气动潜孔锤在喀斯特地区的应用

陈敏

[摘要]简述气动潜孔锤在贵州施秉县喀斯特地貌缺水区的应用，阐述气动潜孔锤的技术参数、优缺点以及遇到的问题和相关的处理办法。

[关键词]气动潜孔锤 参数 实际问题与处理办法

[中图分类号] F407.1 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-8-459-1

1引言

广西省三一○核地质大队于二○一四年参与了贵州省水利建设“三大会战”地下水（机井）工程的施工，施工区域为黔东南施秉县，掌握该区域的含水岩性、结构、岩溶发育情况、地下水位埋深，为施秉县甘溪乡、白跺乡、杨柳镇等地提供安全的人畜饮供水水源点。施秉县属于喀斯特地貌，地层以灰岩与白云岩为主；根据甲方设计和该地区地势起伏大，岩溶地貌发育，干旱缺水等特点，选用履带式全液压气动潜孔锤进行施工。

2气动潜孔锤原理与特点

气动潜孔锤是将压缩空气既作为洗井介质，又作为破碎岩石的能量；使用这种方法钻进时，用地面的钻机通过钻杆对孔底施加压力和转矩，而用压缩空气驱动潜孔锤（即冲击器）对岩石进行冲击碎岩，实现冲击回转钻进；同时利用压缩空气对钻头进行冷却，并将孔底岩屑向上排出地表[1]。其主要特点是：钻进硬岩效率高，钻头寿命长，

回转速度低，扭矩小、钻压小、并有防斜作用；因为是以空气为介质的一种钻进方法，对含水层具有保护作用，可以实现负压钻进能有效的提高出水量；还能有效的解决在干旱缺水供水困难地区拉水打钻成本高，效率低、施工时间长的问题；履带式能解决施工点与点之间的设备搬运困难的问题。

3工程概况

为尽快解决施秉县周边缺水干旱区的人畜供水问题，我队2014年5月22日进场，2014年5月26日开钻，8月6日钻井结束，历时70天共成井12口，其中1口为干孔，总进尺1824米，总出水量为：1670m3/d，解決当地缺水干旱问题，达到甲方的要求。

4钻孔结构

（1）开孔口径为Φ278mm，钻进至完整基岩3～5m下入Φ245mm固井管，并注入水泥浆进行永久性止水固井，该地区入岩一般在22米左右。

（2）固井24小时后换径用Φ224mm潜孔锤钻头继续钻进至50米（安装水泵段），下入Φ219mm口径滤水管，以便后期安装水泵抽水，具体要按含水层的实际深度来安装。

（3）最后用Φ172潜孔锤钻头钻进至150米，做该机井的沉渣段。

5潜孔锤钻机设备参数

钻机型号是履带式全液压潜孔锤BDLD300型，可钻深度300米，最大孔径为320mm，工作风压1.05-2.46Mpa，回转速度1-105rpm，回转扭矩4.3KN，轴压力40.82KN，配备钻杆89×10×3000（mm）。空压机是美国寿力1070XH型，排气量30.3 m3/min，工作压力2.41Mpa。

6潜孔锤技术参数[1-2]

潜孔钻机技术的选择是否合理，直接影响钻机效率和经济效益，它主要包括钻压、转速、供风量和风压等。

（1）潜孔锤破碎岩石主要是靠冲击力完成，钻进效率的高低主要取决于冲击力的大小和冲击频率的多少，而钻压是保证冲击功率并发挥作用的铺助力。潜孔全面钻进，一般认为单位直径的压力值在30～90kg/cm。

（2）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。一般直径在 200mm左右的钻孔，软岩层 30-50r/min、中硬地层 20-40r/min、硬岩层10-30r/min。

（3）供风量要根据所选潜孔锤的性能和钻孔深度及直径合理确定，达到潜孔锤既能正常工作，又能排除孔底岩粉[3]。

Q≥VK60（D-d）π/4

Q-供气量，m3/min；

D-孔径，m；

d-钻杆直径，m；

V-上返风速，一般取V≥15m/s；K-系数，一般取1.3左右。

（4）风压是与潜孔锤的冲击频率和冲击力有密切关系。研究资料表明，在潜孔锤钻进时，除正常工作所需风压外，还要加上克服水位以下的水柱压力及孔深时沿程压降。一般情况下，低压潜孔锤所需风压为0.5Mpa～0.7Mpa，高压潜孔锤所需风压为0.8Mpa～1.5Mpa。

7实际施工遇到的问题和解决办法

ZK-201号钻孔施工点在施秉县白跺乡，钻孔坐标N：27°16′24″ E：108°13′26″ Z：965m，该区域地下裂隙发育较多，地层破碎，在钻进施工至103米处出现了压缩的空气往钻孔周边的裂隙跑，岩屑排不出去，如增加风压孔壁会出现掉块的现象，使得钻具回转、提动困难，根据实际情况我们采用了CDT-813泡沫剂，将配好的泡沫溶剂通过风管送入孔内，进行泡沫钻进，实际使用后得出结论：泡沫钻进不仅助排渣能力强还有一定的护壁堵漏的作用，还可以降低岩屑沉降速度，避免埋钻的发生。通过泡沫钻进，该孔终孔深度为150.5米，顺利完成施工。

另一个钻孔ZK3-01在施秉县甘溪乡，钻孔坐标N：27°04′28.5″E：108°16′00″ Z：694m，该钻孔钻进至90米位置遇到15米厚的松散强风化白云岩，出现排渣多，提上钻具放不下，孔壁坍塌的现象；开始采用灌水泥将岩石固结的办法，但因孔较深，风化岩层较厚没有成功；后来采取了先用Φ224mm钻头从50米扩孔至100米，下入2节长9米厚6mmΦ168的铁管，把风化层隔开，然后用Φ155潜孔锤钻头钻进至孔底。

8结束语

空气潜孔锤钻在该地区的应用确实解决了缺水、搬家难问题，成孔率快速而且高效，降低了施工成本，提高了经济效益。但它也有不足之处：其稳定性较差，冲击器冲力大，钻机震动力大，对孔壁震动较大，容易破坏孔壁的稳定性，特别是干孔；在实际施工中操作不当容易造成井孔偏离；岩层井孔易卡钻头；冲击器潜孔钻头易脱落；岩粉易阻塞泉水孔，会有一少部分岩层粉在风压的作用下向井孔四周扩散阻塞出水孔，水流不出来，影响机井的涌水量；遇到破碎地层处理的方法较少，较难钻进。这对空气潜孔锤的发展和应用带来了一定的制约，所以不同的区域不同的地层要选择合适的设备与工艺，才能实现成本最小化效益最大化。

参考文献

[1]耿瑞伦 陈星庆. 《多工艺空气钻探》. 地质出版社 . 1995年10月.

[2]杜祥麟等 《潜孔锤钻进技术》. 地质出版社. 1988年10月.

[3]岩土工程施工技术[M]. 成都理工大学. 2004.