空气潜孔锤在水文水井钻探中的应用

吴昂昂

（安徽省地质矿产勘查局327 地质队，安徽 合肥 230011）

结合以往勘探资料，该井田地质性质较全面。当然，矿山钻孔的施工坐标是在现场实际测量后从矿山获取的。技术质量要求为：终孔、直缝焊管钻孔后，潜孔锤钻孔不需要任何填塞材料填塞缝隙间的墙壁；钻孔结束后，送精密钻爆药，位移偏差不大于2.5m；焊接壳体箍，焊接肋条，为保障封闭性，工程及护壁管的使用、安装一定适合质量需求，本工程两个瓦斯抽放孔构造、房屋规范、质量以及技术需求相等，施工工艺基本相同。为了满足高准确度矿山钻探技术的需求，空气潜孔锤钻进技术在矿山钻探的基本上，在国内外取得了良好的应用效果，发展了空气潜孔锤钻进技术。

1 基于空气潜孔锤钻进技术的矿山钻探施工方法

在本文开发空气潜孔锤钻进技术的基础上，在矿井掘进设计中，预先确定了空气潜孔锤钻进技术的设计原则。详细分析了空气潜孔锤钻进技术在矿山凿岩技术中的重要环节。空气潜孔锤钻进技术在矿山钻进中的应用，首先要有一定的资质和合理的矿山钻进结构。钻孔结构不同，一般应选用三种不同钻孔类型的潜孔锤，并与地表硐室、技术硐室相结合，在井位开孔钻进10层以下基岩位置或钻孔安装达到一定深度时，在钻孔时充填地表硐室。当矿井埋深较大，易发生崩塌、漏矿、高压、盐渍等情况时，采用现有的技术，可以隔离外壳层，保护钻孔，为了在开采过程中继续影响上部复合模板对下部施工的影响，同时在钻孔下部配备性能良好的冲洗液，针对深孔钻削问题，基于空气潜孔锤钻进技术的钻削结构施工是该技术的重要因素，还是提升钻削率度、下降钻削成本的肯定性步骤。

2 水文水井钻探工艺特点

2.1 成井周期短

不管是气潜孔锤钻还是气举反钻，由于钻进中减少了提钻次数，相对增加了纯钻进时间，大大缩短了钻孔单位的钻井周期。这一方面可以在相同的生产周期内完成更多的水井建设项目，大大增加市场份额，另一方面也良好地处理了同时率难点，使仅限的设备较大限度地施展其作用。

2.2 改善钻孔定位

使用空气潜孔锤钻进技术“低压、低速”和气举反循环的“孔底加压、挂钻”的特点，改善了钻孔的侧向定位。一般情况下，钻孔倾角不大于0.5°/100 M，保证了铺管止水工艺的顺当实行，因此也为转变孔径后安全有效地钻进供应了强有力的保障。

2.3 摊费用用低

当时，因为实现井的时间短，损耗按比率直接减少，如人工工资、油耗、电力损耗等；此外，由于垂直度大，有些重复作业如传统工艺钻进后，在下入井前需要多次修孔、校验等工作也大大减少。

2.4 钻洗结合妙

在地下含水层钻井过程中，尤其是气举反循环钻井过程中，可以采用复合钻井技术实现钻、洗井的目的，在该工艺下，孔底部很整洁，简直无二次破碎情况。该技术不但能够减少牙轮钻头的损坏，还能可以有效地清除井眼岩石裂隙中因井底负压而产生的残留物。

2.5 施工用水少

该复合工艺以空气为循环介质，施工过程中仅需少量生产水，若采用空气潜孔锤，生产泡沫液所需水量不超过2m3；若采用气举反循环，若水流量小，沉没比不足，则只需将少量水吸入孔内，便可生产大量泡沫液，因而可节省大量的水，在干燥缺水的施工现场具有独特的优势。

2.6 上返岩屑粒径大

应用气举反循环技术，具有上升速度快，潜伏期短，岩屑重复破碎少，颗粒尺寸大(一般为15-35 mm)等优点。按钻井时效，定点捞取岩屑样本，整齐摆放，岩样直观，适合地质层次的需求。

3 应用实例

3.1 皖南山区某水井

（1）概况。皖南山区某水井，设计深度为700 米，建设单位对其进行了选址。近处找不到生产水源，若采用常规钻井工艺，只能远距离取水，费时费力，建设费用昂贵。经有关部门技术支撑，肯定使用气潜孔锤以及气举反循环钻孔结合工艺施工，完满实现施工任务。

（2）施工方式。应用350mm、300mm 空气潜孔锤打技术，可打入62 米左右的护孔管。地下水上部的揭穿影响水位埋深忽然飙升到20 米，不适合空气潜孔锤设计要求；下部应用295 mm 和245 mm 牙轮钻头进行钻孔。在钻孔达到700 米之后，由于钻孔考虑了勘探孔性质，所以必须勘探深层。最终钻井深度达到900米，并继续采用反向气举钻井技术。

（3）取得的成果。①空气锤击潜孔钻井技术完美地处理了钻井率度偏低（上部漂石、卵砾石层）的难题，均匀时效2.99m,较高时效4.74m。②气举反循环钻进工艺完美地处理了大段泥灰岩易崩塌、不便迅速经过的难题，无因钻进时间较长而产生崩塌，顺当地下井。③复合钻井技术取得了较好的经济技术指标：钻头寿命188 m，平均升程56.65 m，最大升程145.14 m，平均时效2.18 M，最大时效6.00 m，岩屑粒度大，连续取样，满足地质分层要求。

3.2 矿山实例分析

3.2.1 概况

为了进行试验，选择了一个在建矿井作为试验对象，其结构是岩石结构的偏向156° ～186°，偏角在56° ～69°左右，沿线无断层经过。岩身的张拉作用相对较弱，岩层的中间层较差，存在薄层状泥化现象。并且分别采用了传统设计和本文提供的设计方案，并将传统设计方案作为实验控制组。在满足矿山钻探需求后，完善了施工工艺。在不打扰外界因素的前提下，应用本文计划的大直径钻孔的设计过程，记录了四个检测点的平稳性，并将该检测组定义为测试组。最后使用传统的施工方式实行施工，记录平稳的库容，并定义一个控制组。相比测试数据，评估各个施工工艺的施工质量。

3.2.2 实验成果研究与论断

依据上述计划的实验步骤，收集4 组实验数据，将两种施工方式下的平稳承重力实行相比，施工平稳承重力相比成果，如下表1 表示。

表1 施工平稳承重力相比成果

经过表1 可结出如下的论断：本文的设计明显比对照组更耐用。实验成果表现，该计划方式的性能满足计划的总体需求，可普遍使用于矿山钻探技术中。

4 空气潜孔锤在水文水井钻探施工中的经验总结

4.1 空气潜孔锤在水文水井钻探工艺应用总结

（1）采用空气泡沫钻井技术，根据空气压缩机的排气量和钻孔直径，向上推算空气流速为1.8 m/s，远低于合理的15 m/s 速度，为提高排粉能力，采用十二烷基苯磺酸钠(ABS)作为泡沫剂，添加量为溶液体积的0.5%, CMC 作为稳泡剂。

（2）由于钻孔直径大，空气流量小，采用气泡钻进工艺，岩屑排出困难。工程实践中，充分利用多层灰岩的孔缝，清除岩尘；若岩粉在孔内有较多沉淀，则提出用潜孔锤、下入式捞砂管等方法进行打捞，即采用边打边捞的方法，一般是每钻30～50 米左右，再下人捞砂管集中打捞。

（3）钻孔进入泥灰岩时，由钻头周围和粗径钻具上方的岩粉聚集形成“泥圈”，压强从10 kg (空压机最小输出压力)缓慢上升至20 kg 左右。这时，采用边钻边提的方法，即每钻一次约 lm处，当压力上升时，立即提出钻具离开孔底，上下缓慢窜动，待压力降至最低值(10 kg)后，再继续下钻，反复后可穿过泥岩。

（4）当钻孔遇到破碎层，且不是含水层时，尽可能在破碎层中多钻进一定深度，直至无法钻进时，提出钻具，灌注水泥浆，待水泥渗入裂隙中将破岩固结后，再用潜孔锤将钻孔渗透，继续以原孔径钻进。

（5）每钻进100 m 左右，应对钻具和潜孔锤进行提钻检查，同时通过上下钻具，对磨孔壁进行吹扫和修理，防止长时间不提钻，遇到缩径地层不提钻的现象。

（6）由于潜孔锤头的结构和工作原理，决定了钻孔孔壁不平整，特别是当钻速快、转速高时，容易出现这样的现象，因此，必须合理控制进尺与转速的关系，并采用扩孔器。本项目这两个孔在施工过程中为了收集数据而未安装扩孔器，在修磨孔壁时也浪费了一定的工时。

（7）潜孔锤钻孔时，空气压缩机的压力是整个压缩空气流动通道内各种压力损失的总和，反映了各个循环环节的工作状况，如果想给潜孔锤增加风压，就必须增加风压。同样由于这一点，密切观察风压计的变化，才能掌握潜孔锤的工况和孔内钻进情况。当孔内涌水量较大时，钻进效率显著降低，当孔内水位达到100 米左右时，钻进效率显著降低。

4.2 矿山钻探施工操作要点

①进入隧道前，必须调查场地是否平坦。便于移动桩机，然后对局部易损件进行装药，保证矿山钻孔场地的稳定，作业时不发生位置移动。② 接收钻孔测量把控点、基准线、水平点等有关信息，与工作人员一起测量准确度。设测点前，做好行业筹备工作，对机械设备进行校正，制定钻井施工方案。③ 安装并测试内置机器。钻机就位后，用液压系统将水平仪调整到水平尺。设备就位后，将钻头对准木桩位置，使立柱端部与立柱中心一致，使桩机平整，保证孔不移动。④ 手动。桩座就位后，将锤击与桩位对齐，调整垂直度。在拔孔过程中，控制锤的沉降速度，检查钻头是否扭曲，了解异常状况的因素，快速采取对策。⑤ 清除孔时，要使用空气潜孔锤发生的压缩空气用为清洗介质，将锤击零碎的岩屑带进孔内摆放。派专人清理洞口，清除的岩屑是可以运到外面的颗粒。⑥ 人工穿透坚硬矿层，人工认真察看钻孔速度和孔隙岩屑释放量，按施工需求，按人工深度把控人工标高方位。当人工施加预应力时，应停止人工钻孔，设备运转正常，并进行锤击和旋转，使洞内岩屑顺利排出。

5 结语

空气潜孔锤以及气举反循环结合钻进施工工艺具备成井时间较短、成井品质较好、施工节省水等特点，纵然早期投资大、技术水平较高，但面临目前恶劣的市场竞斗，它已充足展示出其显赫的竞斗力。该结合钻进工艺不仅仅适合应用作水文水井钻探，而且还适合应用于空气潜孔锤钻进工艺：用作某种不允许用水施工的工程孔中，比如正在开挖的煤矿井眼、通气孔、电缆孔、送料孔等；用作已明确地层岩性不需取心的钻孔，可较大提升工作率度，减少工期，如灌浆孔施工等；用作岩土工程整顿中的滑坡段的锚固孔施工，假如使用水钻工艺钻孔，可能影响滑坡复苏或运动加大，乃至危害施工期间中现场工作人员的人身安全。