氣動潛孔錘鉆進技術在礦井下大口徑孔施工的應用研究

高建波

（陜西省一九四煤田地質有限公司，陜西 銅川 727000）

隨著社會經濟的發展，各類工程技術水平實現了不斷提升。在我國社會發展過程中，對于能源資源的需求不斷擴大，進而促進了礦山開采規模的進一步擴大，同時，隨著工程開采從粗放式向集約式發展，在礦井下大口徑孔填充施工中，利用氣動潛孔錘鉆進的先進技術，改善礦山尾砂排放，提高資源回收利用率，從而滿足綠色礦山建設需求，促進礦山的可持續發展。就目前而言，我國在大口徑孔施工中設備的應用主要以立軸式回轉或者是水井轉盤式鉆機為主，其在實際填充施工中的進度較為緩慢，并且需要的成本相對較大，尤其是在礦井下施工中，由于設備較大會為施工帶來很多困難。基于此，本文以某礦井下大口徑孔施工項目為例，分析了在具體施工中應用氣動潛孔錘鉆進技術的應用效果。

1 氣動潛孔錘鉆進關鍵技術

（1）技術原理。氣動潛孔錘鉆進技術的主要應用原理是以高壓氣體對沖擊活塞產生作用，促使其進行往返運動，從而對鉆頭產生一定的沖擊力，為其提供工作動力，進而對巖石進行沖擊破碎，同時，利用沖擊器在活動中排除的壓縮空氣，實現冷卻鉆頭和清除巖屑的作用。

（2）對鉆機進行優化改進。一般來說，在進行大口徑孔施工過程中，其施工設備的選用多數是水井轉盤式鉆機，其在地面施工大口徑鉆孔具有良好的施工效果。但是，在礦井下大口徑孔的孔徑一般較大，并且在礦井下硐室內的空間卻較為狹小，這種水井轉盤式鉆機的體積較大，并且不具有良好的解題性能，要想實現從井下巷道向井下硐室的運輸是沒有辦法的。在實際運用中，較為常用的一種水井轉盤式鉆機是XFC300型號的設備，通過對設備參數及技術性能進行分析對比，發現XY-6B型鉆機在各方面都與之相近，而這一型的鉆機具有良好的解體性能，且體量相對較小，能夠實現從井下巷道的運輸。因此，鉆進的優化改進可以由XFC300型鉆機改變為XY-6B型鉆機。

（3）鉆塔的選型以及優化設計。礦井下大口徑孔施工中，井下硐室的空間相對較為狹窄，并且硐室的設計高度還需要充分根據圍巖的自穩能力來確定，從而最大限度的降低硐室塌方的安全隱患。同時，通過對充填管重量的測算可得，400m的充填管的總重量將會大于25t。因此，在施工中如果需要下入大于400m的填充管時，對于鉆塔的選擇，其天車的最大承載力應當大于25t。除此之外，還需要注意的是，根據施工工藝要求，鉆塔塔身的總高度和底座的面積也需要滿足實際需求。

2 研究施工項目工程概況

2.1 工程概況

以位于H省的某銅鐵礦區井下大口徑孔施工項目為例，大口徑充填孔深為300m垂直充填孔，終孔口徑為245mm，孔斜度1%，成孔后，下入168mm的厚壁鋼管，采用水泥砂漿固井。礦井下的巷道斷面的大小約為2m*2m，鉆窩高11m，頂部面積為2m*2m，底部面積為8m*8m，井下具有良好的通風條件，并且常溫保持在22攝氏度左右。

2.2 鉆孔結構

礦區具有典型的矽卡巖銅鐵礦床，礦井圍巖主要是三疊系大理巖以及白云質大理巖，大口徑孔周邊的巖層較為完成，裂隙發育。礦區水文地質條件相對簡單，沒有斷層、溶洞以及大裂隙等不利影響因素，采礦區以及坑道使得地下水有條件實現了連通，使得局部呈現裂隙水發育。在鉆孔施工中，由于礦井巖石為主要為大理巖，具有較強的穩定性，因此鉆孔結構采用二開鉆孔結構。先由尺寸為311mm的鉆頭進行1m鉆深，套管尺寸為300mm，套管深度為1m；然后進行二開鉆孔，鉆頭尺寸為254mm，鉆孔深度為300m。

2.3 鉆進工藝參數

（1）鉆壓。氣動潛孔錘鉆進技術在實際應用中，與傳統的回轉鉆進施工工藝不同，其技術原理是通過氣動潛孔錘的沖擊功以及沖擊頻率，從而對巖石產生力的作用，擊碎巖石。在其工作過程中，鉆機輸出的鉆壓只能為保證鉆頭不會回彈，以及使鉆頭和巖石保持適當的接觸距離，實現沖擊過程中能量傳遞的改善。而隨著鉆孔逐漸深入，機具的重量就能夠滿足鉆機輸出鉆壓的要求，越往深入，還需要制定一些減壓措施，從而保證鉆頭不會在工作過程中被過度磨損。同時需要注意的是，鉆壓也不能太小，否則會導致沖擊力不足，影響鉆孔進度。因此，在實際施工中，對鉆壓進行反復試驗，最終確定鉆壓為3kN，從而保證能夠達到最大的機械轉速。

（2）轉速。氣動潛孔錘鉆進技術在應用過程中，主要采用沖擊回轉鉆進施工，其重點雖然在沖擊，在回轉同樣十分重要，是為了改變鉆頭的沖擊位置，防止在巖石同一部位的重復破碎。如果回轉速度過高，則會導致鉆頭的快速磨損，同時也會不斷增加回轉扭矩，對鉆機設備造成一定程度上的損害。因此，氣動潛孔錘鉆進的轉速確定，需要充分考慮鉆頭的規格、巖石的硬度及可鉆性、沖擊器的性能等，在本次項目中應用的XY-6B鉆機由于其最低正轉速較高，因此要通過變頻器降低轉速，最終將最低轉速控制在了15-40r/min。

（3）泵量。在實際施工中，為了為鉆進提供良好的外部條件，在施工中采用了泡沫鉆進的方式。泡沫鉆進主要是利用泡沫較高的清除巖粉巖屑的能力，以便于在施工中及時清理巖屑。這主要是由于泡沫具有較高的懸浮性能，以及良好的剪切稀釋性質和觸變性。將泡沫的質量和性質通過水文、地質條件以及鉆進條件對添加劑的摻量、泵量進行調整。

（4）風壓及供風量。由于采用的是泡沫鉆井，泡沫又是氣液混合的物質，其對巖粉巖屑的清除主要是通過自身攜帶，因此在上返的過程中，泡沫本身及其攜帶物所產生的流動阻力較大，在實際施工過程中，對風壓的要求更高。施工中需要利用空壓機為鉆孔供風，增強孔內的風壓。根據鉆孔鉆進的深度不同，供風量由23m3/min逐漸增加至45m3/min，同時也需要根據供風量的不同，逐步增加泡沫的濃度，從而更好的對孔內的巖粉巖屑進行清除，保證鉆進具有良好的外部條件。

3 應用效果分析

（1）鉆進效率分析。本次工程項目施工中，采用了氣動潛孔錘鉆進技術進行了礦井下大口徑孔施工，對300m垂直充填孔進行了泡沫鉆進施工。為更好的對鉆進效率進行分析，本文采用了對比方法，在同礦區的300m垂直充填孔中采用空氣鉆進和泡沫鉆進組合形式施工工程作為比較對象。具體結論為，在空氣鉆進與泡沫鉆進共同施工的大孔徑充填孔中，鉆進總耗時為58.9h，總臺時為672h，其中空氣鉆進的平均鉆速為5.31m/h，泡沫鉆進的平均鉆速為5.27m/h，最終的臺月效率為333.2m/臺月；而通過氣動潛孔錘鉆進技術，采用泡沫鉆進的鉆進總耗時為52.27h，總臺時為168h，平均鉆速達到5.95m/h，臺月效率更是高達1332m/臺月。這充分表明了氣動潛孔錘鉆進技術中，泡沫鉆進能夠極大的提高鉆進效率，提升臺月效率，從而促進工程項目施工的經濟效益。

（2）整體施工效率分析。在采用傳統施工工法進行施工時，往往需要的鉆探設備與機具較為大型、復雜，且傳統的施工工藝多為采用回轉鉆進，以小口徑成孔、大口徑擴孔為主要的鉆孔結構，需要較長的鉆孔完工工期。而采用氣動潛孔錘鉆進技術，對鉆探設備與機具進行了優化設計，主要采用沖擊回轉鉆進的施工工藝，能夠實現一徑成井的鉆孔結構，極大的縮短鉆孔完工工期，同時還有效的減輕了施工勞動強度。

4 總結

綜上所述，在氣動潛孔錘鉆進技術應用于礦井下大口徑孔施工過程中，根據實際施工中的井下硐室施工環境，通過對鉆機進行優化改進，對鉆塔進行合理選型以及優化設計，最大限度的對井下硐室的施工發揮有利影響作用。同時，本文還以某礦井下大口徑充填孔施工項目為例，探索了氣動潛孔錘鉆進技術在實際施工中的相關工藝參數的優化調整應用，分析了此項技術在實際應用過程中的應用優勢。從而得出，氣動潛孔錘鉆進技術在礦井下大口徑孔施工中的應用具有明顯的優勢，能夠實現較好的經濟效益。