潛孔錘空氣鉆進(jìn)工藝在大同煤田鉆井施工中的應(yīng)用

李永生

關(guān)鍵字 空氣潛孔錘；鉆進(jìn)工藝；煤田鉆井工程

1 潛孔錘空氣鉆進(jìn)原理

潛孔錘空氣鉆進(jìn)是用地面的鉆機(jī)通過高壓軟管連接鉆桿對孔底鉆頭施加壓力和扭矩，并利用高壓壓縮空氣推動潛孔錘對巖石進(jìn)行沖擊碎巖，實(shí)現(xiàn)正常鉆進(jìn)，同時(shí)利用壓縮空氣冷卻鉆頭將孔底巖屑排出孔內(nèi)。

潛孔錘的作用機(jī)理是沖擊巖石并非刻取、磨碎，因而鉆進(jìn)效率高，其鉆進(jìn)快慢程度取決于沖擊力大小、沖擊頻率快慢。如若潛孔錘回轉(zhuǎn)減慢，就要反復(fù)破碎巖石，影響鉆效、磨損合金鉆頭；若潛孔錘回轉(zhuǎn)加快、則是巖石沒有完全磨碎、造成鉆進(jìn)效率低下。

2 直徑311 mm 潛孔錘空氣正循環(huán)鉆進(jìn)工藝在大同煤田施工應(yīng)用

2.1 潛孔錘空氣正循環(huán)工藝概述

潛孔錘空氣鉆進(jìn)就是把破碎巖石的鉆頭和一個(gè)能產(chǎn)生沖擊作用的氣動裝置潛入孔底進(jìn)行鉆進(jìn)的一種工藝方法，這個(gè)氣動裝置叫沖擊器。它是以壓縮空氣為動力的一種沖擊工具，它所產(chǎn)生的沖擊功和沖擊頻率可以直接傳給鉆頭，然后再通過鉆機(jī)和鉆桿回轉(zhuǎn)驅(qū)動，形成對巖石的破碎能力，同時(shí)利用沖擊器排除壓縮空氣，對鉆頭進(jìn)行冷卻和排粉，從而實(shí)現(xiàn)孔底沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的目的。

正循環(huán)工藝則是采用空壓機(jī)壓縮空氣、通過高壓軟管進(jìn)入車載鉆機(jī)動力頭、直徑114 mm鉆桿的內(nèi)壁、驅(qū)動直徑311 mm潛孔錘、沖擊破碎巖石，巖屑隨空氣從鉆桿外壁四周環(huán)狀間隙返出地表；于常規(guī)鉆機(jī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的循環(huán)方法一致，沖洗介質(zhì)一種是泥漿、一種是空氣；看似機(jī)理類似，其實(shí)差異巨大；泥漿可以制作成高比重、泥漿泵提供循環(huán)動力，泥漿本身不可壓縮，巖屑于泥漿混合，很容易且徹底攜帶出鉆孔；空氣排渣由空氣壓縮機(jī)空氣提供動力，完全依靠空氣氣舉力來沖洗巖屑，受限氣量和壓力，攜帶能力有限。

圖1 車載鉆機(jī)潛孔錘空氣正循環(huán)示意

2.2 潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)適用范圍條件

潛孔錘空氣正循環(huán)鉆進(jìn)施工工藝適宜地層為穩(wěn)定的巖石地層，在三大巖石地層中，沉積巖鉆進(jìn)效率大于巖漿巖，巖漿巖大于變質(zhì)巖；在沉積巖中砂巖鉆進(jìn)效率大于泥巖，相對來說巖性硬度變大，該種工藝的鉆進(jìn)效率則會增高。但對粘土層、松散地層、破碎地層或者灰?guī)r（巖溶）含水層則不適宜，導(dǎo)致潛孔錘均不起錘，松軟的砂土還極易堵塞錘頭風(fēng)眼，使其無法正常工作。因此在含有粘土層、松散地層、破碎地層地域采用潛孔錘空氣正循環(huán)鉆進(jìn)必須采取措施封閉上述地層。

針對該類地層一般用大一級的鉆頭開孔，采用泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)工藝施工，施工到遇完整巖石地層后下置套管，用速凝水泥將孔壁與套管外環(huán)封閉，然后采用潛孔錘空氣正循環(huán)工藝進(jìn)行施工。

2.3 直徑311mm潛孔錘空氣正循環(huán)鉆進(jìn)施工應(yīng)用情況

采用美國SCHRAMM（雪姆）車載鉆機(jī)在大同煤田塔山煤礦施工地面瓦斯抽放直徑311 mm 鉆孔、孔深500 m時(shí)，當(dāng)鉆孔深度達(dá)到400 m 以下時(shí)且孔內(nèi)無較高的水位，為了快速有效地進(jìn)行鉆孔的空氣正循環(huán)鉆進(jìn)。避免由于風(fēng)量在輸送過程中的損耗，出現(xiàn)風(fēng)量不足，孔內(nèi)的巖粉排放困難，巖粉在孔內(nèi)形成渦流，而造成的埋鉆、卡鉆事故。就需要多臺空壓機(jī)并車的空氣潛孔錘鉆井方法來提高總風(fēng)量，進(jìn)而一次性完井達(dá)到鉆井目標(biāo)。但要注意多臺空壓機(jī)并車必須保證每臺工作壓力一致，切勿大小不一致。而且潛孔錘也必須容許大風(fēng)量通過，否則將造成其不必要的損壞。經(jīng)過實(shí)地技術(shù)基數(shù)比較計(jì)算。使用空氣沖洗介質(zhì)鉆進(jìn)時(shí)，為對鉆渣形成有效的攜帶，需要的有效空氣上返速度為至少20 m/s。

以311 mm直徑的鉆孔、114 mm外徑的鉆桿為例，采用空氣潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)時(shí)：則需要的最小空氣流量計(jì)算如下：

鉆孔與孔壁形成的環(huán)空面積為：

則每分鐘所需要的最小空氣流量為79.2 m3。需要使用三臺壽力900XH～1150XH 雙工況空壓機(jī)（每臺額定工作壓力排氣量32 m3/min），通過高壓空氣管匯將三臺空壓機(jī)所輸出的高壓空氣經(jīng)鉆機(jī)的高壓管路系統(tǒng)、動力頭、114 mm 直徑鉆桿、159 mm 直徑鉆挺注入位于孔底的300 mm 空氣潛孔錘、驅(qū)動300 mm 空氣潛孔錘工作后從鉆具與孔壁的環(huán)空中攜帶鉆渣返出地面，形成空氣潛孔錘正循環(huán)，用于巖石層的鉆進(jìn)。

2.4 施工時(shí)鉆具組合

潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)，需要盡可能保持鉆孔環(huán)狀間隙的暢通，以利于排渣。如使用扶正器，會阻擋鉆渣的順利排出，當(dāng)?shù)貙硬环€(wěn)定而發(fā)生掉塊時(shí)，還極易卡鉆，所以在潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)一般不使用扶正器。在不使用扶正器的情況下，為保證鉆孔垂直，一方面是配置鉆具時(shí)盡可能采用鐘擺式鉆具組合，即由下至上鉆具逐級變小；另一方面，可適當(dāng)減小鉆壓并進(jìn)而減小扭矩，使發(fā)生孔斜的合力減到最小。通常情況用的鉆具配套為：車載鉆機(jī)全液壓動力頭+114 單壁鉆桿+159 鉆鋌+300 mm 潛孔錘（311錘頭）。

2.5 應(yīng)用所得鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

潛孔錘鉆進(jìn)操作技術(shù)雖然比較簡單容易，但是必須科學(xué)的正確選用鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)和熟練的合理的操作，才能取得理想的鉆進(jìn)效果。其主要技術(shù)參數(shù)應(yīng)當(dāng)包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容：鉆具鉆壓和轉(zhuǎn)速、空壓機(jī)供氣量和壓力、鉆具扭矩等諸多因素，都會影響鉆進(jìn)效率和鉆進(jìn)質(zhì)量。如何合理選擇鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)，優(yōu)化各種技術(shù)參數(shù)的匹配，減小不利因素隊(duì)潛孔錘鉆進(jìn)的負(fù)面影響，是掌握氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)的關(guān)鍵所在。

（1）鉆壓，空氣潛孔錘鉆進(jìn)的基本過程，是在鉆壓、沖擊力、回轉(zhuǎn)力三種力作用下破碎巖石。其鉆壓的主要作用是為了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，以便有效的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；鉆壓過大將會增加回轉(zhuǎn)阻力和鉆頭過早磨損。一般為9 kg/mm，經(jīng)驗(yàn)值1 200 kg.

（2）轉(zhuǎn)速，空氣潛孔錘鉆進(jìn)是以沖擊方式碎巖的，回轉(zhuǎn)速度是為改變鉆頭合金的沖擊破巖位置，避免重復(fù)破碎。通過潛孔錘鉆進(jìn)施工得出的經(jīng)驗(yàn)值：一般為20 r/min～30 r/min.

（3）風(fēng)量，使用空氣沖洗介質(zhì)鉆進(jìn)時(shí)，為對鉆渣形成有效的攜帶，需要有效的空氣上返速度一般至少為20 m/s。

如使用美國SCHRAMM（雪姆）車載鉆機(jī)在同煤集團(tuán)燕子山煤礦施工地面救援鉆孔（生命通道孔）進(jìn)行254 mm孔徑空氣潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)時(shí)，需要用兩臺阿特拉斯·科普柯移動式螺桿空氣壓縮機(jī)XRXS1240 空壓機(jī)（每臺額定工作壓力排氣量33 m3/min），通過高壓空氣管匯將所需空壓機(jī)所輸出的高壓空氣經(jīng)鉆機(jī)的高壓管路系統(tǒng)、動力頭、114 mm 直徑鉆桿、159 mm 直徑鉆挺注入位于孔底的200 mm空氣潛孔錘、驅(qū)動空氣潛孔錘工作后從鉆具與孔壁的環(huán)空中攜帶鉆渣返出地面，形成空氣潛孔錘正循環(huán)，用于巖石層的鉆進(jìn)。施工鉆孔孔深237 m。使用空氣沖洗介質(zhì)鉆進(jìn)時(shí)，為對鉆渣形成有效的攜帶，需要的有效空氣上返速度為至少20 m3/s、比較理想的上返速度為30 m3/s或更快一些。

以254 mm直徑的鉆孔、114 mm外徑的鉆桿為例，采用空氣潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)時(shí)：則需要的最小空氣流量計(jì)算如下：

鉆孔與孔壁形成的環(huán)空面積為：

則每分鐘所需要的最小空氣流量為48 m3。需要使用兩臺阿特拉斯·科普柯移動式螺桿空氣壓縮機(jī)XRXS1240空壓機(jī)。

（4）風(fēng)壓。潛孔錘做功是靠壓縮空氣來完成的，風(fēng)壓的選擇除應(yīng)滿足潛孔錘工作壓力以外，還應(yīng)視管道壓力損失（一般為0.1他MPa～0.3 MPa），孔內(nèi)壓降（一般為0.001 5 MPa/m）以及鉆孔涌水情況下的水柱壓力等而定，風(fēng)壓的確定一般要求壓風(fēng)機(jī)的輸出表壓力要比潛孔錘的額定啟動壓力大0.2 MPa～0.3 MPa即可。

3 潛孔錘施工應(yīng)用需注意事項(xiàng)

（1）開孔如遇上部有覆蓋層，先用泥漿牙輪開孔至完整基巖后，依據(jù)鉆井設(shè)計(jì)要求進(jìn)行擴(kuò)孔，而后下入合適的孔口管，埋設(shè)孔口管后把周圍的間隙用混凝土填充固好，再進(jìn)行鉆進(jìn)。

（2）在鉆進(jìn)過程中應(yīng)根據(jù)鉆井深度隨時(shí)調(diào)整鉆壓。當(dāng)鉆具的重量在正常的鉆壓范圍時(shí)，可用鉆具自重形成的鉆壓；隨著井孔的加深，當(dāng)鉆具的重量超過所需的鉆壓時(shí)，應(yīng)用鉆機(jī)的液壓提升給進(jìn)裝置提升鉆具進(jìn)行減壓，避免鉆壓太大損壞潛孔錘錘頭和造成孔斜。

（3）在鉆進(jìn)中應(yīng)隨時(shí)注意觀察空氣壓力表的變化情況。壓力突然增加是孔內(nèi)坍塌掉塊或者巖粉過多等原因造成的。這時(shí)，應(yīng)立即停止鉆進(jìn)，上下活動鉆具，大風(fēng)量吹孔排渣，直至孔內(nèi)巖粉排凈后才能開始鉆進(jìn)。壓力突然降低，是鉆具折斷或者接頭漏氣造成的，應(yīng)及時(shí)提鉆檢查。

（4）在鉆進(jìn)過程中需要加鉆桿，先將潛孔錘提離孔底半米左右，持續(xù)供氣吹洗鉆孔，確保孔底巖石碎屑被清理干凈后方可加下一根鉆桿。

（5）加接鉆桿時(shí)，要特別注意鉆桿內(nèi)的清潔，以避免砂土及管內(nèi)鐵銹等贓物進(jìn)入沖擊器內(nèi)，引起零部件損壞或者發(fā)生停鉆事故。所以必須保證氣路清潔通暢，并要求鉆桿絲扣涂抹絲扣油。

（6）當(dāng)下鉆距離孔底0.3 m～0.5 m 時(shí)，可開啟空壓機(jī)并采用“輕壓、慢轉(zhuǎn)、低能量沖擊”進(jìn)行掃孔，掃孔到底后證明沖擊器正常工作時(shí)，再改鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行鉆進(jìn)。

（7）在鉆進(jìn)的過程中，每進(jìn)尺1 m～2 m 左右，應(yīng)把鉆具提離孔底二十公分左右進(jìn)行清孔，保證孔底干凈，以防止錘頭沖擊破碎的巖屑不能及時(shí)的排出，聚集造成卡鉆、埋鉆、堵鉆等現(xiàn)象，從而影響施工正常進(jìn)行。

（8）潛孔錘下到孔底送風(fēng)不工作時(shí)，是活塞被卡（閥片可能損壞）。應(yīng)旋轉(zhuǎn)或者輕墩鉆具，震動活塞，也可采用停風(fēng)、送風(fēng)反復(fù)進(jìn)行的辦法，用氣體交替激蕩沖開活塞。處理無效時(shí)應(yīng)提鉆檢修潛孔錘。

（9）潛孔錘下到孔底送風(fēng)不通，風(fēng)壓持續(xù)上升，判斷為氣路堵塞或者潛孔錘被堵被埋。此時(shí)應(yīng)首先打開空壓機(jī)排氣閥門，防止由于風(fēng)壓上升管路爆裂傷人或者管路突然沖開后井噴危及設(shè)備和人員。待風(fēng)壓穩(wěn)定后，應(yīng)迅速提升鉆具使?jié)摽族N脫離巖粉埋沒井段，觀察風(fēng)壓舒服下降。若處理無效，必須提鉆清理堵塞物。

（10）正常鉆進(jìn)過程中，要使用專用的潛孔錘注油器以潤滑潛孔錘零部件。

4 結(jié)語

經(jīng)過多年的鉆井生產(chǎn)施工經(jīng)驗(yàn)來看，潛孔錘空氣鉆進(jìn)工藝結(jié)合車載鉆機(jī)以其作業(yè)能力強(qiáng)、機(jī)動性能好、動力性能強(qiáng)、作業(yè)適應(yīng)范圍廣、施工工藝安全可靠、機(jī)械操控性能良好是目前提高鉆頭在硬巖層鉆進(jìn)效率的最佳選擇。而且目前車載式鉆機(jī)都是全液壓系統(tǒng)操作或者電控液壓系統(tǒng)操作的安全性能十分可靠。這為我們將來進(jìn)一步研究潛孔錘空氣反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)，以及如何完善設(shè)備配套，掌握了鉆機(jī)操作、鉆井工藝和設(shè)備養(yǎng)護(hù)的工作方面積累了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)。