礦山大口徑鉆孔循環鉆進技術研究

趙江鵬 劉建林 趙建國(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

礦山大口徑鉆孔是指一種與井下巷道、硐室等構筑物相連通的地面鉆孔，終孔直徑一般介于φ300～ 1 300 mm，深度介于100～800 m，廣泛應用于礦山建設、安全和生產等領域。根據鉆孔用途，可分為救援逃生孔、瓦斯管道孔、排水孔、電纜孔、降溫管道孔、投料孔等多種類型[1-6]。目前，礦山大口徑鉆孔施工大多采用大直徑牙輪鉆頭、泥漿正循環的常規鉆進工藝方法[1,5,7]。大量工程實踐表明：由于鉆孔口徑大，尤其是在硬巖孔段鉆進時，上述常規鉆進工藝方法存在碎巖效率低、排渣困難的實際問題，鉆進速度慢，鉆孔的施工工期往往比較長。

為解決大口徑鉆孔硬巖鉆進難題，近幾年國內相關公司研究人員研究與試驗了多種大口徑空氣鉆進工藝技術。河南煤田地質局研究了大口徑氣舉反循環鉆進技術[7]，在口徑445 mm、760 mm的鉆孔施工中，機械鉆速0.2～1.61 m/h，鉆孔深度達484.56 m；該技術減少了孔底重復破碎，鉆進效率得到一定程度的提高，但是鉆頭仍以切削碎巖方式為主，且孔底壓力較大，壓持效應未得到顯著改善。寧煤環安公司試驗了φ450 mm、φ660 mm 2種規格的集束式潛孔錘正循環鉆進技術[8]，最高機械鉆速達9 m/h，鉆孔深度至70 m；該技術孔底碎巖效率高，但是大口徑空氣正循環排渣需要注入大量壓縮空氣，施工成本高，應用于百米以深鉆孔經濟性差，推廣應用難度較大。另外，下排渣擴孔技術因其鉆進效率高、施工成本低，在礦山大口徑鉆孔施工中得到較為廣泛的應用[1,2,5,9-10]，可分為回拉擴孔式、正打擴孔式2種類型。其中，陜西煤田地質局開發的集束式潛孔錘回拉擴孔技術，利用φ690 mm集束式潛孔錘進行擴孔，最高機械鉆速可達10 m/h，鉆孔深度至335 m[9]，取得良好的經濟效益；神華集團某礦設計了多個大口徑鉆孔，施工時采用φ660 mm集束式潛孔錘正打擴孔技術，機械鉆速4～5 m/h，采用φ850 mm鑲齒滾刀鉆頭回拉擴孔技術，機械鉆速3～4 m/h[2]；然而，下排渣擴孔技術的推廣應用有著嚴格的適用條件：一是目標孔底需掘有井下巷道，且具備井下出渣條件；二是鉆遇地層結構完整，地層富水性較弱[1,5,9-10]。

大口徑反循環鉆進技術是利用空氣潛孔錘提高碎巖效率，利用雙壁鉆桿工藝解決排渣難題。該技術鉆進效率較高、地層適應性較強，吉林大學、中煤科工集團公司等單位近幾年加大力度開展了相關試驗研究工作[11-17]。目前大直徑反循環潛孔錘有φ711 mm、φ660 mm、φ580 mm、φ445 mm、φ311 mm等多種規格，機械鉆速1.2～6 m/h，鉆進效率高，鉆進深度達到295 m。下面重點介紹大口徑反循環鉆進技術及其研究進展。

1 建立反循環的基本條件

壓縮空氣到達孔底，冷卻鉆頭、攜帶巖屑后，上返至地面有2條通道(如圖1)：1條是鉆頭與孔壁、鉆桿與孔壁形成的環狀間隙共同構成的上返通道，屬于正循環通道；另1條是鉆頭內通道、雙壁鉆桿內管中心通道構成的上返通道，為反循環通道。為保障壓縮空氣上返時能夠順利進入反循環通道，即建立起并維持住鉆進過程中所需的反循環通道，則需滿足下式的基本壓力(阻力)條件：

P21+P22≤P11+P12，

(1)

式中，P11為孔底壓縮空氣在鉆頭與鉆孔壁形成的環狀間隙產生的壓力損失；P12為孔底壓縮空氣在鉆桿與鉆孔壁形成的環狀間隙產生的壓力損失；P21為孔底壓縮空氣在鉆頭底部、內部通道產生的壓力損失；P22為孔底壓縮空氣在內管產生的壓力損失。

圖1 反循環基本原理Fig.1 Basic principle of reverse circulation

2 實現反循環的技術途徑

密封方法是保障能夠建立反循環的關鍵，目前主要有引射器式、多層橡膠片式、孔底孔口聯合式等幾種密封方法。

2.1 引射器式密封方法

引射器原理是指高壓流體由噴嘴高速噴出時會產生強烈卷吸作用，從而能夠將噴嘴出口周圍的低壓流體卷吸進混合室內，然后逐漸形成均勻的混合流體。殷琨教授等[11-13]根據多噴嘴引射器原理研制的大直徑引射器式反循環鉆頭有效降低了鉆頭底部的壓降P21，其結構原理如圖2所示。利用φ445 mm、φ660 mm 2種規格的大直徑反循環鉆頭，配套貫通式潛孔錘和φ140/90 mm雙壁鉆桿，經試驗，在注氣量60 m3/min，轉速4.5～8 r/min工況下，注氣壓力為1.6～1.8 MPa，鉆進深度至50.8 m，平均鉆進效率4.5 m/h[11]。

圖2 大直徑引射器式反循環鉆頭結構原理Fig.2 Structure principle of large diameter reverse circulation ejector-drill1—內噴孔；2—貫通孔；3—底噴孔；4—排渣孔；5—擴壓槽

2.2 多層橡膠片式密封方法

多層橡膠片式密封方法的特點是橡膠片外徑略大于鉆孔(或鉆頭)直徑，通過橡膠片的封隔作用增大了環狀間隙壓力損失P12，促使孔底壓縮空氣由正反循環轉換接頭的側部斜孔進入雙壁鉆桿內管中心通道，上返至地面，見圖3。

“十二五”期間，為提高我國應對礦山重大災害事故的救援能力，重點建設了7支國家礦山應急救援隊。救援隊全部配套了此類型大口徑反循環鉆具系統，主要包括φ711 mm大直徑潛孔錘、正反循環轉換接頭、多層橡膠密封器、扶正器、φ219/152 mm雙壁鉆桿等。2015年12月25日，山東平邑某石膏礦巷道發生坍塌事故，在地面鉆孔救援期間，淮南救援隊曾使用該類型鉆具系統施工5#大口徑逃生孔。在注氣量70 m3/min，轉速10～15 r/min條件下，注氣壓力為1.5～1.6 MPa，鉆進深度至170 m，平均鉆進效率4 m/h。

圖3 多層橡膠密封式反循環鉆進原理Fig.3 Multi-layer rubber seal principle of reverse circulation drilling1—雙壁鉆桿；2—正反循環轉換接頭；3—多層橡膠密封器；4—空氣潛孔錘

2.3 孔底孔口聯合式密封方法

上述2種密封方法共同特點是孔底密封結構與鉆孔之間間隙小，在坍塌掉塊地層易出現孔內埋鉆事故，因此提出了孔底孔口聯合式的密封方法。該方法增大了孔底密封結構與孔壁的間隙，為滿足建立反循環的需求，同時在孔口設計安裝有密封裝置。因孔口密封裝置與套管、鉆孔、雙壁鉆桿可構成一有限密閉空間(見圖4)，當氣體壓力達到一定程度時，即能夠迫使孔底壓縮空氣由排渣通道、雙壁鉆桿內管中心通道返出至地面。

圖4 孔底孔口聯合式密封方法Fig.4 Double sealing method at bottom and entrance of drilling hole1—氣盒子；2—雙壁鉆桿；3—孔口密封裝置；4—土層段套管；5—鉆孔；6—鉆頭；7—鉆頭密封機構

趙江鵬等[14-15]試制了φ710/311 mm規格的大直徑反循環鉆頭、孔口密封裝置，配套φ127/70 mm雙壁鉆桿，在注氣量30 m3/min條件下，鉆孔深度達到85 m，平均鉆進效率2.1 m/h。

3 大口徑反循環鉆進配套裝置的設計

以孔底孔口聯合式密封方法為設計原則，在以往研究基礎上，選型φ178/113 mm大規格雙壁鉆桿，設計了φ580/311 mm、φ311 mm 2種規格的大直徑反循環潛孔錘以及孔口密封裝置。

3.1 φ580/311 mm集束式反循環潛孔錘

φ580/311 mm集束式反循環潛孔錘(見圖5)是由3個常規正循環潛孔錘在同一圓周面上均布捆綁組合而成，由上至下分別是雙壁接頭、配氣室、導氣管、中心管、常規正循環潛孔錘、排渣管、底部密封盤以及導向頭等。其中，雙壁接頭可與φ178/113 mm大規格雙壁鉆桿螺紋連接；配氣室可將壓縮空氣通過導氣管注入常規正循環潛孔錘，使其高效破碎巖石；排渣管是孔底產生的巖粉(屑)、廢氣以及水的排出通道，它與雙壁鉆桿內管中心通道相通；底部密封盤主要是將孔底大顆粒巖粉(屑)與鉆孔環空兩者進行有效封隔，其側部表面設置的耐磨帶可修正孔壁起保徑作用；導向頭下部可連接φ311 mm鉆頭，防止擴孔中偏離鉆孔原軌跡[16-17]。

圖5 φ580/311 mm集束式反循環潛孔錘Fig.5 φ580/311 mm reverse circulation cluster hammer1—底部密封盤;2—排渣管;3—常規正循環潛孔錘;4—配氣室;5—導向頭;6—中心管;7—導氣管;8—雙壁接頭

3.2 φ311 mm單體式反循環潛孔錘

φ311 mm單體式反循環潛孔錘(見圖6)由常規空氣潛孔錘、封堵器、正反循環轉換接頭等組成。該常規空氣潛孔錘為311 mm規格鉆頭，12吋沖擊器；封堵器外徑298 mm，外側面設有耐磨帶；正反循環轉換接頭下端連接常規空氣潛孔錘，上端連接φ178/113 mm大規格雙壁鉆桿。

3.3 孔口密封裝置

孔口密封裝置的設計應綜合考慮鉆機孔口工作臺結構特點、雙壁鉆桿外形特征、大直徑反循環潛孔錘下入方式、以及鉆進工藝參數等影響因素，在原孔口密封裝置[14，16]實踐基礎上，經改進設計成上、下分體式結構，下部為底座，以法蘭方式與鉆孔套管連接；

圖6 φ311 mm單體式反循環潛孔錘Fig.6 φ311 mm reverse circulation DTH hammer1—常規空氣潛孔錘;2—封堵器;3—正反循環轉換接頭

上部主要由錐形膠芯、錐形膠芯外殼體、插接結構外殼體組成，插接結構設置有2道“O”型密封圈；上、下結構采用插接式連接，并由2個卡環式法蘭固定，見圖7。

圖7 插接式孔口密封裝置結構Fig.7 Plug-in connect structure of entrance sealing device1—錐形膠芯外殼體；2—插接結構外殼體；3—卡環式法蘭；4—底座；5—錐形膠芯；6—鉆孔套管

4 大口徑反循環鉆進試驗

4.1 φ580/311 mm集束式反循環潛孔錘應用效果

鉆遇地層的巖性主要為泥巖、砂質泥巖、及細粒砂巖、粉砂巖。鉆具組合為φ580/311 mm集束式反循環潛孔錘+φ178/113 mm大規格雙壁鉆桿。主要鉆進參數：注氣量35 m3/min，轉速35 r/min，注氣壓力1.1～1.2 MPa，鉆進深度至284 m。

現場應用結果：反循環鉆進排渣效果好(見圖8(a))，鉆進效率高，據統計機械鉆速2.31～6.0 m/h，平均機械鉆速3.41 m/h。與同條件下牙輪擴孔鉆頭平均機械鉆速0.8 m/h相比，效率提高了3.2倍；與φ710/311 mm擴孔用集束式反循環潛孔錘平均機械鉆速2.1 m/h相比，效率提高了60%，達到了預期目標。

4.2 φ311 mm單體式反循環潛孔錘應用效果

鉆遇地層的巖性主要為泥巖、砂質泥巖、煤、及細粒砂巖、粉砂巖。鉆具組合為φ311 mm單體式反循環潛孔錘+φ178/113 mm大規格雙壁鉆桿。主要鉆進參數：注氣量35 m3/min，轉速20～35 r/min，注氣壓力1.1～1.3 MPa，鉆進深度至295 m。

現場應用結果：反循環鉆進排渣效果好(見圖8)，據統計機械鉆速1.88～6.0 m/h，平均機械鉆速3.14 m/h。與同條件下φ311 mm牙輪鉆頭泥漿正循環鉆進效率1.3 m/h相比，提高了1.4倍，取得良好的試驗效果。

圖8 反循環排渣效果與返出的巖屑顆粒Fig.8 Residue discharge effect of reverse circulation and the carrying debris particles

5 結 論

(1)目前礦山大口徑鉆孔施工多采用泥漿正循環工藝排渣、牙輪鉆頭碎巖，存在鉆進效率較低的實際問題。針對該問題，國內研究了大口徑氣舉反循環鉆進、大口徑潛孔錘正循環鉆進、下排渣擴孔鉆進等工藝方法，取得了一定的成效。尤其是下排渣擴孔鉆進工藝的應用較為廣泛，產生了良好的經濟效益，然而對于地層結構、水文地質復雜的工況條件，大口徑反循環鉆進工藝適用性更強。

(2)以孔底孔口聯合式密封方法為設計思想，研制了φ311 mm、φ580/311 mm 2種規格大直徑反循環潛孔錘、插接式孔口密封裝置，配套φ178/113 mm大規格雙壁鉆桿，經現場試驗表明：該鉆進工藝碎巖效率高、反循環排渣效果好，是一種高效的鉆進工藝方法。

(3)實踐表明：孔底孔口聯合式密封的大口徑反循環鉆進技術在孔深295 m時注氣壓力仍未超過1.2 MPa，對于600 m以深鉆孔，理論計算注氣壓力仍不會超過3 MPa，亦即在無需氣體增壓機的情況下，也能夠滿足絕大多數礦山大口徑鉆孔施工的深度要求，因此，該技術在礦山鉆孔救援、瓦斯抽采治理、以及其他工程用途的礦山大口徑鉆孔中具有良好的推廣應用前景。

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