空氣潛孔錘在礦山大口徑鉆井中的應(yīng)用

李海濤，盛智煒

（河南省煤田地質(zhì)局四隊(duì)，河南平頂山467000）

空氣潛孔錘在礦山大口徑鉆井中的應(yīng)用

李海濤*，盛智煒

（河南省煤田地質(zhì)局四隊(duì)，河南平頂山467000）

隨著鉆探技術(shù)的發(fā)展，沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)在我國(guó)得到越來越多的應(yīng)用，但受設(shè)備工藝限制，多應(yīng)用于煤田地質(zhì)勘查中，礦山大口徑井施工較為罕見，由河南省煤田地質(zhì)局四隊(duì)2014于山西大同施工的大口徑抽水井，使用SPMS80沖擊器進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)，共計(jì)施工3口大口徑井，累計(jì)進(jìn)尺1226.35m，試驗(yàn)最大孔深453.30m，對(duì)比常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，效率大幅提高，取得了良好效果。

大口徑；潛孔錘；采空區(qū)

1 工程概況

由于煤峪口礦406盤區(qū)，同家梁礦南2、北2盤區(qū)11#、14#采空區(qū)存在大量積水，根據(jù)礦井防治水工作的要求和生產(chǎn)銜接的需要，為有效防止11#、14#采空區(qū)積水對(duì)下覆煤層的威脅,從根本上消除、杜絕、減小可能造成的危害，決定在地面施工大孔徑抽水孔3個(gè)（煤峪口礦406盤區(qū)1個(gè)，同家梁礦北2盤區(qū)、南2盤區(qū)各一個(gè)），抽取采空區(qū)積水。

本文取其中一最深鉆孔做出研究。

項(xiàng)目名稱：永定莊礦石炭系延伸主水倉鉆孔工程。

工程規(guī)模：施工孔深426m，孔徑?350mm。

2 主要設(shè)備及參數(shù)

GZ-2600鉆機(jī)，XRVS 476型空壓機(jī)一臺(tái)，XRVS 976型空壓機(jī)一臺(tái)，PESG760空壓機(jī)一臺(tái)，SPMS80沖擊器，?350mm釬頭。

SPMS80沖擊器性能參數(shù)：

工作氣壓（MPa）：1.0～2.1；耗風(fēng)量（m3/min）：12～31；沖擊功（J）：1560；沖擊次數(shù)（次/min）：860～1510。

PESG760空壓機(jī)性能參數(shù)：

排氣量：21.7m3/min；額定排氣壓力：1.4MPa。

XRVS 476型及XRVS 976型空壓機(jī)性能參數(shù)：

排氣量：27.7 m3/min；額定排氣壓力：2.5MPa。

3 地層情況及鉆進(jìn)參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)資料，鉆孔鉆遇底層自上而下依次為第四紀(jì)地層及侏羅紀(jì)大同組地層，主要以可鉆性5～7級(jí)石英砂巖為主，夾雜少量3～4級(jí)泥巖、砂質(zhì)泥巖。

空氣潛孔錘碎巖方式不同于常規(guī)鉆進(jìn)的切削與研磨原理，它是將壓縮機(jī)產(chǎn)生壓縮空氣的能量通過空氣潛孔錘這個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置，對(duì)需要破碎的巖石施加高頻的沖擊載荷，當(dāng)這個(gè)能量（沖擊功）達(dá)到巖石的臨界破碎功時(shí)，便產(chǎn)生體積破碎，同時(shí)工作后的氣體在一定的風(fēng)速條件下將巖石顆粒排出孔外以實(shí)現(xiàn)連續(xù)鉆進(jìn)。因此，合理的選用鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)是取得理想鉆進(jìn)效果的基本條件。

空氣潛孔錘鉆進(jìn)由于改變了碎巖方式，即以沖擊體積破碎代替了磨削或切削破碎，所以其鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)與一般回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)有較大不同。據(jù)文獻(xiàn)，鉆進(jìn)規(guī)程采用施工參數(shù)如表1所示：

表1 施工參數(shù)表

（1）鉆壓。空氣潛孔錘鉆進(jìn)是在靜壓力（鉆壓）、沖擊力和回轉(zhuǎn)力3種力的作用下實(shí)現(xiàn)巖石破碎的。其鉆壓主要作用是保證鉆頭齒能與巖石緊密接觸，克服沖擊器及鉆具的反彈力，以便有效地傳遞來自沖擊器的沖擊功。鉆壓過小，難以克服沖擊器工作時(shí)的背壓和反彈力，直接影響沖擊功的有效傳遞；鉆壓過大，將會(huì)增大回轉(zhuǎn)阻力，還將造成鉆頭過早磨損。

空氣潛孔錘鉆進(jìn)的鉆壓主要取決于地層巖石的硬度，自軟至硬，鉆壓由小到大。根據(jù)收集的資料，潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)壓力的推薦值，在軟至中硬巖層為2.94～4.9kΝ，即單位面積上的鉆壓為41～68Ν/cm2。鉆壓的合理選擇應(yīng)考慮鉆進(jìn)方式的變化（如低壓還是高壓，因工作壓力的不同而背壓不同），目的是最大限度地減少鉆具及鉆頭的磨損。

（2）轉(zhuǎn)速。潛孔錘鉆進(jìn)屬于慢回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法的一種，合理的轉(zhuǎn)速選擇，對(duì)鉆頭壽命乃至鉆進(jìn)成本控制至關(guān)重要。它主要跟沖擊器所產(chǎn)生的沖擊功的大小、沖擊頻率的高低、鉆頭的形式以及所鉆巖石的物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。要求巖石面均勻破碎，破碎下來的巖屑能及時(shí)被空氣介質(zhì)所清除，潛孔錘鉆進(jìn)無切削和剪切作用，所以無需較大的線速度。

轉(zhuǎn)速太快，對(duì)鉆頭的壽命不利，特別在研磨性強(qiáng)的巖層，將使鉆頭外圍的刃齒很快磨損和碎裂。如果轉(zhuǎn)速太慢，則將使柱齒沖擊時(shí)與已有沖擊破碎點(diǎn)（凹坑）重復(fù)，導(dǎo)致鉆速下降。一般的做法是，巖石愈硬或鉆頭直徑愈大，選用的轉(zhuǎn)速愈低。

沖擊鉆進(jìn)鉆速的高低主要和沖擊器頻率、規(guī)格以及巖石的物理機(jī)械性質(zhì)有關(guān)，為避免重復(fù)破碎，合理的轉(zhuǎn)速應(yīng)保證在最優(yōu)的沖擊間隔范圍之內(nèi)。

最優(yōu)沖擊間隔的確定，多采用2次沖擊間隔的轉(zhuǎn)角表示，轉(zhuǎn)速與沖擊頻率和最優(yōu)轉(zhuǎn)角的關(guān)系如下：

式中：A——最優(yōu)轉(zhuǎn)角，（°）；

n——鉆具轉(zhuǎn)速，r/min；

f——沖擊頻率，次/min。

根據(jù)資料推薦，在硬巖中2次沖擊之間的最優(yōu)轉(zhuǎn)角為11°。因而，在某些嚴(yán)重裂隙性巖層中鉆進(jìn)時(shí)，為防止卡鉆而采用增加轉(zhuǎn)速的辦法。但也要注意有時(shí)卡鉆是因?yàn)殂@頭已過度磨損，而增加轉(zhuǎn)速會(huì)使問題復(fù)雜化。對(duì)潛孔錘鉆進(jìn)最優(yōu)鉆頭回轉(zhuǎn)速度，應(yīng)以獲得有效的鉆速、平穩(wěn)的操作和經(jīng)濟(jì)的鉆頭壽命，作為基本要求。

（3）風(fēng)壓。潛孔沖擊器的沖擊頻率和沖擊功都與空氣壓力有關(guān)，空氣壓力是決定沖擊功的重要因素，因而也是影響機(jī)械鉆速的主要參數(shù)，國(guó)內(nèi)外大量資料證明，機(jī)械鉆速和空氣壓力成正比關(guān)系。例如：空氣壓力從0.6MPa提高至1.03MPa時(shí)，鉆進(jìn)速度可提高一倍。空氣壓力除滿足潛孔錘工作壓力外，還應(yīng)考慮循環(huán)過程中的壓力損失，孔內(nèi)壓力降，潛孔錘壓降，有水情況下尚須克服水柱壓力，才能正常工作。

式中：P——空氣壓力，MPa；

Q2—每米干孔的壓力降，一般為0.0015MPa/m；

Pm——管道壓力損失，0.1～0.3MPa；

P1——潛孔錘壓力損失，MPa；

P2——鉆孔內(nèi)水柱壓力，MPa；

L——鉆桿柱長(zhǎng)度，m。

從上式可以看出，在無水條件下，隨著鉆進(jìn)深度逐步的增加，鉆孔內(nèi)空氣壓力也在不斷增大。

（4）風(fēng)量。空氣鉆進(jìn)中空氣消耗量是根據(jù)氣動(dòng)潛孔錘沖擊器的性能參數(shù)（耗氣量）及為清除孔內(nèi)巖屑的最低上返速度而確定。為保持孔底干凈，攜帶孔底巖屑顆粒在鉆具環(huán)狀間隙中的上返速度V一般取10～15m/s，對(duì)風(fēng)量的計(jì)算：

式中：Q——鉆進(jìn)時(shí)所需空氣量，m3/min；

K1——孔深損耗系數(shù)，通常取1.0～1.1；

K2——孔內(nèi)涌水時(shí)，風(fēng)量增加，其值與涌水量有關(guān)，中等涌水量為K2=1.5

D——鉆孔直徑，m；

d——鉆桿外徑，m；

V——環(huán)狀間隙氣流上返速度，m/s。

（5）扭矩。由于潛孔錘鉆進(jìn)中，鉆壓僅作為防止錘頭空打，故一般所需鉆壓較小，根據(jù)扭矩計(jì)算公式：

式中：K——刀具旋轉(zhuǎn)阻力系數(shù)，為試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值，一般取0.1～0.3；

P——鉆壓，kN；

R——鉆孔換算直徑，m。

選用的空氣壓縮機(jī)的技術(shù)性能要與空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝相匹配。空氣壓縮機(jī)除需具有足夠的壓力外，其送風(fēng)量不僅要確保上返氣流速度大于不同粒度巖礦樣的懸浮下降速度，還應(yīng)當(dāng)滿足潛孔錘正常工作對(duì)送風(fēng)量的要求。

影響空氣壓縮機(jī)選擇的因素主要有：鉆孔深度、鉆孔口徑、鉆進(jìn)速度、使用的潛孔錘類型、鉆孔內(nèi)地下水位及涌水量等。

4 鉆具組合

根據(jù)施工情況，采用以下2種鉆具組合方式：

采空區(qū)上部：主動(dòng)鉆桿+?127mm鉆桿+?178mm鉆鋌2根+?159mm鉆鋌2根+SPMS80沖擊器+?350mm釬頭；采空區(qū)：主動(dòng)鉆桿+?127mm鉆桿+?178mm鉆鋌2根+?159mm鉆鋌2根+?350mm扶正器+SPMS80沖擊器+?350mm釬頭。

5 鉆進(jìn)方法

開孔時(shí)，采用輕壓慢鉆方式鉆進(jìn)，確保鉆孔垂直，施工過程中，根據(jù)地層情況及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，適當(dāng)增加鉆壓，一個(gè)回次結(jié)束后，上提鉆具沖孔，確保巖屑不殘留在孔內(nèi)，施工至采空區(qū)后，根據(jù)采空區(qū)深度來確定扶正器位置，防止扶正器卡在采空區(qū)內(nèi)，穿過采空區(qū)后掃孔，將采空區(qū)形成的“臺(tái)階”掃平。施工深度超過150m后，采用2臺(tái)空壓機(jī)并聯(lián)方式增加風(fēng)量，可將孔內(nèi)較大巖屑沖出孔內(nèi)，避免巖屑回落后重復(fù)破碎及卡鉆事故發(fā)生。

6 臺(tái)效對(duì)比（見表2）

P634.5

B

1004-5716(2015)12-0049-03

2015-08-03

2015-08-12

李海濤（1987-），男（漢族），吉林松原人，助理工程師，現(xiàn)從事鉆探技術(shù)工作。