潜孔锤在钟祥市体育馆地源热泵工程中的应用

1、气动潜孔锤钻进技术在钟祥市体育馆地源热泵工程中的应用洪浩 李敏 李依平（武汉地质工程勘察院）摘要：以钟祥市体育馆地源热泵工程项目为例，简单介绍气动潜孔锤钻机的工作原理、钻进工艺及性能参数，探讨了气动潜孔锤钻机在复杂地层（土层、卵砾石层、岩层、破碎带、有水钻进）钻进及气动潜孔锤钻机拔管的方法和注意事项。关键词：地源热泵 潜孔锤 复杂地层钻进 拔管Abstract：Taking the city of Zhongxiang stadium ground source heat pump project as an example, introduces a pneumatic DTH hammer

2、 drilling works, drilling technology and performance parameters, discussed the pneumatic down-the-hole hammer drilling in complicated formation ( soil, gravel, rock, fracture zone, drilling with water ) drilling and pneumatic DTH hammer drilling rig extubation method and matters needing attention.Ke

3、y words: ground-source heat pump， submerged hole hammer ，drilling in complicated stratum， extubation 一、工程概况钟祥市体育馆广场工程位于钟祥市莫愁湖畔，南临北湖路、西临校场路，总建筑面积13733，建筑占地面积12616，建筑高度20.55m。项目中央空调系统夏季设计冷负荷770KW，冬季空调设计热负荷600KW，采用地埋管地源热泵系统。地源测布置换热孔169个，钻孔直径150mm，钻孔深度100m，垂直换热管为De25的PE100双U管，水平管采用同程式布置，分两个回路。夏季释热功率为920

4、KW，冬季吸热功率为420KW。二、底层及地质条件钟祥市体育馆项目场区内地层结构如下：06米：杂填土；622米：粘土；2223.8米：砂卵石；23.8100米：泥岩，在2543米处有断层破碎带。场区内山峦是及破碎带中含承压水，埋深4m左右，水量35m³/h左右。三、施工工艺选择及主要施工设备性能本工程地埋管钻孔数量较多，地层较复杂，既有砂卵石层，还有破碎带，设计孔深达100米，孔径较大，常规液压回转钻机受施工机械性能制约，功效慢、成本较高。潜孔锤钻进工艺成孔快，施工能力强，是目前岩层中地埋管施工首选成孔工艺，本项目虽然地下情况复杂，经综合分析，地埋管钻孔施工仍确定采用潜孔锤钻进成孔工

5、艺，施工期间经过多次工艺改进，确保了项目顺利完成。钻机：TH10车载全液压潜孔锤钻机，成孔直径110-254mm，最大可钻深度213m，工作风压，工作风量16-30m3/min，进尺效率520m/h；空压机：AirMan低噪音空压机，额定排气压力2.4MPa，供气量29m³/min；钻杆：主动钻杆长度3m，直径89mm，锥形丝扣连接，密封性良好；冲击器：DH.DHD中、高风压系列冲击器；跟管钻具：146偏心钻头；配套管：168x3米钢管、183x3米钢管。四、潜孔锤钻进原理在潜孔锤钻进过程中，高压空气驱动冲击器内的活塞作高频往复运动。并将该运动所产生的动能源源不断的传递到钻头上，使钻

6、头获得一定的冲击功。钻头在该冲击功的作用下，连续的对孔底岩石施行冲击。岩石在该冲击功的作用下，形成体积破碎。同回转钻进相比，该工艺是以钻头冲击破碎岩石取代了切削岩石；以动载冲击代替了静载研磨，以岩石的体积破碎代替了研磨剪切破碎。在潜孔锤钻进的同时，一部分被体积破碎下来的岩屑被具有一定压力及速度的空气吹离孔底，并排出孔口、减少了岩石重复破碎的机会，所以气动潜孔锤有较高的钻进效率。潜孔锤碎岩原理见图1，钻进排屑见图2，潜孔锤结构图见图3，气动潜孔锤系统见图4图1 钻头球齿冲击作用下碎岩示意图 图2空气由空地携带岩屑向上排除示意图砂卵石层土层岩层破碎带泥岩层123456781、空压机2、高压风管3、

7、车载式潜孔锤钻机4、天车5、钻杆6、土层护壁套管7、破碎带跟管套管8潜孔锤图3 气动潜孔锤结构图 图4 气动潜孔锤系统图施工设备的选择主要涉及其性能参数（冲击功、冲击频率、冲击能量以及压缩空气耗用量）、钻进规程（风量、风压、钻压、转速）和钻头。冲击器的选择应达到两个指标：具有较高的破碎岩石效率和较长的使用寿命。五、气动潜孔锤钻进工艺1、钻进基本要求（1）送气管路应密封良好，应安装有气压表和注油器。（2）供风量保证潜孔锤性能所需要耗风量和 15m/s 孔内上返风速。（3）潜孔锤所需风压不低于1.7MPa，并结合孔深、 孔内水柱高度和水量等因素确定。（4）土层三翼钻头钻进，岩层潜孔锤钻进。（5）粘

8、性土层段下护壁套管，破碎带下跟管套管。（6）孔深、孔径、孔斜达到设计及规范要求。（7）埋置PE双U管、回填充分后起拔土层护壁套管。2、钻压气动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。在泥岩层中的单位直径的压力推荐值在48KN/cm2。钻压的合理选择还应考虑到钻进方式（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

9、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。3、风压和风量：施工时，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，有水情况下还需克服水柱压力。工作风压计算公式如下：P=LQ2PmP锤P水 1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.

10、3Mpa）      P锤-潜孔锤压力降 （Mpa）      P水-钻孔内水柱压力（Mpa）经计算，本项目在有水条件下，最大钻压为2.1MPa，钻进速度最佳。空气钻进中空气耗量是根据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。为保证清除和携带孔底岩屑的钻孔环隙，上返速度V不低于15m/s，所需风量采用下式计算：Q=47.1K1K2(D2d2)V 2式中：Q-钻进时所需空气量（m3/min）K1-孔深损耗系数，孔深100以内取1.0K2-孔内涌水时，风量增加系数，其值与涌水量有关，中等涌水量K2=1.

11、5D-钻孔（套管）直径（m）d-钻杆外径（m）V-环状间隙气流上返速度（m/s）在钻进技术参数选择时，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。4、转速确定转速的高低主要和冲击器的冲击频率，规格大小以及岩层的物理性质有关。一般转速选用每分钟2040转为好，转速过高会造成钻头的严重磨损和钻进效率的降低，由于气动潜孔锤进是以冲击方式碎岩的，回转速度会改变钻头合金的冲击破岩位置，避免重复破碎，因此，合理的转速应保证在最优的冲击间隔范围之内。在较硬岩层中应采用较低转速，而较软岩层中采用较高转速。最优冲击间隔的确定，

12、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：转速应根据岩石的性质、冲击频率确定，应按下式计算：n= Af/6 n钻头转速，单位：r/minA最优转角，取11°f冲击频率，单位：Hz经计算，空压机工作排气压力为2.1MPa，钻头冲击频率为1418HZ，转速取2533r/min为最佳转速。5、钻进方法（1）开钻前检查:检查送风系统是否漏气；检查冲击器的卡钎套、弹簧和园键是否牢固，防止钻头脱落；下钻前应在地面对冲击器进行启动试验，检查冲击器是否冲击；检查正反循环接头是否有裂纹，钻头是否完整；检查钻杆内有无泥砂杂物；下钻前要对冲击器进行一次检查和注润滑油；接上主动钻杆

13、后应先送风，待风送通后再慢慢下降钻具工作。（2）土层中的钻进：钻进时先用小风量或无风干钻，待没过没过三翼钻头整体进入土层后再加大风量进行钻进。接近岩石时应注意掌握进尺，避免超深，使套管底部悬空，避免钻进时空气沿套关外反串上来，降低排屑能力。（3）卵石层中的钻井：采用偏心跟管钻进法，以潜孔锤破碎岩石，钻头超前钻进，套管紧随其后。可克服砂卵石层不好护壁的问题。详见本节第（6）条（4）护壁套管安装：安装表层套管时用钻机下压至不动为止，并上紧夹板。松软表层时夹板下应垫木棒或钢管以防止上水后孔口下陷，使套管下陷。如果表层套管安装后又钻遇松散坍塌层而不能成孔时，应扩孔加深套管后继续钻进。套管底应下至基岩面

14、。（5）在岩层中的钻进：潜孔锤采用传统的正循环钻进，压缩空气经钻杆内孔道传输给潜孔锤，驱动潜孔锤作功。排出的废气经钻头排气孔排出，冲洗孔底，冷却钻头，携带岩渣屑沿孔壁与钻杆之间的环状间隙上返至地表，完成正循环钻进过程。但潜孔锤在正循环钻进时，高速气流冲刷孔壁，不利于孔壁的稳定；气流排出孔口造成粉尘或泥浆污染，不利于环保。在钻进过程中，孔内岩粉过多时， 应提起钻头进行强力吹孔，将岩粉清除后再钻进。 （6）破碎带钻进：在施工过程中，当潜孔锤正常施工到破碎带时，孔内出现垮孔现象，采用偏心钻头同步跟管钻进。偏心钻头跟管钻进原理示意图见图5，偏心钻头实物照片见图6.图5 偏心钻头跟管钻进原理示意图 图6

15、 偏心钻头实物照片开钻前，将连接好的冲击器及钻头放入带有套管靴的套管内，让偏心钻头伸出套管靴，轻压正转张开偏心钻头，工作风压控制在0.50.7MPa，压力过大容易造成钻头的套管靴的损坏。钻进时偏心钻头在套管靴前钻出比套管外径大的钻孔，冲击器同时锤击套管靴，使套管与钻孔同步跟进，起到保护孔壁的作用。钻孔施工完毕，偏心钻头收缩从套管内孔提出，套管留在破碎带。此方法工作原理是偏心钻头钻进的同时，利用冲击器的冲击力冲击套管靴，将套管跟钻头一起跟进。（7）含水层中的钻进：当地下涌水较大时，为避免由于进尺快，钻屑岩粉量大，在钻进一定距离后，应采取强吹孔的方法，把钻具提离井底，使压气的能量全部用来冲起岩屑。

16、6、钻进中异常情况处理（1）钻进遇阻卡钻时，不要停风，应采取上下活动钻具、慢转速、加大风量等方法，使回钻正常后，继续钻进。（2）如果通风受阻，风压升高，冲击器不冲击，可能是气路堵塞，应提钻检查冲击器和钻头。（3）如果通风正常，风压下降，冲击器不冲击，可能是活塞被卡、配气装置有故障，或钻杆中途漏气，应提钻检查。（4）在地层破碎严重或有大量泥夹层时，为防止塌孔或掉块挤钻，采用同步跟管钻进法，即潜孔锤一边钻进，套管一边随钻头下入孔内。跟进的套管具有稳定孔壁和保护孔口作用，而且钻进、排渣和护壁3个工序同时进行，使钻孔工作得以顺利进行。7、潜孔锤钻进注意事项（1）潜孔锤要进场检查、拆卸，避免丝扣过紧，拆

17、卸不开。（2）避免在旧钻头之后用同一直径的新钻头钻进同一钻孔，或用新钻头扩孔。（3）下钻时尽量避免碰撞孔壁。（4）孔内有残留硬合金块时应打捞或吹出后才能钻进。（5）不用的潜孔锤应涂丝扣油并盖堵接头后存放。（6）钻孔完毕验收合格后应立即进行下一道工序。六、潜孔锤拔管技术1、钟祥市体育馆厂区内的土层厚度有22米，地埋管钻孔上段（22米）有套管护壁，采用传统的拔管方法，拔管机必须得克服套管重力、土层对套管外壁的摩擦力、注浆料对套管内壁的摩擦力及偏心应力等力的作用拔管非常困难，劳动强度大，效率极低。2、利用潜孔锤的工作原理，将潜孔锤进行改进，利用潜孔锤的高频振动冲击作用起拔，效果十分明显，可以安全迅速

18、的将22米左右的土层护壁导管全部拔出，平均用时15分钟左右即可全部拔起。3、潜孔锤拔管器具（1）潜孔冲击器（有阀型）（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。4、拔管操作要求（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，在起拔套管的过程中，导管容易断裂，因此应密切注意套管状态，调整空压机风量与风压。（4）导管拔出一定长度后应对拔管器具进行导正和支撑，以保证顺利拔管和避免导管折断，边起拔边拆卸导管。七、结语钟祥市体