全液壓車裝鉆機在集束式潛孔錘反井施工中的應(yīng)用

馮起贈，秦如雷，許本沖，和國磊，趙建勃

(1.中國地質(zhì)科學院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000;2.西安探礦機械廠，陜西 西安 710089)

在煤田礦山等場所常常需要施工通風井、物資輸送井或救援井等非常規(guī)通道。在地下巷道之間的豎直或傾斜聯(lián)絡(luò)通道、煤倉、暗井等工程，由于無法像地面施工井筒那樣布置鉆機、鉆塔等大量設(shè)備，一般要采用反井施工法，即鉆機反打的方法成孔。

1 反井施工工藝簡介

1.1 常規(guī)反井施工工藝

目前煤田礦山領(lǐng)域施工通風井、物資井等通道時，基本均采用反井專用鉆機鉆進。只有少數(shù)情況下，如礦山救援，才會應(yīng)用全液壓動力頭式鉆機進行快速鉆進。

常規(guī)反井專用鉆機采用電機帶動液壓馬達，液壓馬達驅(qū)動水龍頭，并利用液壓動力將扭矩傳遞給鉆具系統(tǒng)，帶動鉆桿及鉆頭旋轉(zhuǎn)，導孔鉆頭或擴孔鉆頭上的滾刀在鉆壓的作用下，沿井底巖石工作面進行切削碎巖。反井鉆機一般采用泥漿正循環(huán)工藝，進行反擴鉆進時應(yīng)用滾刀式擴孔鉆頭。反井鉆機中應(yīng)用較廣泛的是中煤科工集團西安研究院設(shè)計的LM系列鉆機。

常規(guī)反井施工法如圖1所示[1];滾刀擴孔鉆頭見圖2。

圖1 反井施工示意圖

圖2 各種反井擴孔鉆頭

反井施工的一般工藝流程為[2]:

(1)前期進場準備，包括專用供電線纜鋪設(shè)、鉆機基礎(chǔ)澆筑等;

(2)應(yīng)用反井專用鉆機進行導孔施工，導孔孔徑根據(jù)終孔要求確定;

(3)根據(jù)終孔直徑要求確定擴孔次數(shù)，選用合適鉆具;

(4)在巷道內(nèi)換上反井專用的滾刀鉆頭;(5)回拖擴孔;

(6)井筒施工完成，鉆機撤場。

常規(guī)的反井施工方法較為簡單，所用鉆機鉆具均經(jīng)過了多年的實踐檢驗，安全性好。但是有一個問題較為突出，即鉆進效率低下，施工成本高。一般施工單位應(yīng)用常規(guī)反井鉆機施工300 m直徑為700 mm的煤礦通風井工期大約為30天，其中鉆機專用基礎(chǔ)施工、泥漿池施工以及專用供電線路前期鋪設(shè)與后期拆除占用了工期的1/2。而且反井專用鉆機鉆進工藝單一，一般只能使用泥漿正循環(huán)工藝，鉆進效率較低，安全與高效無法兼得。

1.2 集束式潛孔錘反井工藝

集束式潛孔錘反井工藝是將普通潛孔錘反向安裝，并通過一定的配氣機構(gòu)對潛孔錘供氣，使單個錘體之間工作互不影響，而組合起來的一種反式施工鉆頭，一般結(jié)構(gòu)見圖3[3]。集束式潛孔錘反井施工與常規(guī)反井施工基本相同，主要區(qū)別在于集束式潛孔錘施工鉆進速度快、可一次反擴成孔，不需冷卻水等。集束潛孔錘工作時，錘體中氣流流向見圖3。

圖3 反井專用集束式潛孔錘

集束式潛孔錘反井工藝與常規(guī)反井施工工藝以及常規(guī)大直徑潛孔錘鉆進工藝有著很大區(qū)別，因而對鉆機的要求也不相同，在施工中要根據(jù)具體條件選擇合適的鉆機，這樣才能把各種工藝的優(yōu)勢發(fā)揮出來。根據(jù)相關(guān)文獻和集束式潛孔錘反井施工經(jīng)驗，將這3種工藝對鉆進參數(shù)的具體要求羅列于表1[4～6]。

表1 鉆進參數(shù)對比

2 SDC1500型全液壓車裝鉆機的主要特點

SDC1500型全液壓鉆機是我所研制的主要用于大口徑水井、煤層氣抽采井、淺層油氣井、礦山救援井等鉆井施工的車載鉆機。可采用泥漿鉆進、空氣鉆進、氣舉反循環(huán)鉆進、跟管鉆進等鉆進工藝，針對不同地層采用不同鉆進工藝達到快速鉆進的目的。該鉆機轉(zhuǎn)速0～130 r/min無級可調(diào)，扭矩0～16 kN·m無級可調(diào)，提升速度0～0.6 m/s無級可調(diào)，提升力0～600 kN無級可調(diào)，非常適用于全新工藝探索類的工程施工。該鉆機配備空氣管路、泥漿管路和泡沫管路，管路之間可通過三通閥門切換，在工作中方便不同鉆進工藝的轉(zhuǎn)換。設(shè)置有輔助液壓動力鉗、液壓卸扣鉗、氣動卡瓦、傳扭提引器等輔助工具，方便提下各種鉆具，可做到最快單根鉆具提下時間1 min，平均1.3 min左右。鉆機外形見圖4。

圖4 SDC1500型全液壓車裝鉆機

鉆機主要參數(shù)為:提升力0～700 kN;扭矩0～16000 N·m;提升速度0～0.6 m/s;轉(zhuǎn)速0～130 r/min;動力頭行程14 m;最大鉆孔直徑711 mm。

3 全液壓車裝鉆機配套集束式潛孔錘反井施工工藝

3.1 工程概述

在陜西煤田地質(zhì)局139隊承接的位于內(nèi)蒙古自治區(qū)準格爾煤田西南部黃玉川煤礦大直徑排水井工程中，該隊技術(shù)人員大膽創(chuàng)新，提出了一種應(yīng)用“全液壓多功能鉆機配套反井專用集束式潛孔錘”的新型反井施工工藝。

該工藝設(shè)計施工順序為:首先應(yīng)用刮刀鉆頭開孔，在孔口下入孔口套管導正，之后應(yīng)用氣動潛孔錘打先導孔，最后應(yīng)用集束式氣動潛孔錘反打擴孔，鉆孔施工完畢進行孔內(nèi)清渣及支護。

該工藝具有以下優(yōu)勢:

(1)鉆進均采用空氣沖擊回轉(zhuǎn)鉆進，施工效率較泥漿正循環(huán)工藝能夠提高40%以上;

(2)車裝全液壓鉆機無需鋪設(shè)基礎(chǔ)、集束潛孔錘沖擊功率高，可以一次反擴成孔;

(3)車裝全液壓鉆機可配套9.7 m長鉆桿，可減少施工輔助時間，提高純鉆效率;

(4)施工過程全程在井上地面完成，操作安全、作業(yè)環(huán)境好。

3.2 配備設(shè)備

施工氣源由2臺壽力900XH型空壓機提供。該空壓機公稱容積流量25.5 m3/min，額定排氣壓力2.41 MPa，額定功率280 kW。

由于采用空氣沖擊回轉(zhuǎn)鉆進工藝，本次反井施工沒有開挖泥漿池等輔助設(shè)施。其中700 mm反井專用集束式潛孔錘是為配合反井施工最新研制，首次應(yīng)用于現(xiàn)場施工。集束式潛孔錘分2種，一種由3個8 in氣動潛孔錘組成，另一種由5個8 in氣動潛孔錘組成，沖擊功最大可達500 J。

3.3 施工情況

本反井項目所在地為黃玉川煤礦主井東側(cè)100 m處，地質(zhì)構(gòu)造簡單，設(shè)計鉆遇地層較為軟弱。本井設(shè)計終孔直徑700 mm，終孔深度340 m，預(yù)計工期35天，主要用于臨時通風、排水和緊急情況下的快速救援通道。

SDC1500型車裝鉆機進場前無需鋪裝基礎(chǔ)，無需開挖泥漿池。鉆機進場后進行了3天的鉆具配合試驗和操作培訓。于2013年8月9日正式開工鉆進先導孔，8月20日更換集束式潛孔錘開始進行反井施工，集束式潛孔錘于8月22日凌晨2點出地面，標志著本次反井工程順利完工。本次施工共用時13天，較預(yù)計工期提高60%(節(jié)約22天)以上。圖5、圖6為施工現(xiàn)場。

圖5 鉆機進場就位

圖6 集束錘擴孔結(jié)束

由于初次應(yīng)用全液壓多功能鉆機配套反井專用集束式潛孔錘組合形式，施工初期無法確定合理的鉆進參數(shù)，因此在施工中不斷地進行摸索。反井擴孔時根據(jù)錘體、空壓機和鉆機不同的參數(shù)，設(shè)置了幾組不同的試驗參數(shù)，以選擇最佳鉆進參數(shù)組合。在選取空壓機參數(shù)時，首選了低壓供氣以保證不引起錘體共振和破壞巷道內(nèi)工作環(huán)境。不同試驗組別鉆進參數(shù)及應(yīng)用效果見表2。

根據(jù)選取的幾組試驗數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場試驗情況，確定了應(yīng)用5頭式集束錘，單臺空壓機工作狀態(tài)選定為25.5 m3@0.85 MPa(此處為單臺空壓機的參數(shù)，實際施工是2臺空壓機，所用參數(shù)即為表2中的第五組數(shù)據(jù))，鉆機提升力略大于G+2 t的鉆進工藝(G為鉆具總重，本次施工鉆具長340 m，采用127 mm石油鉆桿，單根長約9 m，單根質(zhì)量0.3 t;集束錘質(zhì)量2 t，鉆具總質(zhì)量13 t)，此時潛孔錘引起鉆機的共振較小，同時鉆進效率較高。

4 施工效果及結(jié)論

(1)鉆機滿足精確控制的要求(轉(zhuǎn)速精確控制，無級可調(diào)與地層和鉆機參數(shù)匹配;提升力精確可控，無級可調(diào)與地層和鉆機參數(shù)匹配;提升速度精確可控，無級可調(diào)與地層和鉆機參數(shù)匹配)。

表2 鉆進參數(shù)試驗統(tǒng)計

(2)鉆機設(shè)有可調(diào)緩沖機構(gòu)，防止大功率沖擊對鉆機的損壞，試驗證明采用高壓氮氣緩沖機構(gòu)用用效果很好，滿足大沖擊功潛孔錘施工要求。

(3)先導孔施工注意控制鉆進速度，以10～20 m/h為好，嚴防快打造成井斜。

(4)液壓鉆機配套集束潛孔錘反井工藝是新工藝，在鉆具結(jié)構(gòu)、鉆具配套上有進一步的探索空間。

(5)潛孔錘反井工藝可用于多層巷道孔施工，避免工人的井下勞作。

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