刘 均 锋

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610081)



贯通式潜孔锤反循环钻机在锦屏一级水电站中的试验研究与应用

刘 均 锋

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

贯通式潜孔锤反循环钻进技术在锦屏一级水电站左岸基础处理工程中成功试验并应用, 解决了复杂地质条件下出现的孔壁坍塌、掉块、漏失、涌水、缩颈、超径等钻孔难题。贯通式潜孔锤反循环钻机钻进效率高、钻孔成本低、排渣能力强、钻孔质量高、复杂地层适应能力强、环保效益高，具有良好的综合钻探效果。

贯通式潜孔锤反循环钻机 ；试验研究；应用；锦屏一级水电站

1 潜孔锤反循环钻进工作原理

(1)贯通式潜孔锤工作原理。

压缩空气经双通道气水龙头由双壁钻杆进入贯通式潜孔锤的上接头环状间隙，推开逆止阀，充满外缸和内缸之间的环状通道，由内缸上的径向进气孔进入前后气室推动活塞往复运动而产生冲击能量。将前后气室内做功后的废气分别排入活塞与心管之间的环状通道，进入钻头上部环槽，经钻头花键槽底部留出的通道由钻头排气孔排出。经扩压槽和孔底岩石的反射作用并在钻头抽吸孔的强力抽吸作用下，气体携带岩样直接进入钻头中心，经潜孔锤的贯通孔和双壁钻杆的中心通道，通过双通道气水龙头的鹅颈弯管、排渣管最后排到地表旋流粉尘收集装备中，实现不停钻连续(取样)钻进的新工艺。

(2)反循环形成原理。

驱动潜孔锤做功后的废气由钻头底部的排气孔高速喷出，空气流速大于音速，一般的喷射流速为400～600m/s，三个排气孔随钻头不断旋转，在孔底形成环状的低压区，对外环间隙形成抽吸，并且有效地阻止正循环的形成，通过导流和扩散进入钻头中心孔，即为多喷嘴引射原理。气流与被抽吸的介质由孔底岩石反弹后经钻头扩压槽进入钻头中心孔，此时，高速流体的流速逐渐降低，压力增高，所携带的岩石、岩屑及孔内流体沿钻具的中心通道上返，经双通道气水龙头和鹅颈管排出孔外。该钻进工艺成功地实现了潜孔锤碎岩、流体介质全孔反循环和钻进中连续取芯(样)三种钻探高新技术于一体。

2 现场试验

贯通式潜孔锤反循环钻进技术研究工作共进行了三个阶段的试验，包括5次较大的技术改进，5次现场试验，每次试验均在前一个试验的基础上进行改进。

2.1 第一阶段试验研究

(1)试验地点。

本次试验选址在锦屏一级水电站左岸基础处理工程高程1 670m层3#排水洞和雾化A标边坡。

试验地点的岩性主要为T2-3Z2(6)层中厚～厚层状大理岩，局部夹绿片岩，岩石质量等级以Ⅲ2、Ⅳ2类为主。

(2)试验目的。

①对潜孔锤反循环钻进工艺的适用性进行研究，包括反循环排渣效果及孔口除尘效果。

②对新设计的气水龙头的性能进行检验。

③GQ89mm潜孔锤的工作性能及时效。

④进一步了解现场施工情况，为优化设计钻具、钻机结构等提供信息和试验依据。

(3)试验内容。

①试验钻具及机具。

a.反循环钻具：反循环GQ89mm贯通式潜孔锤1套，φ95反循环钻头3套，SBC89/43双壁钻杆30m(1.5m×20根)，双通道气水龙头1套。

②正循环钻具：φ110中风压潜孔锤，φ130球齿钻头。

③钻机和供风系统：改进后的YXZ-50A风动潜孔锤钻机优化了动力头设计，配有双通道动力头、系统供风和atlas中风压1.4MPa/23m3空压机。

(4)试验情况。

首先在左岸基础处理工程高程1 670m3#排水洞进行试验，在集中系统供风条件下，经测试得知，系统风提供的压力最高为0.8MPa，风压条件低于额定工作压力。

由于该试验地点岩石较破碎，在支护时布置了大量的随机锚杆，当钻进至8m时遇到支护钢筋，导致钻头脱落一枚球齿，经反复迁移孔位后，仍无法有效避开钢筋，遂停钻。

将试验机具搬迁至雾化A标边坡进行试验。在钻具及钻机不变的条件下，采用atlas中风压空压机1.4MPa/23m3进行试验。

(5)试验结果评述。

在雾化A标边坡选用Atlas中风压空压机，额定风压/风量：1.4MPa/23m3/min。通过压力表测定得知潜孔锤的输入风压为1.1MPa，仍未满足额定工作压力(1.5～1.6MPa)。试验完成约20m工作量，基本达到试验目的和要求。

①钻进效率：两次试验过程中，潜孔锤工作性能稳定可靠，平均时效为4.8m，理论上在正常额定风压条件下，钻进工效应达到5.5～6m/h。

②反循环效果：反循环形成稳定，排渣效果良好，孔口基本没有岩粉逸出，试验现场清洁、环保，污染低。

③钻具、钻机及配套设备：GQ89mm贯通式潜孔锤、φ95反循环钻头及气水龙头工作性能稳定，未发现漏风现象，说明潜孔锤及钻头设计满足试验要求，SBC89/43双壁钻杆未发生脱落、断裂、弯曲等情况，亦满足现场试验要求。

通过该阶段的两次试验，在不同的供风压力情况下，对潜孔锤反循环钻进工艺进行了适应性研究，充分显现了该钻进工艺的先进性，其具有的高效、优质、环保等特点在水利水电工程领域具有应用和拓展的空间。但是，作为一项新技术，该方法在推广应用过程中仍存在一定的局限性，需要在后续试验过程中逐渐改进和完善。

(6)存在的问题和改进方案。

①潜孔锤的优化设计。

现有的贯通式潜孔锤额定工作风压为1.5～1.6MPa。在该风压条件下，钻进硬岩过程中将获得高效、优质、环保的施工效果。尽管试验过程中提供的风压条件达不到额定压力，但反循环效果仍然良好。为了进一步推广应用反循环钻进工艺，笔者主要从以下两个方面进行了考虑：a.配套高风压空压机；b.重新设计中低风压贯通式潜孔锤。

②气水龙头的改进。

试验采用的气水龙头是在原50A钻机动力头基础上进行改型设计的。受钻机动力头原结构的限制和加工问题，在今后的试验和应用中，应根据现场配套设备情况，对钻进动力头进行改进设计或重新设计，以降低故障率、提高钻进效率。

③除尘装置。

在本次试验反循环钻进过程中，通过排渣胶管排粉，未专门设计粉尘及岩屑收集装备。后续试验中，在排渣管出口安装了除尘装置进行除尘处理，如安装了旋流粉尘收集装置。

2.2 第二阶段试验研究

(1)试验地点。

根据现场施工安排、供风设备配套情况和试验需要，本次试验选择在锦屏一级水电站左岸高程1 518m排水洞进行。

(2)试验目的。

本次试验对贯通式潜孔锤反循环钻进技术进行了研究，试验的主要目的如下：

①继续对贯通式潜孔锤反循环钻进技术进行应用性试验研究，研究该项技术对不同施工环境和钻进地层的适应性。

②测试新研发的φ89型贯通式冲击反循环钻具的工作性能以及所取得的钻探效果。

③深入了解现场施工环境和情况，为优化设计钻具、钻机结构等提供信息和试验依据。

(3)试验内容。

①试验设备和机具。

供风系统：集中供风系统，经测试后确定风压力为0.89MPa。

钻机：YXZ-50A型潜孔钻机，钻机动力头已改进，为双通道结构设计。

钻具：GQ89mm贯通式潜孔锤、φ113潜孔锤反循环钻头、SBC89/43双壁钻杆以及配套机具等。

②试验情况。

对新设计的φ89型贯通式冲击反循环钻具进行的应用性试验研究表明：其开孔时反循环形成良好，孔口有少量粉尘呈飘逸状上返，随着钻进深度的增大，正循环有所增多，潜孔锤工作性能稳定，但反循环风量较小，孔口有粉尘返出。

本次试验钻进的地层深度为28m,平均时效为3.2m。而同一地层采用正循环钻进方法的时效约为5m/h,钻进效率约为正循环的2/3。

(4)试验小结。

①碎岩效率比较低。

在试验过程中发现，碎岩效率较低，平均时效为3.2m/h，而同一地层采用正循环潜孔锤施工时，效率为5m/h，其效率仅为正循环的2/3。

原因分析：

a.GQ89mm潜孔锤自身设计存在问题；b.钻具匹配不合理；c.风压较低，与潜孔锤不匹配。

②反循环形成不稳定。

原因分析：

a. 钻头结构不合理；b.钻头与潜孔锤匹配存在问题；c.压缩空气压力损失比较大。

(5)改进方案及下一步试验。

①重新设计反循环钻头。

针对现场风压情况，对钻头的喷射孔组合、喷射孔直径及钻头结构进行了改进。

②重新设计了适用于施工排水孔的贯通式潜孔锤，潜孔锤设计参数为φ110和φ130两种直径，风压为0.7～1MPa。

③提高反循环效果。

④提高潜孔锤冲击功，提升钻进效率。

⑤设计岩粉收集装置。

2.3 第三阶段试验研究

(1)试验地点。

该阶段试验分两次进行现场试验(即第4次和第5次现场钻进试验)，其中第5次试验为第4次现场试验的后续试验。

第4次现场试验选址在锦屏一级水电站左岸1 670m高程5#排水洞。该部位岩性主要为T2-3Z2(6)层中厚～厚层状大理岩，岩石质量等级以Ⅲ2、Ⅳ2类为主。

第5次现场试验选址在左岸1 730m高程2#排水洞和1 785m高程2#排水洞。1 730m高程2#排水洞岩性主要为T2-3Z2(7)层中厚～厚层状大理岩，岩石质量等级以Ⅳ2类为主，局部Ⅲ1级受f5断层、煌斑岩脉及破碎带影响，岩石破碎，裂隙发育，属于漏失地层；1 785m高程2#抗力体排水洞岩性主要为T2-3Z2(7)层厚～巨厚层状大理岩，岩石质量等级以Ⅲ2、Ⅳ2类为主。

(2)第4次现场钻进试验。

①试验目的。

a.根据现场供风设备配备情况，重新设计并研发φ108型和φ127型低风压贯通式反循环潜孔锤及对应的取样钻头，测试两种型号反循环潜孔锤的工作性能以及在排水孔施工中的排渣及除尘效果。

b.评价该技术在排水孔施工中的可行性，优化钻机结构，设计出新型钻机，研发出适用于水电行业排水孔施工的先进反循环钻进系统，将该项先进技术真正转化为生产力。

②试验设备和机具。

供风系统：采用AtlasCopco中风压空压机供风，工作风压为0.8～1MPa，最大风量为20m3/min。

钻机：YXZ-50A型潜孔钻机(钻机动力头已改进，为双通道结构设计)。

钻具：GQ108mm贯通式潜孔锤配φ110潜孔锤反循环钻头，GQ127mm贯通式潜孔锤配φ130潜孔锤反循环钻头，SBC89/43双壁钻杆以及配套机具等。

③试验情况。

分别对新设计的GQ108mm贯通式反循环潜孔锤配φ110反循环钻头、GQ127mm贯通式反循环潜孔锤配φ130反循环钻头进行了俯孔钻进试验，两种型号的潜孔锤工作正常，性能稳定，声音清脆有力，返渣效果较好，孔口基本无粉尘，反循环形成良好。

在完成了两种不同规格的贯通式反循环潜孔锤俯孔试验后，分别对两种型号的潜孔锤进行了仰孔钻进试验。在仰孔钻进试验中，GQ108mm和GQ127mm冲击器的反循环效果均较差，反循环效果最多达到50%，钻进效率约为5.1m/h，为俯孔钻进效率的81%。

④试验效果。

a.两种型号的潜孔锤工作稳定，说明两种型号的潜孔锤及配套的反循环钻头设计合理，满足现场排水孔施工需要，基本达到预期目的。

b.在0.9MPa的风压条件下，采用GQ108mm贯通式反循环潜孔锤配φ110反循环钻头进行钻进试验的平均工效为6.27m/h；当其它条件不变，在0.8MPa的风压条件下，采用GQ127mm贯通式反循环潜孔锤配φ130反循环钻头进行钻进试验的平均工效为5.91m/h，两种贯通式反循环潜孔锤及配套钻具的钻进工效相差不大。

c.俯孔的钻进效率较快，反循环效果非常好，孔口基本无粉尘，岩渣屑全部通过反循环通道返上地表；但仰孔钻进效率较低，仅为俯孔钻进效率的81%，因此，对其还需进行优化和改进。

⑤存在的问题及改进方案。

由于同规格的反循环钻头质量较正循环钻头质量重，而潜孔锤的质量却比正循环潜孔锤质量小，因此，在潜孔锤和钻头自重的情况下，潜孔锤冲击功不足且试验风压未达到额定风压，进而直接影响到钻进效率。

(3)第5次现场试验。

①试验目的。

测试重新设计的GQ127bmm中风压潜孔锤、GQ127cmm高风压潜孔锤和新设计的反循环钻头的工作性能，以及其在排水孔施工中的排渣及除尘效果。

②试验地点。

第5次现场试验选址在左岸1 730m高程2#排水洞和1 785m高程2#排水洞。

③试验设备和机具。

供风系统：1 730m高程2#排水洞试验点配备高风压空气压缩机(额定风压2.07MPa,额定风量28.3m3/min；1 785m高程2#排水洞试验点配备中风压空气压缩机(额定风压1.2MPa，额定风量20.5m3/min)。

钻机：YXZ-50A型潜孔钻机，对动力头进行了结构优化改进，对反循环排渣管部位进行了结构改进，进一步完善了钻机的技术性能。

钻具：GQ127bmm中风压贯通式潜孔锤一套，GQ127cmm高风压潜孔锤一套，新设计的φ130反循环钻头两个。

新钻头与旧钻头的区别及设计改进：

①内喷孔位置有所改变。将新钻头内喷孔打在花键上，而旧钻头内喷孔则是打在两花键之间的钻头体上，新钻头内喷孔的导流段长度增加了一倍，从而有助于压缩空气从内喷孔向内喷射时呈束状射流，引射中心孔的更多气体。

②内圈齿位置采用对称取芯式，扩压槽形状采用交错式，以防止岩屑岩块卡堵，并且更容易在孔底产生旋流，有利于岩渣屑进入中心孔。

(4)试验情况。

在1 785m高程排水平洞利用中风压空压机(1.2MPa，20m3/min)供风，测试了中风压潜孔锤GQ127bmm和高风压潜孔锤GQ127cmm的工作性能和钻进效率，在输入风压为1MPa的条件下，冲击器工作正常，反循环效果良好，孔口几乎无粉尘，平均钻进效率约为6.1m/h，试验现场基本无粉尘污染，噪音相对较低，满足现场环保要求。在1 730m高程排水洞采用高风压空压机供风，测试了中风压潜孔锤GQ127bmm和高风压潜孔锤GQ-127c的工作性能和钻进效率，在输入风压为1.3MPa的条件下，高风压潜孔锤的钻进效率较高，钻进效率为1.2m/10min。由于风量较大，开孔时孔口有少量粉尘，随着孔深的加深，反循环形成效果良好，钻进效率约为7.2m/h。

(5)试验效果。

①新设计的GQ127bmm中风压贯通式潜孔锤、GQ127cmm高风压潜孔锤及配套的φ130反循环钻头工作稳定，性能可靠，反循环形成良好，达到了预期目的。

②在1MPa风压条件下，采用GQ127bmm中风压贯通式潜孔锤配φ130反循环钻头进行钻进试验时的平均工效为6.1m/h；在1.8MPa的风压条件下，采用GQ127c高风压潜孔锤、配套φ130反循环钻头进行钻进试验时的平均工效为7.2m/h。由此可见，在其它条件基本相同时，高风压潜孔锤的钻进效率明显提高，达到正循环纯钻效率的88%～93%。

③俯孔的钻进效率较快，反循环效果非常好，孔口基本无粉尘，岩渣屑全部通过反循环通道返上地表；仰孔钻进效率略低于俯孔，为俯孔钻进效率的91%，因此，动力头和潜孔锤要克服钻头和钻杆自重的影响，受重力作用和风压影响，与潜孔锤及反循环钻头设计关系不大。

④通过对GQ-127b中风压贯通式潜孔锤、GQ-127c高风压潜孔锤进行现场钻进试验，充分验证了贯通式潜孔锤反循环钻进技术的先进性，反循环效果良好，既实现了高效的碎岩效率、较高的成孔质量，又实现了作业现场的环保要求，提高了职业健康水平。

3 社会与经济效益

3.1 经济效益

潜孔锤正循环钻进工艺的钻进成本单价约为118.6元/m，而潜孔锤反循环钻进工艺由于没有重复破碎岩体，因此，占钻孔成本较大部分的钻头及冲击器寿命提高，冲击器寿命提高4.6倍，钻头寿命提高3.2倍，反循环基本不需要钻进介质——水，而且降低了防斜纠偏、孔内故障处理等费用，综合钻进成本约为76.4元/m。

3.2 社会效益

(1)工期方面。

贯通式潜孔锤反循环钻进技术与潜孔锤正循环钻机相比，贯通式潜孔锤反循环钻进技术在破碎、断层区的综合效率比潜孔锤正循环钻机提高了1.2倍，按锦屏一级水电站左岸基础处理工程排水孔工程量10万m计算，可以提前工期8个月，缩短了施工周期。

(2)质量方面。

在锦屏一级水电站左岸基础处理工程复杂的地质条件下，潜孔锤正循环钻进工艺的孔斜率(孔底偏距与孔深的比值)约为3%～5%，发生孔内事故的几率约为6.5%～11.5%，而采用贯通式潜孔锤反循环钻进工艺,孔斜率约为2.5%～3.5%，孔内故障率约为5%～8%，从而有效降低了孔斜率和孔内事故的发生，提高了钻孔质量。

(3)环保方面。

采用潜孔锤反循环钻进工艺，减少污水1 865 m3排放，减少108.35 t粉尘排放，施工工作面噪音由常规钻进工艺的94 dB(A)减小到82 dB(A)。

4 结 语

贯通式潜孔锤反循环钻进技术具有钻进效率高、岩样采取率高、钻孔质量好、以气代水等特点，钻孔成本较低，对极复杂地层适应能力强，可广泛用于在建和待建的水利水电工程施工，其在锦屏水电工程中的首次应用，在全国水电行业起到了先头兵作用，提高了中国水电七局公司的科技竞争力。根据国内目前的施工状况看，贯通式潜孔锤反循环工艺在水利水电行业廊道灌浆孔、排水孔及复杂地质条件下高边坡锚索施工领域的应用前景十分广阔，未来还将用于道路、桥梁、市政建设等行业领域。

刘均锋(1984-)， 男，河南获嘉人，锦屏一级CV标副主任，助理工程师，学士，从事水利水电工程施工技术和管理工作.

(责任编辑：李燕辉)

2016-10-28

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