2080 年代广为发展形成的，空气钻进技术被视为钻探技术的樗性之了动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，
5、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，不断完善和发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，其在大口径工程钻浆施工及潜孔定向钻进以及时性进行非开挖地下管线铺设中取得了较大的发展。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
6、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发展。（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发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成本。我国地质部门曾于 19371958 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，但对发展此技术的认识都是肯定的
7、，地质生产部“七五”科技及攻关项目之一“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，项目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 ”型贯通式潜孔锤和配套的“FQ200/250”球齿钻头， “QG273/210 型”跟管钻进钻具， “QXD165”和“QXS 165”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
8、果显著，后来又延伸研制成功孔径 95、93mm 和 8001500mm贯通式潜孔锤。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、气举反循环边疆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、气液分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 ） ，其性能达到或超过国外同类产品水平。5、多功能空
9、气钻进用钻机和各类监测系统，为发展多工艺空气钻进技术装备创造了条件。二、研究的主要内容（一）根据潜孔锤的工作原理及发展动态，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，避免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
10、类灾害及基础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，成本高，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。第一章 空气潜孔锤及其钻进参数第一节 空气潜孔锤的基本结构和类型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
11、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。一、冲击器的类型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，因其汽缸内的气体由钻头两侧排出，故稍旁侧冲击器、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
12、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有限公司生产的 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有限公
13、司生产的 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、J 80、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、F
14、GC15 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通式潜孔锤。如 FGC15O 为贯通式潜孔锤，其余为普通式潜孔锤。贯通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发展创造了条件，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。二、冲击器的结构及其工作原理冲击器是一个能产生冲击作用的气功装置，其基本结构一般由配气机构，内外缸、活塞几部分组成。其基本结构见图一和图二。三、空气潜孔锤的工作原理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
15、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部分，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。下面就以图二阐述冲击器的基本工作原理。压缩空气经左侧进气缸进入内缸 4 和外缸 3 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 5 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 1 下部芯管之间环状间隙排到初套 6 的下环槽，此时前气室处于进气行程
16、，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
17、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。第二节 空气潜孔锤钻进技术参数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）达到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
18、压、风压、风量和转速是取得理想钻进效果的基本条件。一、钻压空气潜孔锤钻进的基本工作过程，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
19、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，既要达到最佳的钻进效果，还要最大限度地减少钻具及钻头的磨损。二、转速转速的高低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，避免重复破碎，
20、因此，合理的转速应保证在最优的冲击间隔范围之内。最优冲击间隔的确定，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。而笔者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
21、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，见下图。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 MpaQ2-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 MpaP 水-钻孔内水柱压力从上式可以看出在无水条件下，钻时深
22、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）及为清除孔内岩屑的最低上返速度而确定。根据文献资料推荐，为保持清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（m）d-钻杆外径V-环状间隙气流上返速度总
23、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，在取得最佳的钻速同时，避免更多的动力及成本消耗。第二章 空气潜孔锤在跟拔导管中的应用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部分，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
24、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，笔者曾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，且钻进浓度远达不到当时浓度米的要求，给施工带来较大困难，为此，笔者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，并为单位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
25、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。第一节 空气潜孔锤在跟管中的应用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，后多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。3、 空气潜孔锤的跟管原理空气潜孔锤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
26、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达到护孔的目的。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如图：、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。第二节 潜孔锤在拔管中的应用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
27、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，其结构如图、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，其结构如图：冲击器跟管拔管技术，本人曾多次在米的
28、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。第三章 空气潜孔锤在取芯钻进中的应用空气钻进以其能大幅度钻进效率，保证工程质量，降低施工成本，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发展，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
29、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。一、 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，为满足部分孔段岩心采取要求的取心式冲击回转已
30、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，贯通式潜孔锤连续取四样及绳索取心技术得到了长足发展。取心技术在各种领域得到了飞速发展。二、国外基本情况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
31、位的正循环发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发展。第一节 主要技术装备与机具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。对主要设备机具的基本技术要求：一、钻机：常规油压钻机及水文水井钻机。动力头钻机基本适用。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
32、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，基本类型为低压、中压潜孔冲击器。第二节 空气潜孔锤钻具设计及配套一、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、钻具结构见图：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
33、点：结构简单，易于加工，操作简单，厚壁岩心管强度高，采用 8mm 大螺卵，增大了螺纹的而未冲击强度，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，卡簧与卡簧配合适度，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，其结构见图：采用肋骨性结构，选用
34、D2 40 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部分。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
35、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，应根据空气钻进的基本特点，岩石的机械物理特性进行设计钻头，以取得最佳的应用效果，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
36、，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表面渗氮外照，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、钻头体通风排粉糟。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 Q1201804R63，1218mm 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
37、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
38、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、结构见图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。第三节 空气潜孔锤取心钻进生产试验空气潜孔锤钻进的地质条件
39、，通常适用于可钻研性 510 级的中硬坚硬岩石才能充分体现出其技术优越性，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、水利水电基础施工、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。
40、一、空气潜孔锤取心钻进技术在水平钻孔砂卵石中将应用试验。第四系砂卵砾层钻进长期以来受到钻进护孔困难及效率低、经济效益差的困扰，特别是在疏干的水平钻孔中更是困难重重。我队曾于 1992 年承揽成都市顺城街人防地下通道工程，后于 1994 年承担成都市渝外交流中心深基坑支护成孔注浆锚杆施工，该两工程皆要求在地下水疏干状态下地表以下 7.58 处的中密砂卵石层进行水平钻孔施工，为此，笔者率先在该两工程中进行了空气潜孔锤取心钻进试验研究，并取得较大成功。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
41、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
42、体中隧道施工的一种高效、安全的先进技术，欧、美、日等发达地区、国家尚在发展完善中。我国铁道 80 年代以来，已在若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，并认为达到国际水平。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。我们通过精心组织、设计、并经过两个阶段施工，累计完成水平孔 38 个，进尺 661m，平
43、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，安全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 月下旬已经贯通的地下通道，有力地证实“管棚超前预支护水平钻孔”确保了掘进的安全及工程进度。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，迄今已安全运行 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
44、部的高度评价与赞扬，认为该项技术达到了国内先进水平。在交通、水利、市政、地铁建设、地质灾害治理中扩大钻探服务领域，为开拓多工艺空气钻探，提供了一种新的施工技术，具有广阔的市场及发展前景。随着我国经济建设的飞速发展， “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服务领域，扩大应用了该项技术，进一步完善和发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、工程地质条件及技术要求3.1 地下通道上部
45、覆盖层厚度，通道穿越由松散的细砂及卵层组成的第四系全新冲积地层，围岩基本无粘接能力，稳定性极差，自上而下的地层剖面04.1m 人工杂填土；4.16.5m 亚粘土、细砂层； 6.5m 以下，为中密砂卵砾石层，结构松散。卵石成分为花岗石、石英岩、闪长岩等，粒径一般 47cm，大者 1020cm，其间充填 25%的砂和砾石。管棚水平钻孔均在该层穿过。3.2 地下水为孔隙潜水型，常年水位在-4.04.25m。3.3 主要技术要求。（1）钻孔深工：管棚 2025m ，锚杆 15m。（2）终孔直径不小于 110mm，全孔跟进 127mm，管棚下入 108 的注浆管浆钢管。（3）管棚孔距 0.4m，锚杆孔孔
46、距 2.5m。（4）管棚钻孔终孔精度，向上小于 5cm，向下小于 15cm，左右小于 10cm。（5）锚杆角度倾角 13。4、工程施工设备、器具配备为实现在卵砾石层的钻进跟管，产足现有技术装备条件，选择配备了适应空气钻进的大功率、大扭矩，并能变换立轴角度呈水平的配套钻机，空压机，以及相应的附属设备和器具。钻机：XU-300-2 型，XY-2B 型 4 台空压机：2VY-12/7 型 2 台潜孔冲击器 J-150B 2 台J-80B 4 套 J-100B 2 套5、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
47、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。5.1 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。5.2 钻进工艺技术5.2.1 空气潜孔锤单管取心钻进法，适用于超径卵砾石密集孔段。
48、（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。本项目工程仅用单管钻具，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。空气量以保证清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则。（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。（
