基于單柱齒破巖過程的高壓液動沖擊回轉鉆進試驗研究

豆旭謙，姚寧平，李秀山，王 力，張 凱，魏宏超

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工西安研究院(集團)有限公司，陜西 西安 710077；3.淮南礦業(集團)有限責任公司地質勘探工程分公司，安徽 淮南 232052)

穿層鉆孔是煤礦井下瓦斯、水害防治的主要技術手段之一[1-3]，我國一些礦區在井下施工穿層鉆孔時會鉆遇硬巖，存在鉆進效率降低、鉆頭損壞加快的問題，影響礦井安全高效生產，增加煤炭生產的成本[4-5]。為了攻克煤礦井下穿層鉆孔硬巖鉆進效率低的問題，目前沖擊回轉鉆進方法是行之有效的手段[6-8]。沖擊回轉鉆進方法的特點是鉆壓低、轉速低、沖擊頻率高，在堅硬脆性巖石地層中鉆進，具有鉆進效率高、鉆頭磨損慢和鉆孔保直性好等優點。沖擊回轉鉆進驅動方式有氣動和液動2 種，氣動沖擊回轉鉆進已在我國一些礦區井下進行了試驗并取得了良好的推廣應用效果[9-10]，在氣動沖擊回轉鉆進沖擊器結構及鉆進工藝參數的優化方面做了大量的研究工作[11-13]；液動沖擊回轉鉆進需要孔內安裝高壓液動沖擊器，吉林大學研制出了高能射流式沖擊器[14]，首次在花崗巖中進行了鉆進試驗，機械鉆速有了顯著提高；并隨后在河南煤業化工集團焦煤公司趙固一礦井下灰巖地層中進行了試驗，鉆速較常規PDC 鉆頭回轉鉆進提高了2.5～3 倍[15]；國外高壓液動沖擊器效能較好的有瑞典的Wassara 高壓液動沖擊器，該沖擊器在國內煤礦井下進行了初步試驗[16]，但是由于只試驗了1 只鉆頭，且進尺量較少，未充分研究該高壓液動沖擊器的工作特性、裝備配套和工藝適用性。

研究在煤礦井下環境使用Wassara 沖擊器，獲得高壓液動沖擊回轉鉆進的鉆具、裝備配套和工藝參數，可提高煤礦井下超硬巖層鉆進效率，改善鉆場的工作環境。因此，筆者對Wassara 高壓液動沖擊回轉鉆進技術在煤礦井下的應用做了較系統的研究和總結。分析單柱齒破碎坑形態和破巖過程，以期指導高壓液動沖擊回轉鉆進工藝參數的選擇，優選主要設備和鉆具，并在淮南潘三礦進行試驗研究，得到高壓液動沖擊回轉鉆進機械鉆速，分析機械鉆速與主要技術參數之間的關系。

1 高壓液動沖擊回轉鉆進技術

1.1 高壓液動沖擊器

高壓液動沖擊器[17]是一種利用高壓清水作為能量介質的孔底輔助碎巖鉆具，通常配套專用鉆頭，工作時需要清水的壓力較高，一般在10 MPa 以上。Wassara 沖擊器主要由殼體、沖擊活塞、配流閥總成、過濾器、上下連接接頭等組成。Wassara 系列高壓液動沖擊器直接安裝在專用鉆頭后部，采用的清水驅動壓力可達到18 MPa，其優點為沖擊功大、沖擊頻率高、能量利用率高、碎巖效率高和對環境污染小等。但其對工作環境的要求高，要求清水的過濾精度不低于50 μm，清水中的最大固相質量濃度不大于50 mg/L。由于所需清水的壓力高，需要配套專用高壓清水泵，對清水泵的性能要求較高。另外，由于沖擊器的沖擊功大、頻率高，配套的鉆機和鉆具容易損傷，需要及時維護保養。

1.2 沖擊回轉鉆進機理

沖擊回轉鉆進較好地綜合了沖擊鉆進和回轉鉆進的特點，鉆進時鉆頭在承受一定靜荷載的基礎上，通過縱向沖擊力和回轉切削力共同破碎巖石，是一種以沖擊為主、回轉為輔的鉆進方法，主要靠專用鉆頭沖擊碎巖，軸向靜壓力主要用來克服沖擊產生的反彈力[16]。沖擊荷載碎巖的特點是接觸應力瞬間可達到極高值，應力比較集中，所以盡管巖石的動硬度比靜硬度大，仍易產生裂紋，而且巖石的脆性愈大，沖擊速度愈高，硬巖的裂隙發育愈顯著，鉆進效果越好。因此，沖擊回轉鉆進用較小的沖擊能，就可以破碎堅硬的巖石，一般適用于脆性的堅硬巖石地層[18]。

沖擊回轉碎巖過程中，鉆頭受軸向靜壓力、沖擊力和回轉力矩共同作用，靜壓力使鉆頭與巖石緊密接觸并克服反彈力，使堅硬巖石產生彈性變形，將沖擊功有效地傳遞給巖石；沖擊力對巖石破碎產生更大的作用，巖石在沖擊脈沖作用下發生體積破碎，產生局部崩解；回轉力矩可使鉆頭在沖擊碎巖的同時還有切削碎巖的作用，鉆具的回轉能夠變換鉆頭沖擊齒的沖擊位置，在移動中產生回轉力矩將裂隙發育的“巖脊”剪切掉。

2 柱齒破巖過程和工藝參數分析

2.1 破碎坑形態分析

沖擊回轉鉆進中，主要依靠沖擊荷載沖擊孔底巖石形成破碎坑，部分沖擊能量傳遞到破碎坑周圍巖體，產生裂隙和振動，周圍巖體弱化，強度降低。蔡燦等[19]根據前人建立的物理模擬沖擊試驗，通過觀察破碎坑的形貌圖，認為破碎坑近似圓形向外部擴展，將破碎坑劃分為：密實區、開裂區和彈性區。朱海燕等[20]建立有限元數值模型，通過仿真計算分析，將單牙齒破碎坑分為破碎區、裂紋擴展區、損傷區和彈性區。沖擊回轉鉆進方法中鉆頭為球形或者錐形的柱齒，鉆進的巖層通常為非常堅硬的脆性巖石。因此，在前述學者分區的基礎上，從更符合沖擊碎巖現象和力學本質角度，基于連續破巖過程理論分析，將柱齒在沖擊荷載下的破碎坑的形態劃分為崩解區、密實區、開裂區和彈性區4 個區域，模型如圖1 所示。

圖1 柱齒沖擊破碎坑分區模型Fig.1 Partition model of crushing pit in column tooth

崩解區：鉆頭在鉆柱推進力作用下與孔底巖石接觸，施加預緊力，巖石產生彈性形變。當柱齒被施加瞬時沖擊力后，能夠侵入巖石，迫使侵入部分巖體發生崩解，產生體積破碎。碎裂的巖屑沿柱齒表面向自由空間散射，所形成的由柱齒侵入部分占據的空間為崩解區，崩解區的存在是沖擊回轉鉆進能夠實現沖擊碎巖的基礎。

密實區：崩解區向外擴展的局部區域，由于受到瞬時沖擊力的作用，貼在柱齒表面的巖石呈細粉末態向周圍巖石浸透，使周圍巖石內部結構出現形變，產生擠密效應。

開裂區：該區域的巖體由于受到瞬時沖擊力的作用，巖石的原生裂隙在沖擊波的作用下進一步擴展，并在集中應力作用下形成一些新的裂隙，降低了區域內巖石的強度。

彈性區：沖擊波的能量在巖石內傳遞的過程中發生衰減，使該區域內的巖石產生彈性形變，并在瞬時沖擊完成后，巖石恢復至原狀態。

2.2 連續破巖過程分析

沖擊回轉鉆進中，柱齒的“預緊-沖擊-回轉-沖擊-回轉”實現了對孔底巖石的破碎，研究單柱齒連續2 次沖擊破巖的過程，進行鉆進工藝參數的優化，是提高沖擊回轉鉆進效率的基礎。由于沖擊回轉鉆進方法中沖擊器的沖擊頻率非常高，2 次沖擊間隔的時間很短，在進行連續沖擊破巖過程分析中，為了簡化分析，將2 次沖擊之間的弧線段等效成直線。鉆進過程中，在沖擊器沖擊頻率一定的情況下，鉆機轉速的高低可導致柱齒在連續破巖過程中，出現大間隔沖擊和小間隔沖擊2 種情況。

如圖2a 所示，在大間隔沖擊情況下，2 次沖擊之間的間隔距離為TB，在T點沖擊之后，形成以T點為中心的破碎坑，中間為崩解區，向外擴展為密實區和開裂區。當柱齒按圖示方向運動時，鉆頭的回轉轉矩將使柱齒給密實區巖體施加剪切力，在剪切力的作用下，密實區產生剪切滑移，并向前推進至開裂區。由于沖擊間隔中縱向沖擊力的缺失，預緊力不足以克服巖石抵抗繼續壓入的向上的阻力，在回轉力的作用下產生一部分剪切破碎的同時，將迫使柱齒逐漸向后縮退，形成弧形的TA段，至彈性區內點A將不再會產生剪切破碎，而是產生表面研磨，并在運動至點B時進行了第二次沖擊。由于沖擊間隔較大，將出現如圖紅色線圈區域所示的“巖脊”。

圖2 連續沖擊破巖過程Fig.2 Schematic diagram of the continuous rock-breaking process

如圖2b 所示，在小間隔沖擊情況下，2 次沖擊之間的沖擊間隔為TB'，TA段的剪切滑移階段與圖2a 相同，表面研磨運動至B'點時，進行了第二次沖擊。B'點的位置在T點沖擊的開裂區之外，但在柱齒B'位置侵入過程中，靠近T側密實區和開裂區的巖體已被滑移剪切掉一部分，另外一部分受第一次沖擊的影響強度降低，并在B'位置的沖擊荷載下完全崩解，2 次沖擊間隔之間將不會出現圖2a 所示“巖脊”。

圖2 所示的2 種情況將對沖擊回轉鉆進方法的碎巖效率產生較大影響，柱齒瞬間沖擊力的大小直接影響破碎坑的形態；鉆柱推進力影響柱齒的預緊力，并與回轉轉矩一起決定了滑移剪切碎巖能力；沖擊間隔的大小取決于沖擊器的沖擊頻率和鉆頭的轉速。

2.3 基于破巖過程的工藝參數討論

1)清水流量和壓力

Wassara 高壓液動沖擊器的啟動壓力為6 MPa，推薦高效工作壓力為18 MPa。沖擊器規格不同所需流量也不同，對某一規格的沖擊器，隨著沖擊器使用時間加長，相同工作壓力條件下，沖擊器所需的流量會變大，這主要是由于沖擊器內部閥和活塞的磨損，導致泄漏量增大。實際應用時，首先要保證滿足沖擊器的設計壓力和流量要求，才能保證沖擊器產生相應較高的沖擊能量和沖擊頻率。

2)鉆機給進壓力

鉆機的給進壓力使鉆頭與孔底緊密接觸并克服沖擊反彈力，鉆機液壓缸的推進力計算公式為：

式中：FL為液壓缸推進力，N；D為液壓缸直徑，mm；d為液壓缸活塞桿直徑，mm；Δp為 給進壓差，MPa；η為總傳動效率，取0.85。

根據試驗選用的ZDY4000LPS 鉆機推進液壓缸參數，考慮鉆孔深度逐漸增大以及鉆進過程中鉆桿自重，取高壓液動沖擊器鉆進段鉆桿自重影響推進力的范圍為0～8 kN；根據煤礦井下試驗條件，優選Wassara 80(W80)型沖擊器進行試驗，其推薦的推進力為10 kN。通過式(1)計算獲得的鉆機給進壓力為2.0～3.6MPa，因此，在開孔后鉆進時，鉆機給進壓力要求大于2.0 MPa，隨著鉆孔孔深的增大，應逐漸均勻增加給進壓力，但不宜超過3.6 MPa。

3)鉆機轉速

根據前述連續破巖過程分析，鉆機的轉速提供了鉆頭柱齒在孔底沖擊面上沖擊位置的移動，轉速過高會使柱齒2 次沖擊之間的“巖脊”過大，在回轉力的作用下“巖脊”不易剪切掉，未能實現高效碎巖，會降低沖擊回轉鉆進效率；轉速過低，會使柱齒2 次沖擊之間轉過的間隔太小，出現重復破碎，導致鉆頭柱齒磨損過快，降低鉆頭的使用壽命。鉆機轉速可按下式進行計算：

式中：S為柱齒2 次沖擊之間的間隔距離，mm；n為鉆機轉速，r/min；r為柱齒中心與鉆頭中心的距離(柱齒中心距)，mm；f為沖擊器的沖擊頻率，Hz。

Wassara 高壓液動沖擊器沖擊頻率非常高，通常在60 Hz 左右，鉆機的轉速應與沖擊器的沖擊頻率相適應。由于在大間隔沖擊破碎情況下形成“巖脊”，會降低沖擊破巖的效果。假設為小間隔沖擊，2 次沖擊密實區相鄰，單次沖擊破碎坑直徑為柱齒直徑的一半，為5 mm，確定柱齒2 次沖擊的間隔距離S為5 mm，f=60 Hz，根據式(2)計算不同柱齒中心距所需鉆機最優轉速(表1)。

表1 不同柱齒中心距所需鉆機最優轉速Table 1 Optimal speed of the column tooth at different radius positions

從表1 可以看出，在相同的沖擊頻率下，不同柱齒中心距所需要的最優轉速各異，綜合考慮鉆頭靠外和靠內柱齒的布齒結構，平衡鉆頭面上靠內柱齒的磨損和靠外柱齒剪切需要，可取鉆機的轉速為80 r/min。

3 試驗設備和鉆具優選

3.1 鉆 機

試驗優選了中煤科工西安研究院(集團)有限公司研制的硬巖沖擊回轉鉆進專用ZDY4000LPS 雙速全液壓鉆機，該鉆機具有動力頭回轉轉速高低雙速調節功能，低速檔轉速為20～60 r/min，高速檔轉速為60～120 r/min，可適應不同介質類型沖擊回轉鉆進的需要，在硬巖鉆孔工程中可方便及時切換轉速檔位，鉆機如圖3 所示，主要技術參數見表2。

表2 鉆機主要技術參數Table 2 Main technical parameters of the drilling rig

圖3 硬巖專用ZDY4000LPS 鉆機Fig.3 ZDY4000LPS drilling rig for hard rock

3.2 高壓液動沖擊器與鉆桿

根據淮南潘三煤礦穿層鉆孔設計、鉆具級配方案以及井下試驗環境條件，試驗優選W80 型高壓液動沖擊器，沖擊器實物如圖4 所示，主要技術參數見表3，沖擊器外徑為91 mm。鉆桿選用外徑為73 mm 的高壓密封鉆桿，鉆桿接頭處安裝有“O”型密封圈，避免沖擊器在高壓狀態下鉆桿接頭處產生泄漏，造成較大的壓力損失，影響沖擊器效能的發揮。

表3 W80 型高壓液動沖擊器主要技術參數Table 3 Main technical parameters of the W80 high-pressure hydraulic impactor

圖4 W80 型高壓液動沖擊器Fig.4 W80 high-pressure hydraulic impactor

3.3 鉆頭與單向閥

根據前期試驗的經驗，由于硬巖的研磨性高，鉆進過程中易造成鉆頭縮徑，縮徑后鉆頭外徑接近沖擊器外徑，造成沖擊器外壁與鉆孔孔壁產生摩擦，損壞沖擊器。為避免上述情況，優選鉆頭直徑為102 mm 的沖擊鉆頭，沖擊器外徑與鉆頭之間的級差為11 mm，鉆頭如圖5 所示。同時，為避免不工作時巖屑和污水反流進入沖擊器，需在沖擊器與鉆桿之間安裝單向閥，單向閥如圖6 所示。

圖5 W80 型沖擊器專用鉆頭Fig.5 Drilling bit of W80 impactor

圖6 W80 型沖擊器專用單向閥Fig.6 Check valve of W80 impactor

3.4 清水泵站

W80 型高壓液動沖擊器推薦的流量為70～270 L/min，根據沖擊器工作性能及現場條件，優選了BQWL200/31.5-XQ200/12 型清水泵站，該泵站流量為200 L/min，最高可提供31.5 MPa 壓力的清水，在使用時可根據需要進行調節，泵站清水過濾精度為630 μm，為了達到沖擊器的過濾要求，需在泵站清水出口增加一級過濾器。

4 試驗及結果分析

4.1 試驗區概況

在淮南潘三煤礦進行試驗，地點位于2121(1)運輸巷(西)瓦斯綜合治理巷，上覆煤層為12 煤和13-1 煤，巷頂距離13-1 煤底板為32.3～59.6 m。試驗鉆場位于該巷道31 號鉆場，巷道剖面和巖性柱狀圖顯示，該位置巷道位于平均厚度為16.2 m 砂質泥巖底部，向上依次為平均厚度4.8 m 的粉砂巖、23.4 m 石英砂巖、8.2 m砂質泥巖、4 m 花斑泥巖、1.95 m 砂質泥巖，上覆為0.5 m 的12 煤，12 煤與13-1 煤之間為3.35 m 的砂質泥巖。試驗前在該巷道7-3-4 號鉆孔進行取心，巖心力學性質測試可知，巷道頂部石英砂巖平均單軸抗壓強度最大，為111 MPa，堅固性系數為11.1，屬于脆性堅硬巖石。

4.2 鉆進工藝流程及鉆孔設計

鉆進工藝流程：首先使用“?113 mm PDC 鉆頭+?73 mm 高壓密封鉆桿+送水器”鉆具組合回轉鉆進開孔0.5 m 深；然后使用“?102 mm 鉆頭+?91 mm高壓液動沖擊器+單向閥+變徑接手+?73 mm 高壓密封鉆桿+送水器”鉆具組合沖擊回轉鉆進；最后鉆穿硬巖層段后，換用“?94 mm PDC 鉆頭+?73 mm 高壓密封鉆桿+送水器”鉆具組合穿煤，回轉鉆進至設計孔深，提鉆終孔。

由于鉆孔設計傾角和方位的不同，沖擊回轉鉆進穿過硬巖層段的長度也不相同，傾角較大鉆孔需要穿過的硬巖層段短，傾角較小鉆孔需要穿過的硬巖層段長，31 號鉆場試驗鉆孔設計傾角為35°～55°。

4.3 鉆進試驗及分析

由于高壓液動沖擊器的工作壓力較大，為了保證施工的安全，試驗對清水泵的壓力進行控制，從較低壓力起步，設定10 MPa 壓力聯合調試鉆進系統的安全性，并逐漸增大清水壓力至18 MPa 進行高壓下的試驗；另一方面能夠根據機械鉆速數據對比不同清水壓力下沖擊器的工作能力。根據前述鉆機推進力和轉速的討論，試驗時采用的鉆機給進壓力為2.0～3.6 MPa，鉆機轉速為80 r/min，清水的流量為200 L/min，鉆孔機械鉆速試驗數據統計見表4。

表4 試驗鉆孔機械鉆速Table 4 Rate of penetration of the test drilling boreholes

根據試驗方案，清水泵的泵壓由10 MPa 逐漸提高到18 MPa，5-7 號鉆孔采用18 MPa 試驗時，清水泵出口的接頭炸裂。因此，考慮到連接件耐壓能力，后期清水壓力控制在15 MPa 以下進行試驗。根據表4 試驗鉆孔機械鉆速數據統計結果可知，在10 MPa 和12 MPa 水壓下，高壓液動沖擊器的鉆進效率還未完全發揮，機械鉆速均未超過20 m/h，最大為18.46 m/h。將壓力提高到15 MPa 后，高壓液動沖擊器達到了相對理想的工作工況，5-9 號鉆孔，鉆進進尺63 m，完全穿越硬巖層段，機械鉆速達到27.94 m/h。試驗中5-8號孔的機械鉆速最高，為32.17 m/h，該孔進尺為33 m，由于孔內事故未完全穿越硬巖層段。整體來看，沖擊器在15 MPa 及以上的水壓條件下，除5-6 號鉆孔孔內破碎影響機械鉆速為19.11 m/h 外，其他鉆孔的機械鉆速都在20 m/h 以上，7 個鉆孔的平均機械鉆速為24.67 m/h，與采用該技術之前8.48 m/h 的機械鉆速相比提高了約1.9 倍。

W80 型高壓液動沖擊器在18 MPa 清水壓力下的試驗數據僅有5-7 號鉆孔，其機械鉆速為26.32 m/h，與15 MPa 清水壓力下的機械鉆速相比沒有表現出顯著的優勢，因此，認為W80 型沖擊器在清水壓力在15 MPa 的情況下，即已達到相對理想的工作性能。同時，考慮到高壓力下鉆孔施工工程的安全性，在施工過程中無需將清水壓力提高到18 MPa。

4.4 水壓與鉆速的關系

通過試驗數據，采用一元線性回歸可擬合得到水壓與機械鉆速的關系曲線，如圖7 所示，回歸分析結果見表5。機械鉆速反映了沖擊器在不同工況下的鉆進效率，由圖7 可知，剔除9-2 號鉆孔泵壓不穩和5-8 號鉆孔未穿過硬巖段2 個異常值的影響，鉆機轉速固定為80 r/min，清水泵的流量為200 L/min 時，機械鉆速與水壓近似呈線性關系，隨著水壓的增大而線性增大。對回歸進行顯著性檢驗，取置信度α=0.05，自由度為(1,7)，查表得：F0.05(1,7)=5.59，計算得到的F=8.82＞F0.05(1,7)，相關性顯著，回歸模型成立。

圖7 水壓與機械鉆速關系Fig.7 Relationship between water pressure and rate of penetration

表5 回歸結果Table 5 Regression results

5 結論

a.針對高壓液動沖擊回轉鉆進技術，總結了Wassara 高壓液動沖擊器的主要特點，基于鉆進機理，分析了柱齒在沖擊荷載下形成的破碎坑的形態，并將其劃分為崩解區、密實區、開裂區和彈性區，對柱齒連續破巖的大間隔沖擊和小間隔沖擊2 種情況進行了過程分析，并與現場試驗設備鉆具結合優選了高壓液動沖擊回轉鉆進工藝參數。

b.根據淮南潘三礦的試驗方案和環境條件，優選了鉆進配套ZDY4000LPS 硬巖專用雙速鉆機、W80型高壓液動沖擊器、高壓密封鉆桿、專用鉆頭和BQWL200/31.5-XQ200/12 型清水泵站。

c.在淮南潘三礦2 121(1)運輸巷(西)瓦斯綜合治理巷進行了現場試驗，試驗結果表明：當清水壓力在15 MPa 以上時，高壓液動沖擊回轉鉆進的平均機械鉆速為24.67 m/h，與采用該技術之前8.48 m/h 的機械鉆速相比提高了約1.9 倍；且機械鉆速與水壓成正比關系。

d.在現場試驗時將鉆機轉速固定為80 r/min，ZDY4000LPS 鉆機的給進壓力推薦為2.0～3.6 MPa，清水泵的流量為200 L/min。由于試驗用高壓液動沖擊器和鉆頭的限制，僅對清水壓力參數的影響進行了對比試驗，后續可進一步對鉆機轉速、給進壓力等參數進行對比試驗研究。