煤礦井下穿層鉆孔高效鉆進方法

豆旭謙

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

在煤礦瓦斯治理中，穿層鉆孔是煤礦瓦斯預抽、鄰近層和采空區瓦斯治理的有效措施[1-2]，一些礦區在施工穿層孔和高位鉆孔時，鉆遇硬巖，鉆進效率低下，鉆頭磨損嚴重，鉆孔施工周期長，有時會遇到鉆孔事故[3]，嚴重影響鉆孔施工進度和施工質量，影響煤礦瓦斯抽采（放）計劃，延緩采煤工期[4]。針對以上問題，研究適用于不同硬度巖層的鉆進技術，對煤礦常見頂底板巖層硬度進行分類，針對不同的巖石硬度類型分別采取相應的工藝方法，通過大量的現場對比試驗，優選適合現場條件的鉆進方法，總結最優工藝參數，形成一套行之有效的煤礦井下穿層鉆孔高效鉆進工藝技術。

1 煤礦硬巖等級劃分

巖石在不同圍壓環境中表現不同的屬性，在淺部開采時，一些結構疏松較為軟弱的巖石表現為軟巖的變形力學特性，一些結構致密的較為堅硬的巖石表現為硬巖的變形力學特性，但隨開采深度的加大，一些較硬的巖石也表現為軟巖的變形力學特性[5]。因此，巖石堅硬程度的度量目前并未有統一的標準，在不同的應用領域有不同的度量參數，如果能取樣測得定量數據，應采用定量的方法，使用最多的是以單軸抗壓強度作為表征參數，對于難以取樣的巖石可定性對堅硬程度進行定級。《中華人民共和國工程巖體分級標準GB50218-94》就采用巖石單軸飽和抗壓強度Rc作為巖石堅硬程度的定量指標，Rc與定性劃分的巖石堅硬程度的對應關系見表1，并定性對2 種硬質巖和2 種軟質巖描述了其鑒定方法和代表性巖石。GB 50007—2011《中華人民共和國建筑地基基礎設計規范》執行與工程巖體分級相同的標準。

表1 Rc 與定性劃分的巖石堅硬程度的對應關系Table 1 Correspondence between Rc and qualitatively classified rock hardness

巖石的硬度定義為巖石抵抗工具侵入的阻力，或者巖石對動態或靜態集中載荷引起局部變形或者破碎的抵抗能力。巖石單軸抗壓強度與巖石硬度有一定聯系，但是又有很大的區別。巖石抗壓強度是巖石整體抵抗外力破壞的能力，而巖石的壓入硬度實際是巖石在多向受壓狀態下產生局部破碎，對于鉆探工程來講，大多數是局部破碎，硬度指標更接近反映鉆進破碎巖石的實質[6]。因此，坑道鉆探工程一直延用普氏硬度系數（以下簡稱f 值）來表示巖石堅固性的大小，f=R/10（R 為單軸極限抗壓強度，MPa）。

在煤系地層，煤層頂底板巖層大多屬于沉積巖類，以泥頁巖、砂巖、灰巖大類最為常見，其中以炭質泥巖、砂質泥巖、泥質砂巖、細砂巖、粉砂巖，石英巖、灰巖等最具代表意義，為了研究不同硬度巖層鉆進方法的需要，將煤礦井下頂底板巖石按照硬度系數劃分為3 類，劃分標準以坑道鉆探工程常用的f 系數為基準參數，煤層頂底板巖石分類表見表2。

2 較硬巖高強PDC 鉆頭回轉鉆進

2.1 回轉鉆進方法

回轉鉆進是煤礦井下最常見、使用最廣泛的鉆孔施工方法，是由液壓鉆機提供動力，在油缸的軸向推進力和回轉器回轉力的共同作用下由鉆桿將二者的合力傳遞到孔底鉆頭破碎巖石的方法。煤礦井下較硬巖回轉鉆進中，在鉆機和鉆桿滿足鉆進要求的情況下，鉆頭是影響鉆進效率最主要的鉆具，鉆進工藝參數的選擇會影響到鉆頭的使用壽命和單個鉆頭的進尺。

表2 煤層頂底板巖石分類表Table 2 Rock classification table of coal seam roof and floor

2.2 回轉鉆進用高強度PDC 鉆頭

考慮較硬巖層的硬度相對較小，開發了三翼圓弧高強PDC 鉆頭，其采用刀翼式結構，能保證每個切削齒具有最佳的工作角度；冠部由三翼構成，刀翼采用拋物線式弧角設計，易于切削齒切入巖石，鉆進效率高；布齒方式為分層錯峰布齒，實現多軌道、分層等體積切削巖石，鉆進阻力小，重復破碎少；鉆頭選用弧面型PDC 切削齒，增加鉆頭體對PDC 的包鑲面積，增強焊接強度，提高鉆頭抗沖擊性，防止崩片或崩齒[7-9]。

2.3 試驗情況及效率分析

該方法在淮南潘一礦進行了試驗，試驗鉆孔在同一組鉆孔內，鉆進地層為較硬砂巖與泥巖互層，與該礦使用的鋼體式三翼內凹PDC 鉆頭和鋼體式四翼內凹PDC 鉆頭進行相比，試驗效率及鉆頭損壞情況見表3。數據分析顯示，采用三翼圓弧高強PDC鉆頭的鉆進效率比三翼內凹PDC 鉆頭提高了1.6倍，單個鉆頭進尺提高了4 倍，比四翼內凹PDC 鉆頭的鉆進效率提高了2 倍，單個鉆頭的進尺提高了8 倍。采用普通三翼內凹PDC 鉆頭和四翼內凹PDC鉆頭試驗時為了盡可能增大鉆進進尺，提出鉆頭時PDC 片崩齒較多，鋼體磨損十分嚴重。

表3 三翼圓弧高強PDC 鉆頭回轉鉆進試驗效率對比Table 3 Rotary drilling efficiency comparison of threewing circular arc high strength PDC bit

通過多組對比試驗，獲得了三翼圓弧高強PDC鉆頭回轉鉆進的最佳推薦工藝參數：回轉壓力9～11 MPa，給進壓力6～8 MPa，轉速110～150 r/min。

3 堅硬巖回轉沖擊鉆進

1）回轉沖擊鉆進方法。回轉沖擊鉆進是煤礦井下為了解決堅硬巖鉆進時遇到的效率低下問題而引進的1 種鉆孔施工方法，該方法是在原普通回轉鉆進的鉆具組合中連接了液動沖擊器，鉆頭在受到鉆桿推進和回轉合力的同時將傳遞來自沖擊器的沖擊功，實現回轉與沖擊聯合破碎巖石。沖擊器宜選用高頻低能量型小口徑沖擊器，鉆進時以回轉鉆進切削為主，輔以沖擊的方式碎巖并提高鉆頭切入巖石的深度，該方法適用于塑性較大的堅硬巖石。

2）小口徑沖擊器。液動沖擊器是利用泥漿泵供給液壓能，直接驅動液動沖擊器的沖錘上下往復運動，并連續不斷地對鉆頭施加沖擊荷載[10-11]，試驗選用的液動沖擊器，配套胎體式圓弧高強PDC 鉆頭。

3）回轉沖擊鉆進試驗及效率分析。該方法在義馬新義煤礦進行試驗，試驗巖層為堅硬硅質泥巖，含黃鐵礦結核，硬度高，較脆，硬度系數13。回轉沖擊鉆進效果對比如下：①回轉沖擊鉆進方法：液動沖擊器＋胎體式圓弧高強PDC 鉆頭，硅質泥巖，平均效率6.55 m/h，水為沖洗介質，施工環境好：②回轉鉆進鉆進方法：三翼內凹鉆頭，硅質泥巖，平均效率0.13 m/h，效率低。可以看出液動沖擊回轉鉆進的效率較普通回轉鉆進提高了50 倍。普通回轉鉆進平均每個鉆孔消耗普通鉆頭4～5 個，回轉沖擊鉆進只需1 個鉆頭。通過對比試驗，液動回轉沖擊鉆進最佳推薦工藝參數：回轉壓力5～8 MPa，給進壓力6～9 MPa，轉速110～150 r/min；流量165 L/min，泵壓3.5 MPa。

4 極硬巖沖擊回轉鉆進

4.1 沖擊回轉鉆進方法

沖擊回轉鉆進是煤礦井下解決極硬巖鉆進效率的1 種鉆進方法，其與回轉沖擊鉆進的鉆具組合相同，但是所選用的沖擊器是高壓沖擊器，需要配備高壓泵或空壓機來提供能量介質，在鉆孔施工時主要靠釬頭的沖擊碎巖，軸向靜壓力主要用來克服鉆機的反彈力。高壓沖擊器有高壓液動沖擊器和氣動沖擊器，一般都配套相應口徑的沖擊釬頭。該方法適用于脆性較大的極硬巖。

4.2 沖擊器

沖擊回轉鉆進的沖擊器有液動或氣動2 種。液動沖擊器以沖洗液作為能量驅動介質，氣動沖擊器以壓縮空氣作為循環動力。

1）高壓液動沖擊器。高壓液動沖擊器是在開路壓力水的作用下產生往復循環，高壓水用來沖洗巖粉，高壓液動沖擊器及沖擊釬頭如圖1。該沖擊器在6 MPa 壓力下啟動，水壓越高，沖擊能量沖擊頻率也越高，水壓范圍要求在6～18 MPa 之間，在額定壓力和流量狀態下的沖擊頻率可以達到70 Hz。

圖1 高壓液動沖擊器及沖擊釬頭Fig.1 High pressure hydraulic impactor and adaptor bit

2）氣動沖擊器。氣動沖擊器是將壓縮空氣的能量通過氣動沖擊器作為中間能量轉換介質作用在孔底的巖石上，通過高頻率的沖擊作用，配合回轉時施加給釬頭的鉆壓和回轉扭矩進行鉆進，即釬頭在沖擊動載和回轉切削共同作用下破碎巖石，并且使用壓縮空氣作為冷卻鉆頭和洗孔介質，將孔底的巖屑攜帶出鉆孔[12-13]。試驗用氣動沖擊器和適配沖擊釬頭如圖2。

圖2 氣動沖擊器和適配沖擊釬頭Fig.2 Pneumatic impactor and adaptor bit

4.3 沖擊回轉鉆進試驗及效率分析

該方法在淮南潘三礦進行了試驗，設計鉆孔為上仰穿層鉆孔，需要穿越30～50 m 的極硬巖，巖性為石英巖，造巖礦物主要以白色石英為主，硅質膠結，呈厚層塊狀結構，硬度系數約為15。試驗時為液動沖擊器配備了1 臺乳化泵站，為其工作提供能量介質，氣動沖擊器適用系統風壓，滿足沖擊器工作需要。沖擊回轉鉆進的鉆進效率見表4，液動沖擊回轉的鉆進效率是普通回轉鉆進的25 倍，氣動沖擊回轉鉆進的鉆進效率是普通回轉鉆進的4 倍。

表4 沖擊回轉鉆進試驗效率對比Table 4 Comparison of efficiency of impact rotary drilling test

通過試驗獲得了液動沖擊回轉鉆進推薦工藝參數：回轉壓力2～3.5 MPa，給進壓力1.3～1.7 MPa，鉆速100 r/min；乳化泵流量200 L/min，壓力14 MPa。氣動沖擊回轉鉆進推薦工藝參數：回轉壓力4 MPa，給進壓力1.5～2 MPa，轉速40 r/min；風量6～8 m3/min，風壓0.6～0.8 MPa。

5 結 語

1）研究形成了一套較系統的煤礦井下硬巖高效鉆進工藝技術，針對不同的巖石類型可以選擇不同的鉆進方法：①較硬巖（4≤f＜8），高強PDC 鉆頭回轉鉆進；②堅硬巖（8≤f＜15），液動回轉沖擊鉆進；③極硬巖（f≥15）液動或氣動沖擊回轉鉆進，并通過大量試驗總結出了相應的最優工藝參數。

2）施工時不能盲目為追求進尺而忽視鉆頭的使用壽命。盲目地增大推進力和回轉力在一定程度上會較明顯地提高鉆進效率，但是鉆頭的壽命相應變短，因此鉆孔施工時要選擇最優的鉆進工藝參數，并根據地層變化做出適當調整使之能滿足施工需要。