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潛孔沖擊器水平鉆進(jìn)技術(shù)
點(diǎn)擊次數(shù)：2951 發(fā)布時(shí)間：2015-12-29
空氣潛孔沖擊器鉆進(jìn)技術(shù)的特點(diǎn)
空氣潛孔沖擊器鉆進(jìn)技術(shù)因其如下的一些特點(diǎn)，是它拓展應(yīng)用領(lǐng)域的有利條件：
（1） 鉆進(jìn)效率高，生產(chǎn)實(shí)踐證明，其鉆進(jìn)效率比液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)效率高了3~10倍，效率提高的原因是：單次沖擊功大，排渣風(fēng)速高，孔底干凈，無二次破碎；由于無液柱壓力，在無地下水的情況下，改善了孔底破碎條件。
（2） 潛孔沖擊器的柱齒或球齒硬質(zhì)合金鉆頭，在堅(jiān)硬破碎巖石中使用，既有利于破巖，又有比金剛石鉆頭壽命高的適應(yīng)性，大大降低了鉆頭成本。
（3） 因鉆具轉(zhuǎn)速低，鉆具對(duì)孔壁的碰撞機(jī)會(huì)較少，而且這種鉆進(jìn)方法是以高頻對(duì)孔底沖擊，減少了對(duì)巖石或傾斜地層產(chǎn)生孔斜的影響，從而可提高鉆孔的垂直度，同時(shí)，也可減少孔壁巖石坍塌。
（4） 潛孔沖擊器鉆進(jìn)時(shí)要求的轉(zhuǎn)速低，克服的扭矩也小，因而對(duì)鉆機(jī)的性能要求不高。這樣可減輕鉆機(jī)設(shè)備的質(zhì)量和能力，為大口徑硬巖鉆進(jìn)，邊坡坑滑加固錨桿孔鉆進(jìn)創(chuàng)造了有利的使用條件。
（5） 由于以空氣作為循環(huán)介質(zhì)，不同于清水與泥漿鉆進(jìn)，不會(huì)造成地層堵塞，故對(duì)含水層、含氣層和含油層等生產(chǎn)層無影響，這對(duì)提高水井、煤層氣井的生產(chǎn)量極其重要。另外，對(duì)環(huán)境的污染較小。
（6） 風(fēng)動(dòng)潛孔沖擊器工作時(shí)單次沖擊功在瞬間即可生產(chǎn)*作用力，因而它可應(yīng)用于軟層沖擊擠密不排土鉆進(jìn)，也可用于非開挖鋪管的夯管技術(shù)。
潛孔沖擊器的分類按有以下幾種分類形式：以用途來分可分為普通潛孔沖擊器和特殊潛孔沖擊器；從動(dòng)力源來分，可分為氣動(dòng)潛孔沖擊器和液動(dòng)潛孔沖擊器；按結(jié)構(gòu)可分為閥式潛孔沖擊器和無閥式潛孔沖擊器。
1. 按用途分類
（1）普通潛孔沖擊器
即常規(guī)得以空氣為動(dòng)力、直徑在800mm的全面鉆進(jìn)用潛孔沖擊器，主要用于礦山和水井，以及地質(zhì)鉆探中的無巖心鉆進(jìn)，這是目前國內(nèi)外用的zui多的潛孔沖擊器類型。
（2）特殊潛孔沖擊器
A 大口徑潛孔沖擊器
指直徑在800mm以上的潛孔沖擊器，主要在大型灌注樁（如橋墩）和豎井中使用，此種潛孔沖擊器又可分為單頭和多頭式（即捆綁式）。
B 貫通式潛孔沖擊器
可以獲得高質(zhì)量巖礦樣品，主要在貴金屬礦勘探中應(yīng)用。
C 跟管鉆進(jìn)用潛孔沖擊器
即偏心潛孔沖擊器，主要用于第四系覆蓋層中的復(fù)雜地層鉆進(jìn)。
D 非開挖定（導(dǎo)）向鉆進(jìn)用潛孔沖擊器
亦稱鴨咀形潛孔沖擊器，用于基巖地層中的水平定向鉆進(jìn)非開挖鋪管。
2. 按動(dòng)力源分類
（1）氣動(dòng)潛孔沖擊器
以壓縮空氣為動(dòng)力，包括含泡沫的壓縮空氣。
（2）液動(dòng)潛孔沖擊器
指以水（泥漿）力為動(dòng)力的潛孔沖擊器，又可分為高頻率低沖擊功和低頻率高沖擊功兩類，前者主要用于深孔巖心鉆探，又稱液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；后者主要用于無巖心全面鉆進(jìn)。
3. 按結(jié)構(gòu)分類
這里的按結(jié)構(gòu)分類，主要指以配氣形式的不同來分類。氣動(dòng)潛孔沖擊器按配氣類別分為兩大類：有閥式潛孔沖擊器和無閥式潛孔沖擊器。
（1）有閥式潛孔沖擊器
通過各種形式的控制閥（碟狀閥、碗狀閥、板狀閥等）司管壓縮空氣的切換，交替進(jìn)入前后氣室推動(dòng)沖錘（活塞）往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生沖擊作用?；钊\(yùn)動(dòng)到缸體的前后死點(diǎn)，產(chǎn)生壓力信號(hào)推動(dòng)控制切換，使活塞換向沖擊。閥式潛孔沖擊器缸體內(nèi)的配氣過程簡單，壓縮空氣只經(jīng)歷進(jìn)氣和排氣二個(gè)配氣過程。
有閥式潛孔沖擊器適用于低風(fēng)壓（1MPa以下），近年來正逐漸被無閥式潛孔沖擊器所代替。
（2）無閥式潛孔沖擊器
是繼有閥式潛孔沖擊器之后發(fā)明和發(fā)展起來的。它取消了控制閥，利用沖錘（活塞）運(yùn)動(dòng)開啟和關(guān)閉不同通道，從而控制壓縮空氣的切換?；钊诟左w內(nèi)的配氣過程有三個(gè)狀態(tài)，即進(jìn)氣行程、排氣行程、膨脹（壓縮）行程，從而發(fā)揮了壓縮空氣可壓縮和膨脹作功的特性。與有閥型潛孔沖擊器相比較，由于缸體內(nèi)多了一個(gè)膨脹作功過程，節(jié)省壓縮空氣消耗量近30％，大幅度節(jié)約和降低了能耗。有閥型潛孔沖擊器控制閥高頻運(yùn)動(dòng)、切換，容易磨損報(bào)廢，需定期更換?？刂崎y隨潛孔沖擊器工作時(shí)間延續(xù)而逐漸磨損，無法保證潛孔沖擊器始終保持良好的工作性能?？刂崎y的靈活切換，只能在一定的氣壓范圍內(nèi)，壓力的適應(yīng)性及工作穩(wěn)定性較差。無閥型潛孔沖擊器從原理上*了這一弊端，消除了易損件。壓力適應(yīng)性強(qiáng)，工作穩(wěn)定性好。因此，近代研究開發(fā)的各種類型潛孔沖擊器均以無閥型為主，代表了潛孔沖擊器的發(fā)展趨勢。
無閥式潛孔沖擊器適用于高風(fēng)壓（1MPa以上），特點(diǎn)鉆進(jìn)效率高、壽命長。
在氣動(dòng)潛孔沖擊器鉆進(jìn)過程中，高壓空氣驅(qū)動(dòng)沖擊器內(nèi)的活塞作高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)。并將該運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能*的傳遞到鉆頭上，使鉆頭獲得一定的沖擊功。鉆頭在該沖擊功的作用下，連續(xù)的對(duì)孔底巖石施行沖擊。巖石在該沖擊功的作用下，形成體積破碎。同回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相比，該工藝是以鉆頭沖擊破碎巖石取代了切削巖石；以動(dòng)載沖擊代替了靜載研磨，以巖石的體積破碎代替了研磨剪切破碎。在潛孔沖擊器鉆進(jìn)的同時(shí)，一部分被體積破碎下來的巖屑被具有一定壓力及速度的空氣吹離孔底，并排出孔口、減少了巖石重復(fù)破碎的機(jī)會(huì)。所以氣動(dòng)潛孔沖擊器有較高的鉆進(jìn)效率。
氣動(dòng)潛孔沖擊器的選擇主要涉及其性能參數(shù)（沖擊功、沖擊頻率、沖擊能量以及壓縮空氣耗用量）、鉆進(jìn)規(guī)程（風(fēng)量、風(fēng)壓、鉆壓、轉(zhuǎn)速）和鉆頭。實(shí)際上良好的沖擊器應(yīng)達(dá)到兩個(gè)指標(biāo)：及有較高的破碎巖石效率和較長的鉆具壽命。
潛孔沖擊器鉆進(jìn)工法鋪設(shè)管道如圖7-1示，首先在所穿越地層一端構(gòu)筑始發(fā)井，根據(jù)設(shè)計(jì)要求安裝設(shè)備。壓縮空氣通過鉆桿進(jìn)入潛孔沖擊器，使?jié)摽讻_擊器內(nèi)活塞產(chǎn)生往返運(yùn)動(dòng)，對(duì)鉆頭產(chǎn)生沖擊作用，實(shí)現(xiàn)沖擊鉆進(jìn)，同時(shí)回轉(zhuǎn)鉆桿。在鉆進(jìn)的同時(shí)頂進(jìn)工作站頂進(jìn)管道，實(shí)現(xiàn)跟管鉆進(jìn)。
潛孔沖擊器在孔中沖擊鉆頭實(shí)現(xiàn)沖擊鉆進(jìn)，破碎下來的巖屑通過機(jī)械，水力或壓縮空氣等方法排出（實(shí)際上，這里所說的水力和氣力排土法目前在非開挖施工中還沒有得到應(yīng)用）。
空氣潛孔沖擊器鉆進(jìn)技術(shù)因其如下的一些特點(diǎn)，是它拓展應(yīng)用領(lǐng)域的有利條件：
（1） 鉆進(jìn)效率高，生產(chǎn)實(shí)踐證明，其鉆進(jìn)效率比液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)效率高了3~10倍，效率提高的原因是：單次沖擊功大，排渣風(fēng)速高，孔底干凈，無二次破碎；由于無液柱壓力，在無地下水的情況下，改善了孔底破碎條件。
（2） 潛孔沖擊器的柱齒或球齒硬質(zhì)合金鉆頭，在堅(jiān)硬破碎巖石中使用，既有利于破巖，又有比金剛石鉆頭壽命高的適應(yīng)性，大大降低了鉆頭成本。
（3） 因鉆具轉(zhuǎn)速低，鉆具對(duì)孔壁的碰撞機(jī)會(huì)較少，而且這種鉆進(jìn)方法是以高頻對(duì)孔底沖擊，減少了對(duì)巖石或傾斜地層產(chǎn)生孔斜的影響，從而可提高鉆孔的垂直度，同時(shí)，也可減少孔壁巖石坍塌。
（4） 潛孔沖擊器鉆進(jìn)時(shí)要求的轉(zhuǎn)速低，克服的扭矩也小，因而對(duì)鉆機(jī)的性能要求不高。這樣可減輕鉆機(jī)設(shè)備的質(zhì)量和能力，為大口徑硬巖鉆進(jìn)，邊坡坑滑加固錨桿孔鉆進(jìn)創(chuàng)造了有利的使用條件。
（5） 由于以空氣作為循環(huán)介質(zhì)，不同于清水與泥漿鉆進(jìn)，不會(huì)造成地層堵塞，故對(duì)含水層、含氣層和含油層等生產(chǎn)層無影響，這對(duì)提高水井、煤層氣井的生產(chǎn)量極其重要。另外，對(duì)環(huán)境的污染較小。
（6） 風(fēng)動(dòng)潛孔沖擊器工作時(shí)單次沖擊功在瞬間即可生產(chǎn)*作用力，因而它可應(yīng)用于軟層沖擊擠密不排土鉆進(jìn)，也可用于非開挖鋪管的夯管技術(shù)。
潛孔沖擊器的分類按有以下幾種分類形式：以用途來分可分為普通潛孔沖擊器和特殊潛孔沖擊器；從動(dòng)力源來分，可分為氣動(dòng)潛孔沖擊器和液動(dòng)潛孔沖擊器；按結(jié)構(gòu)可分為閥式潛孔沖擊器和無閥式潛孔沖擊器。
1. 按用途分類
（1）普通潛孔沖擊器
即常規(guī)得以空氣為動(dòng)力、直徑在800mm的全面鉆進(jìn)用潛孔沖擊器，主要用于礦山和水井，以及地質(zhì)鉆探中的無巖心鉆進(jìn)，這是目前國內(nèi)外用的zui多的潛孔沖擊器類型。
（2）特殊潛孔沖擊器
A 大口徑潛孔沖擊器
指直徑在800mm以上的潛孔沖擊器，主要在大型灌注樁（如橋墩）和豎井中使用，此種潛孔沖擊器又可分為單頭和多頭式（即捆綁式）。
B 貫通式潛孔沖擊器
可以獲得高質(zhì)量巖礦樣品，主要在貴金屬礦勘探中應(yīng)用。
C 跟管鉆進(jìn)用潛孔沖擊器
即偏心潛孔沖擊器，主要用于第四系覆蓋層中的復(fù)雜地層鉆進(jìn)。
D 非開挖定（導(dǎo)）向鉆進(jìn)用潛孔沖擊器
亦稱鴨咀形潛孔沖擊器，用于基巖地層中的水平定向鉆進(jìn)非開挖鋪管。
2. 按動(dòng)力源分類
（1）氣動(dòng)潛孔沖擊器
以壓縮空氣為動(dòng)力，包括含泡沫的壓縮空氣。
（2）液動(dòng)潛孔沖擊器
指以水（泥漿）力為動(dòng)力的潛孔沖擊器，又可分為高頻率低沖擊功和低頻率高沖擊功兩類，前者主要用于深孔巖心鉆探，又稱液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；后者主要用于無巖心全面鉆進(jìn)。
3. 按結(jié)構(gòu)分類
這里的按結(jié)構(gòu)分類，主要指以配氣形式的不同來分類。氣動(dòng)潛孔沖擊器按配氣類別分為兩大類：有閥式潛孔沖擊器和無閥式潛孔沖擊器。
（1）有閥式潛孔沖擊器
通過各種形式的控制閥（碟狀閥、碗狀閥、板狀閥等）司管壓縮空氣的切換，交替進(jìn)入前后氣室推動(dòng)沖錘（活塞）往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生沖擊作用?；钊\(yùn)動(dòng)到缸體的前后死點(diǎn)，產(chǎn)生壓力信號(hào)推動(dòng)控制切換，使活塞換向沖擊。閥式潛孔沖擊器缸體內(nèi)的配氣過程簡單，壓縮空氣只經(jīng)歷進(jìn)氣和排氣二個(gè)配氣過程。
有閥式潛孔沖擊器適用于低風(fēng)壓（1MPa以下），近年來正逐漸被無閥式潛孔沖擊器所代替。
（2）無閥式潛孔沖擊器
是繼有閥式潛孔沖擊器之后發(fā)明和發(fā)展起來的。它取消了控制閥，利用沖錘（活塞）運(yùn)動(dòng)開啟和關(guān)閉不同通道，從而控制壓縮空氣的切換?；钊诟左w內(nèi)的配氣過程有三個(gè)狀態(tài)，即進(jìn)氣行程、排氣行程、膨脹（壓縮）行程，從而發(fā)揮了壓縮空氣可壓縮和膨脹作功的特性。與有閥型潛孔沖擊器相比較，由于缸體內(nèi)多了一個(gè)膨脹作功過程，節(jié)省壓縮空氣消耗量近30％，大幅度節(jié)約和降低了能耗。有閥型潛孔沖擊器控制閥高頻運(yùn)動(dòng)、切換，容易磨損報(bào)廢，需定期更換?？刂崎y隨潛孔沖擊器工作時(shí)間延續(xù)而逐漸磨損，無法保證潛孔沖擊器始終保持良好的工作性能?？刂崎y的靈活切換，只能在一定的氣壓范圍內(nèi)，壓力的適應(yīng)性及工作穩(wěn)定性較差。無閥型潛孔沖擊器從原理上*了這一弊端，消除了易損件。壓力適應(yīng)性強(qiáng)，工作穩(wěn)定性好。因此，近代研究開發(fā)的各種類型潛孔沖擊器均以無閥型為主，代表了潛孔沖擊器的發(fā)展趨勢。
無閥式潛孔沖擊器適用于高風(fēng)壓（1MPa以上），特點(diǎn)鉆進(jìn)效率高、壽命長。
在氣動(dòng)潛孔沖擊器鉆進(jìn)過程中，高壓空氣驅(qū)動(dòng)沖擊器內(nèi)的活塞作高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)。并將該運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能*的傳遞到鉆頭上，使鉆頭獲得一定的沖擊功。鉆頭在該沖擊功的作用下，連續(xù)的對(duì)孔底巖石施行沖擊。巖石在該沖擊功的作用下，形成體積破碎。同回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相比，該工藝是以鉆頭沖擊破碎巖石取代了切削巖石；以動(dòng)載沖擊代替了靜載研磨，以巖石的體積破碎代替了研磨剪切破碎。在潛孔沖擊器鉆進(jìn)的同時(shí)，一部分被體積破碎下來的巖屑被具有一定壓力及速度的空氣吹離孔底，并排出孔口、減少了巖石重復(fù)破碎的機(jī)會(huì)。所以氣動(dòng)潛孔沖擊器有較高的鉆進(jìn)效率。
氣動(dòng)潛孔沖擊器的選擇主要涉及其性能參數(shù)（沖擊功、沖擊頻率、沖擊能量以及壓縮空氣耗用量）、鉆進(jìn)規(guī)程（風(fēng)量、風(fēng)壓、鉆壓、轉(zhuǎn)速）和鉆頭。實(shí)際上良好的沖擊器應(yīng)達(dá)到兩個(gè)指標(biāo)：及有較高的破碎巖石效率和較長的鉆具壽命。
潛孔沖擊器鉆進(jìn)工法鋪設(shè)管道如圖7-1示，首先在所穿越地層一端構(gòu)筑始發(fā)井，根據(jù)設(shè)計(jì)要求安裝設(shè)備。壓縮空氣通過鉆桿進(jìn)入潛孔沖擊器，使?jié)摽讻_擊器內(nèi)活塞產(chǎn)生往返運(yùn)動(dòng)，對(duì)鉆頭產(chǎn)生沖擊作用，實(shí)現(xiàn)沖擊鉆進(jìn)，同時(shí)回轉(zhuǎn)鉆桿。在鉆進(jìn)的同時(shí)頂進(jìn)工作站頂進(jìn)管道，實(shí)現(xiàn)跟管鉆進(jìn)。
潛孔沖擊器在孔中沖擊鉆頭實(shí)現(xiàn)沖擊鉆進(jìn)，破碎下來的巖屑通過機(jī)械，水力或壓縮空氣等方法排出（實(shí)際上，這里所說的水力和氣力排土法目前在非開挖施工中還沒有得到應(yīng)用）。