空氣潛孔錘正循環大孔徑裸鉆成孔排渣關鍵技術研究

肖春陽，申策，吳紅

空氣潛孔錘正循環大孔徑裸鉆成孔排渣關鍵技術研究

肖春陽，申策，吳紅

（四川省地質礦產勘查開發局九0九水文地質工程地質隊，四川 綿陽 621000）

本文針對工程實踐中空氣潛孔錘正循環裸鉆大孔徑成孔中存在返渣困難問題，從空氣潛孔錘鉆進技術設備及組合、施工工藝、參數設置中的關鍵因素著手，分析影響空氣潛孔錘鉆進技術返渣影響因素。通過加裝鉆桿增徑器改良設備，以及裝備重組等技術整合，找到了有效解決返渣問題最佳處置措施及施工工藝，為空氣潛孔錘正循環裸鉆大孔徑成孔技術的廣泛應用提供技術服務。

空氣潛孔錘；正循環；鉆桿增徑器；上返風速

二十世紀后期，大風量、高風壓空壓機、增壓機及高壓潛孔錘問世，空氣錘鉆進技術有了很快發展(趙偉明等，2016；杜緒等，2011)。針對應用中空氣潛孔錘正循環裸鉆大孔徑成孔中存在返渣困難問題（劉家榮等，2010；宋繼偉等，2018），從鉆進技術設備及組合、施工工藝、參數設置等入手，找出關鍵因素，通過設備改良，裝備重組等技術整合，獲得解決返渣問題處置措施及施工工藝，為空氣潛孔錘正循環裸鉆大孔徑成孔技術在地下水機井工程（湯自華，2021）、地質災害應急處治等工程應用中提供技術服務。

1 潛孔錘鉆探技術工藝原理

潛孔錘鉆探技術的工藝原理是采用壓縮空氣作為動力推動氣動潛孔錘工作，用機械或油壓鉆機帶動回轉，形成沖擊回轉刻取巖石，其中壓縮空氣有帶出渣土和冷卻鉆具的作用（圖1）（趙建勤等，2008）。主要技術參數包括風量、風壓、轉速及以及鉆進壓力、沖擊功等。

圖1 典型空氣潛孔錘鉆進系統示意圖

風量大小直接影響孔底巖屑排渣效果。風量根據所用沖擊器的性能以及要滿足洗井所需的上返風速而確定。使巖屑有效地排出孔外，達到孔底干凈，必須采用大于巖屑懸浮速度的上返風速，文獻推薦宜在15～30m/s（王徑宋，2015）。推薦排除巖屑所需風量往往還超過潛孔錘工作風量（許劉萬等，2009）。在進行大口徑潛孔錘鉆進時，因氣量不足，巖屑不能及時排出孔外而堆積在孔底，容易出現埋鉆，導致孔內事故發生。

供風量確定，保證一定環空上返風速，依下列公式推算（正循環要大于15m/s）（劉家榮等，2010）：

V=（Q×21220.66）/（D2-d2） （1）

式（1）中：V為上返風速，m/s；Q為供風量，m3/min；D為鉆孔直徑，mm；d為鉆桿直徑，mm。

關鍵在于如何掌握好風量、風速和風壓3個關系：以空氣作介質與水（或泥漿）作介質相比，攜帶巖粉所需的上返流速要大些。所需風量為：

由上兩式可知，影響大口徑潛孔錘裸鉆成孔排渣的因素是空氣流量與環狀間隙大小。

2 裝置加工及改進過程

在實際施工過程中，增加進風量意味著需要投入更多的大型空壓機等設備，經濟效益不高。采用減小環狀間隙提高上返空氣流速，從而實現有效排渣并且成孔。當前通用的采用增大鉆桿截面積的方法實現減小環狀間隙，在工程實踐中存在三個難題：一是鉆桿成本太高，不易加工；二是鉆桿自身內徑過大，需加工成雙壁鉆桿；三是鉆桿過于笨重，操作困難，且鉆桿絲扣極易損壞。為此，課題組決定嘗試采用在鉆桿外面加裝輕型管材以達到增加鉆桿截面積，從而實現減小環狀間隙的目的。結合近年在使用潛孔錘鉆進施工微型樁工藝的實踐經驗，在潛孔錘鉆進中采用89mm外平鉆桿，其它參數不變，另配一套管材，加在89mm外平鉆桿上，減小鉆桿與孔壁間的環狀間隙，以達到順利排渣的目的，加裝工具如圖2所示：

圖2 氣動潛孔錘加裝工具改進示意圖

針對不同口徑的微型樁可加工不同尺寸的套管，實驗加工套管外徑型號有194/219/245/273四種型號，套管相關加工參數及結構如下：

1）加工的套管壁厚為2mm，單根（1.5m/根）套管重量控制在100kg以下。

2）在套管與套管間采用插銷連接固定套管，防止套管封頭鋼板與鉆桿形成摩擦，磨壞鉆桿。

3）DHD380沖擊器外部尺寸為187mm，為避免在套管封頭鋼板底部形成空氣流漩渦，采用導向護片在沖擊器與套管間形成氣流導向。

3 潛孔錘鉆探過程中排渣工藝試驗及成果

經過改裝后的設備效果如何？在成孔過程中，如何確定最佳套管尺寸，操作工藝中會出現什么樣問題，為此，開展了現場工藝試驗。然后根據工藝試驗成果，獲得最優鉆具組合和最佳施工工藝。

3.1 現場工藝試驗設計及開展

3.1.1試驗場地確定

試驗選取四川地區最具代表性地層，即上部為塊碎石土，下部為基巖的地層。公司馬頭山倉庫附近就屬此類地層，方便試驗的開展和順利進行。試驗場地內覆蓋層為第四系殘坡積層（Q4del），主分布于坡體表層，成分為粉質粘土夾碎石，顏色呈棕黃-黃色，濕潤，膠結程度一般。碎石含量隨斜坡地形從上至下依次遞增，約25%～65%，塊石直徑20～60cm，次棱角狀。碎石母巖巖性紫紅色的砂巖、泥巖。下覆基巖為侏羅系遂寧組（J2sn）砂泥巖互層，泥巖比例占70%，紫紅色，強-弱風化。

3.1.2試驗內容及方法

試驗選取320mm口徑和400mm口徑兩種大小的鉆孔，采用89mm鉆桿，分別加裝194mm、219mm、245mm、273mm四種型號套管。空壓機型號：阿特拉斯976。鉆機型號：SL600。鉆具組合形式：鉆頭+φ89鉆桿+套管裝置，沖擊器+鉆頭2m，機高0.7m。共施工鉆孔10個，鉆孔深度2.8～10.3m。其中400mm孔徑+89mm鉆桿組合施工鉆孔孔深2.8m，320mm孔徑+89mm鉆桿組合施工鉆孔孔深5.8m，其余組合施工鉆孔孔深均為10.3m。施工中記錄孔深、進尺、上返風速、純鉆進時間，并描述對應地層和鉆進情況。

圖3 φ320mm與φ400mm兩種孔徑返風速度與返風斷面面積關系

圖4 φ320mm孔徑純鉆進時間與返風速度關系

圖5 φ400mm孔徑純鉆進時間與返風速度關系

3.2 試驗結果分析

3.2.1 上返風速與返風斷面尺寸關系

由公式（1）可知，當供風量一定時，上返風速與返風斷面尺寸成反比關系，返風斷面尺寸越小，上返風速越大。返風斷面尺寸由鉆孔孔徑和鉆桿直徑決定，當鉆孔孔徑一定時，鉆桿直徑越大則返風間隙空間越小。試驗中發現，無論是320mm孔徑還是400mm孔徑，隨著套管直徑增加，空氣回返間隙減小，上返風速均呈明顯增大趨勢（圖3）。

3.2.2 純鉆進時間與上返風速關系

隨著上返風速增加，成孔渣土能較好被排出，縮短鉆進時間，從而提高鉆孔效率。試驗中發現，對于孔徑為320mm鉆孔，純鉆進時間隨上返風速增大而快速減小（圖4），規律較為明顯。而對于孔徑為400mm鉆孔，純鉆進時間隨上返風速的變化如圖5所示，沒有規律性，通過對鉆進過程的分析，其主要原因在于受地層影響，場地上部以殘坡積粉粘土為主，不宜采用空氣潛孔錘鉆進，而直接采用螺旋鉆進穿過粘土層后，再改用空氣潛孔錘鉆進，這時再加裝套管，但是由于之前的黏土顆粒未清除，造成孔內堵塞，提鉆清除孔內黏土堆積時影響了鉆進速度。

4 結論與建議

1）提高成孔過程上返風速是確保空氣潛孔錘大孔徑裸鉆成孔排渣的核心，通過改進鉆桿外形，加裝鉆桿增徑器，減小鉆桿與鉆孔孔壁間環狀空間斷面，可以有效提高上返風速。

2）在320mm孔徑鉆進實驗中，上述規律較明顯，在400mm孔徑鉆進實驗中，純鉆進時間與上返風速間不具顯著相關性，表明除上返風速外，施工工藝等因素對鉆進效率也有較大影響。

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A Study of the Key Technology of Air DTH Hammer Positive Circulation Large Diameter Bare Drilling and Slag Discharge

XIAO Chun-yang SHEN Ce WU Hong

(The 909th Hydrogeological and Engineering Geological Team, BGEEMRSP, Mianyang, Sichuan 621000)

This paper has a discussion on influence factors of returning slag in air DTH hammer drilling technology in view of returning slag difficulty of air DTH hammer forward circulation bare drilling large bore hole in the engineering practice. The problem of the returning slag is solved successfully by means of equipment reconfiguration and equipment improvement with installing drill pipe augmenter.

air DTH hammer; forward circulation; drill pipe augmenter; upwind speed

2020-05-25

肖春陽（1970— ），男，四川興文人，探礦專業高級工程師，長期從事水文水井鉆探和工程地質鉆探

P634.5

A

1006-0995（2021）02-0330-03

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.02.030