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1、气动潜孔锤技术,湖北省地质环境总站 工程中心2012培训,讲课人：罗会军 邮箱：,1 概述,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。,1 概述,风
2、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。,1 概述,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
3、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。,1 概述,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，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。,1.1 研究现状,自1871年美国研究制造了一台的蒸汽动力凿岩机以来，不久
4、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20世纪80年代广为发展形成的，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。,1.1 研究现状,（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
5、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发展。,1.1 研究现状,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发展。 （二） 国内研究现状 我国幅员辽阔
6、，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,1.1 研究现状,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，但对发展此技术的认识都是肯定的，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
7、丰硕成果，包括如下几下方面：,1.1 研究现状,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“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贯通式潜孔锤。,1.1 研究现状,2、设备研制成功空气反循环钻进用“W
8、P”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。,1.1 研究现状,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。,1.2 研究的主要内容,（一）根
9、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。,1.2 研究的主要内容,（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
10、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。,1.2 研究的主要内容,（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。,2 空气潜孔锤及其钻进参数,2.1 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驱动，形成对岩石的脉动破碎能力，同时利用
11、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。,2.1.1 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
12、。,2.1.1 冲击器的类型,（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。,2.1.1 冲击器的类型,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
13、兰矿山工程有限公司生产的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。,2.1.1 冲击器的类型,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、FG
14、C15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。,2.1.2 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。 其基本结构见下图。,2.1.3 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
15、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。下面就以右图阐述冲击器的基本工作原理。,2.1.3 空气潜孔锤的工作原理,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
16、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,2.1.3 空气潜孔锤的工作原理,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。,2.2 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
