氣動潛孔錘在鉆孔硬巖鉆進中的應用

崔海軍

（淮南礦業集團地質勘探工程處，安徽 淮南232174）

1 概況

1.1 巷道情況

西翼暗主斜井主要用途是做為張集礦（中央區）二水平采掘活動的運煤膠帶機巷，北鄰西翼回風大巷（二），右鄰西翼-590回風大巷。該巷位于西一采區系統大巷煤柱內，上口標高-484.6m，下口標高-816.2m，全長1360m。西翼暗主斜井揭8煤巷道停頭位置-724.13m，距8煤法距7米。

1.2 地質情況

8煤：黑色，粉末狀為主，加塊狀，半暗～半亮型煤，平均煤厚3.2m；8煤頂板為石英砂巖，巖性堅硬，普氏硬度系數：11.5。

1.3 鉆孔設計

措施孔共設計11排，每排11個鉆孔，共計121個，鉆孔總量：5206.2m。鉆孔掩護范圍控制在巷道輪廓線外不少于12m，呈扇形布置，相鄰兩個鉆孔終孔水平間距為3m。鉆孔方位：-45.7°～44.3°，傾角（以水平線為準）：-40.7°～-5.9°， 預計 8 煤見煤深度：9.3m～57.9m， 止煤深度：14.2m～82.9m，實際終孔位置以穿過8煤后見巖1m終孔。由于巖石較硬，措施鉆孔進行優化后，設計7排，每排7個鉆孔，共計49個，鉆孔量：2262.3m，相鄰鉆孔終孔水平間距為5m。

圖1

圖2

2 鉆機及設備選擇

（1）鉆機：ZDY3200S型全液壓鉆機，額定轉矩3200 N.m，額定轉速 70～240 r/min。

（2）鉆桿：Φ63.5/73mm 肋骨鉆桿。

（3）空壓機：埃爾特空壓機，型號：MLG21/10-132G，排氣壓力：1.0 MPa，排氣量：21 m3/min。

（4）潛孔錘

1）潛孔錘的類型

采用CIR90型低壓沖擊器，以壓縮空氣為動力，沖擊器長度820mm，Φ80mm，沖擊行程50mm，施工選擇錘頭Φ110mm、Φ90mm。

2）潛孔錘的工作原理

壓縮空氣經操縱閥、風管、鉆桿直接進入沖擊器內部，壓縮空氣的一部分經過缸體上的“B”槽和錘頭上的三個缺口噴射出來，清洗孔底，部分壓縮空氣帶碎石返出孔外，保證沖擊器不斷鑿入新的巖層；另一部分則進入配氣裝置，迫使錘頭往復運動，沖擊巖層。

3 施工工序

（1）將Φ110mm復合片鉆頭連接至鉆桿前，鉆進3m～5m后起鉆，將復合片鉆孔卸去。

（2）將潛孔錘連接至鉆桿前，下入至孔底。在鉆桿尾部高壓管上安裝潤滑裝置，開啟壓風，進行沖擊鉆進。

（3）潛孔錘施工巖層變軟時，起鉆更換Φ94mm復合片鉆頭施工至8煤底板見巖1m起鉆。

4 施工情況

2014年1月9日中班將空壓機調試正常后，系統風壓達1.0M P a，兩臺鉆機正常施工后，系統風壓保持在0.9 M P a。使用Ф90mm潛孔錘進行施工，硬巖段每小班平均進尺15米。傾角在-25°的鉆孔，平均孔深30米，硬巖段平均10米，鉆孔施工平均在1至2個小班完成。使用Ф110mm潛孔錘進行施工，硬巖段每小班平均進尺10米。傾角平均在-9°的鉆孔，平均孔深85米，硬巖段平均30米，鉆孔施工平均在3個小班完成。

使用潛孔錘施工時間：2013年1月9日中班至2014年2月10日早班，共計施工31個圓班2個小班。鉆孔施工數量：48個，累計鉆孔量：2146米。硬巖段每小班施工10至15米，平均每施工一個鉆孔。

5 氣動潛孔鉆進技術參數確定

5.1 風壓和風量

充足的風量是潛孔錘鉆進成敗的關鍵。它能將孔底巖屑運轉出孔口，若風量不足，孔底的巖屑不能及時返出孔口，巖屑堆積孔內，形成堵塞。上升氣流的速度15～20m/s，保證巖屑的正常排出。空壓機供風量Q：23.5 m3/min，壓力1.0 MPa，能夠滿足巖屑正常排出。

5.2 鉆壓確定

潛孔錘的破碎原理主要是靠沖擊動載作用下破碎巖石，鉆進效率高低主要取決沖擊功的大小及頻率的多少。鉆壓過大和過小都會影響潛孔錘鉆進的正常進行。巖石硬度系數：11.5，正常施工鉆壓保持在0.7至1.0 MPa。Ф90mm潛孔錘鉆壓取上限值，Ф110mm潛孔錘鉆壓取下限值。

5.3 轉速的確定

合理的轉速可以保證在最優的間隔范圍內破碎巖石。ZDY3200S型液壓鉆機輸出轉速(r/min)70～240，潛孔錘施工過程中，轉速調整至最低狀態70r/min。

表1 鉆壓參數確定

表2 轉速參數確定

氣動潛孔錘鉆進是已沖擊碎巖為主，回轉速度為改變鉆頭的沖擊碎巖的位置，避免重復破碎。合理的轉速應保證在最優的沖擊間隔范圍之內。轉速與沖擊頻率和最優轉角的關系式如下：

式中：A—最優轉角；n—鉆具轉速；f—沖擊頻率

根據有關報告提出潛孔錘硬巖鉆進中，兩次沖擊之間最優轉角為11°。依據公式，潛孔錘頻率830（Hz），可以計算出潛孔錘鉆進鉆速應選擇在35r/min左右。

6 潛孔錘使用注意事項

6．1 潛孔錘使用前檢查

使用潛孔錘前，要檢查風壓是否正常，穿銷閉鎖是否可靠。

6．2 吹孔

正常鉆進時，觀察孔口巖粉返出、進尺情況。若進尺而返渣不正常時，應在鉆進一定進尺后提動一次鉆具，產生較大的上返風速，待巖粉吹出后，再將鉆具放到孔底繼續鉆進。

6．3 風壓的變化

鉆進時，經常觀察風壓表的壓力變化，當風壓增大時，同時上提鉆具又感到困難，可能是潛孔錘上部因排渣不暢原因導致。將鉆具及時竄動，依靠空壓機工作壓力，將上部堵塞的巖粉吹開。

6．4 潤滑裝置

潛孔錘工作時，應經常加注潤滑油，在供風管路上設置自動注油機構（油霧器），以防活塞與缸套的磨損。油霧器中的油脂，應每個圓班更滑一次。它可以保證潛孔錘得到潤滑，還可以過濾風中的水份及雜質。

6.5 潛孔錘的檢查

每回次結束，要及時檢查潛孔錘，如絲扣連接部位及鉆頭卡銷等關鍵部位，以防潛孔錘零部件脫落井內。保持鉆具內孔清潔，以防將潛孔錘活塞卡住而不能工作。

6．6 鉆頭的交替使用

當一個潛孔錘頭就很難鉆進到預計井深時，需用兩個以上相同規格的鉆頭交替使用，以防止磨損外徑相差較大時，新鉆頭下不到井底，出現卡鉆事故。

7 優點

（1）適用于極硬、中硬地層中鉆進，效率和成孔質量均很高。

（2）所需鉆壓小。

（3）鉆孔垂直度好，能夠提高鉆孔見煤率，保證鉆孔質量。

（4）硬巖鉆進中，潛孔錘鉆頭損耗小，可節約50%的鉆頭材料費用。

（5）減少起、下鉆的次數，提高施工效率。

8 存在問題

（1）氣動潛孔錘配合液壓鉆機施工，潛孔錘所需適中鉆壓35r/min，而液壓鉆機最低轉速70r/min，改進液壓鉆機最低轉速，避免由于轉速快，造成重復破碎巖石，降低鉆進效率。

（2）鉆孔內由于砂巖裂隙水滲入，鉆頭底部巖粉與水混合后形成糊狀，影響潛孔錘正常的返風、返渣，降低效率。

［1］石永泉.潛孔錘硬巖鉆進技術[M].四川：西南交通大學出版社，2013．