1．前言
氣動潛孔沖擊器鉆進(jìn)廣泛應(yīng)用在露天開采和采石工作水井鉆進(jìn)、礦物勘探、樁孔鉆進(jìn)、現(xiàn)場勘察、巖層加固、樁墻鉆進(jìn)、地層錨固、特殊的地下鉆進(jìn)、地?zé)峥足@進(jìn)、通訊孔鉆進(jìn)、淺孔鉆進(jìn)、排水管和接地桿的安裝等。這樣會遇到各種不同的地層情況。
2．氣動潛孔沖擊器的工作原理
在氣動潛孔沖擊器鉆進(jìn)過程中，高壓空氣驅(qū)動沖擊器內(nèi)的活塞作高頻往復(fù)運(yùn)動。并將該運(yùn)動所產(chǎn)生的動能源源不斷的傳遞到鉆頭上，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，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。所以氣動潛孔沖擊器有較高的鉆進(jìn)效率。
氣動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。實際上良好的沖擊器應(yīng)達(dá)到兩個指標(biāo)：及有較高的破碎巖石效率和較長的鉆具壽命。
3．氣動潛孔沖擊器的分類
氣動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)入前后氣室推動沖錘（活塞）往復(fù)運(yùn)動產(chǎn)生沖擊作用。活塞運(yùn)動到缸體的前后死點(diǎn)，產(chǎn)生壓力信號推動控制切換，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)氣和排氣二個配氣過程。
（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)動開啟和關(guān)閉不同通道，從而控制壓縮空氣的切換。活塞在缸體內(nèi)的配氣過程有三個狀態(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、切換，容易磨損報廢，需定期更換。控制閥隨潛孔沖擊器工作時間延續(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。控制閥的靈活切換，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根除了這一弊端，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。
4．潛孔沖擊器鉆進(jìn)工藝方法
潛孔沖擊器鉆進(jìn)工藝方法分為：潛孔沖擊器正循環(huán)鉆進(jìn)和潛孔沖擊器反循環(huán)鉆進(jìn)。
（1）潛孔沖擊器正循環(huán)鉆進(jìn)：潛孔沖擊器傳統(tǒng)工藝方法為正循環(huán)鉆進(jìn)，壓縮空氣經(jīng)鉆桿內(nèi)孔道傳輸給潛孔沖擊器，驅(qū)動潛孔沖擊器作功。排出的廢氣經(jīng)鉆頭排氣孔排出，沖洗孔底，冷卻鉆頭，攜帶巖渣屑沿孔壁與鉆桿之間的環(huán)狀間隙上返至地表，完成正循環(huán)鉆進(jìn)過程。潛孔沖擊器正循環(huán)時，高速氣流沖刷孔壁，不利于孔壁的穩(wěn)定；氣流排出孔口造成粉塵污染，不利于環(huán)保；一般情況下，當(dāng)鉆孔直徑大干200mm時，用于驅(qū)動潛孔沖擊器作功的供風(fēng)量小于正常排渣所需的風(fēng)量，孔內(nèi)排屑成為難題，限制了潛孔沖擊器鉆進(jìn)技術(shù)多領(lǐng)域、大面積的推廣應(yīng)用。
（2）潛孔沖擊器反循環(huán)鉆進(jìn)：壓縮空氣和上返流體介質(zhì)（水或泥漿）均在封閉的雙壁鉆具內(nèi)輸送，避免了與孔壁的接觸和對孔壁的沖刷，有利于孔壁的穩(wěn)定，對復(fù)雜、漏失、破碎地層有獨(dú)特的效果，在卵礫石層和復(fù)雜地層中廣泛應(yīng)用。
5．氣動潛孔沖擊器的鉆進(jìn)方法
5．1土層中氣動潛孔沖擊器的鉆進(jìn)方法
土層中氣動潛孔沖擊器的鉆進(jìn)方法：沖擊擠密鉆進(jìn)成孔法。其機(jī)理主要是利用氣動潛孔沖擊器沖錘所產(chǎn)生的沖擊力來使鉆頭向前嵌進(jìn)。同時在回轉(zhuǎn)力作用下，不斷將鉆頭轉(zhuǎn)動一定角度，擠密鉆頭上的刃齒將被擠密的土層重新刮削成很薄的散層，減少了鉆頭尾部的摩擦阻力。此外氣動潛孔沖擊器沖錘活塞高頻沖擊鉆頭時，也給鉆頭一定的振動力，使土層液化，破壞了土層的原狀結(jié)構(gòu)。在沖擊力、回轉(zhuǎn)力及給進(jìn)力聯(lián)合作用下，使土粒重新排列組合，形成較強(qiáng)的粘結(jié)力和吸附力。
5．2卵礫石層中氣動潛孔沖擊器鉆進(jìn)方法
卵礫石層中氣動潛孔沖擊器鉆進(jìn)方法： Odex鉆進(jìn)法、MACH鉆進(jìn)法、“土星”和“海王星”鉆進(jìn)法。MACH鉆進(jìn)法（泥漿空氣循環(huán)潛孔沖擊器），特點(diǎn)是用壓縮空氣驅(qū)動潛孔沖擊器（單錘或多錘），使清水或泥漿的反循環(huán)或正循環(huán)排屑。該法鉆進(jìn)效率高，不受水壓產(chǎn)生的背壓影響，可進(jìn)行深孔大口徑鉆進(jìn)。
5．3硬巖地層和基巖地層中氣動潛孔沖擊器鉆進(jìn)方法
硬巖地層和基巖地層中氣動潛孔沖擊器鉆進(jìn)方法：FGC—15型大直徑硬巖潛孔沖擊器鉆進(jìn)法、DHD系列特大型無閥潛孔沖擊器鉆進(jìn)法、CD系列集束式潛孔沖擊器鉆進(jìn)法、潛孔沖擊器反循環(huán)鉆進(jìn)鉆進(jìn)法。在這種類型的鉆進(jìn)中，巖石在鑲嵌在鉆頭表面的硬質(zhì)合金球齒的反復(fù)強(qiáng)力沖擊下被破碎成細(xì)小的巖屑，而巖屑通過風(fēng)動沖擊潛孔沖擊器排出的高速氣流帶出鉆孔。其中FGC—15型大直徑硬巖潛孔沖擊器：稱為濕式閉型循環(huán)潛孔沖擊器，該方法突出的特點(diǎn)就是壓縮空氣作為推動潛孔沖擊器工作的動力循環(huán)介質(zhì)，泥漿作為維護(hù)孔壁、消除巖粉的循環(huán)工作介質(zhì)；空氣循環(huán)和泥漿循環(huán)各自獨(dú)立、互不接觸。潛孔沖擊器反循環(huán)鉆進(jìn)法：以壓縮空氣作為碎巖動力和洗井介質(zhì)，配用雙壁鉆桿，壓縮空氣流經(jīng)雙壁鉆桿內(nèi)環(huán)間隙到達(dá)潛孔沖擊器工作內(nèi)腔驅(qū)動潛孔沖擊器作功，作功后的廢氣經(jīng)鉆頭排氣通道至孔底；通過鉆頭底部的噴射引流結(jié)構(gòu)，攜帶孔底破碎巖渣進(jìn)入潛孔沖擊器和雙壁鉆桿的中心通道排至地表。
5．4復(fù)雜地層中氣動潛孔沖擊器鉆進(jìn)
復(fù)雜地層中氣動潛孔沖擊器鉆進(jìn)：DHD系列特大型無閥潛孔沖擊器、FGC——15大直徑潛孔沖擊器鉆進(jìn)法、異步跟管鉆進(jìn)法、同步跟管鉆進(jìn)法、貫通式氣動潛孔沖擊器反循環(huán)鉆進(jìn)法、泡沫鉆進(jìn)法。
5．4．1異步跟管鉆進(jìn)法
異步跟管鉆進(jìn)法（常規(guī)下套管方法）：先用潛孔沖擊器破巖鉆進(jìn)，而后下套管隔離，再換用小一級鉆具在套管內(nèi)繼續(xù)鉆進(jìn)。這是鉆孔鉆進(jìn)常用的方法。施工時盡量提高鉆速，快速通過破碎帶，其目的為了縮短外界因素（如沖洗液浸泡）作用時間，使孔壁能在一定時間內(nèi)保持穩(wěn)定，這樣即可贏得一部分時間，然后再下套管隔離護(hù)孔。
5．4．2同步跟管鉆進(jìn)法
同步跟管鉆進(jìn)法：即潛孔沖擊器一邊鉆進(jìn)，套管一邊隨鉆頭下人孔內(nèi)。跟進(jìn)的套管具有穩(wěn)定孔壁和保護(hù)孔口作用，而且鉆進(jìn)、排渣和護(hù)壁3個工序同時進(jìn)行，使鉆孔工作得以順利進(jìn)行。這是—種既發(fā)揮潛孔沖擊器碎巖效率高的優(yōu)點(diǎn)，又設(shè)法克服其護(hù)壁性能差而采取的一種工藝措施（如瑞典的“Odex”偏心擴(kuò)孔法、德國的“土星”和“海王星”雙回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)法）。
5．4．3貫通式氣動潛孔沖擊器反循環(huán)鉆進(jìn)法
貫通式氣動潛孔沖擊器反循環(huán)鉆進(jìn)法：以壓縮空氣作為碎巖動力和洗井介質(zhì)，配用雙壁鉆桿，壓縮空氣流經(jīng)雙壁鉆桿內(nèi)環(huán)間隙到達(dá)潛孔沖擊器工作內(nèi)腔驅(qū)動潛孔沖擊器作功，作功后的廢氣經(jīng)鉆頭排氣通道至孔底。通過鉆頭底部的噴射引流結(jié)構(gòu)，攜帶孔底破碎巖渣進(jìn)入潛孔沖擊器和雙壁鉆桿的中心通道排至地表。壓縮空氣在管線中的流動狀態(tài)和驅(qū)動潛孔沖擊器作功原理與常規(guī)氣動潛孔沖擊器鉆進(jìn)原理基本相同，不同點(diǎn)是氣流到達(dá)孔底后的上返通道不同，前者是通過鉆具與孔壁環(huán)狀間隙上返（正循環(huán)潛孔沖擊器鉆進(jìn)）。
5．4．4泡沫鉆進(jìn)法
泡沫鉆進(jìn)法：在供水困難干旱地區(qū)的復(fù)雜地層鉆孔時使用泡沫鉆進(jìn)法，采用空氣潛孔沖擊器鉆進(jìn)，具有其他鉆進(jìn)方法不可比擬的優(yōu)越性。當(dāng)尚不具備高能空壓機(jī)的條件下，采取空氣泡沫沖洗就能補(bǔ)充低壓空壓機(jī)的不足。開展空氣泡沫潛孔沖擊器鉆進(jìn)，這樣既彌補(bǔ)了干空氣鉆進(jìn)時所需風(fēng)量的不足，又可獲得與干空氣鉆進(jìn)幾乎相近的鉆進(jìn)效果，是當(dāng)前解決潛孔沖擊器鉆進(jìn)的有效方法之一。采用泡沫鉆進(jìn)來彌補(bǔ)風(fēng)量的不足。
開鉆前檢查、正常鉆進(jìn)操作，減少鉆進(jìn)事故的發(fā)生和提高鉆進(jìn)效率，大限度地發(fā)揮氣動潛孔沖擊器的性能特點(diǎn)。
6．結(jié)語
總之，氣動潛孔沖擊器（沖擊回轉(zhuǎn)）在礦產(chǎn)鉆探、水井和礦山露天開采中廣泛使用，尤其是硬巖和卵礫石層提高鉆進(jìn)效率的有效方法；并可有效地減少鉆孔彎曲，應(yīng)用范圍愈來愈廣。氣動潛孔沖擊器鉆進(jìn)不但成井質(zhì)量好（井孔垂直），判層準(zhǔn)確，鉆桿不易磨損，能快速穿過坍塌掉塊等復(fù)雜地層，設(shè)備故障少，不易堵塞含水層通道，根據(jù)背壓大小能準(zhǔn)確判定涌水量，而且在硬、脆、碎地層的大直徑鉆孔工程施工方面更顯威力。