空氣(泡沫)潛孔錘鉆進(jìn)工藝在王家?guī)X煤礦緊急避險孔中的應(yīng)用

趙福森，譚家政，楊 晨，張 凱

(中國煤炭地質(zhì)總局第一水文地質(zhì)隊，河北邯鄲056000)

0 引言

2012年初我隊受王家?guī)X煤礦委托，負(fù)責(zé)設(shè)計施工王家?guī)X煤礦某盤區(qū)緊急避險孔，用于連通地面和井下避難硐室，為發(fā)生礦難時井下避難人員持續(xù)地輸送氧氣、實現(xiàn)通訊，爭取寶貴的救援時間。鉆孔設(shè)計孔深322 m，工期40 d，孔底水平位移＜0.5 m，終孔口徑300 mm。該工程鉆孔垂直度要求高、工期緊，常規(guī)泥漿回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝機械鉆速低、地層漏失、堵漏時間長、工期長、井斜不易控制;空氣(泡沫)潛孔錘鉆進(jìn)工藝可有效預(yù)防鉆孔偏斜，且具有較高的機械鉆速。我隊采用空氣(泡沫)潛孔錘鉆進(jìn)工藝施工，提前向礦方交付了優(yōu)良工程。

1 地層概況

第四系(Q)地層上部為黃土，下部為亞粘土、粘土、亞砂土，局部夾鈣質(zhì)結(jié)核層及礫石層?；鶐r地層由二疊系(P)上石盒子組(P2s)、下石盒子組(P1x)，山西組(P1s)組成。上石盒子組巖性主要為砂巖、粉砂巖、泥巖及砂質(zhì)泥巖，下石盒子組巖性主要以砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，含中—細(xì)粒石英砂巖。山西組巖性主要由粉砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖及煤層組成。

2 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)圖

3 空氣(泡沫)潛孔錘鉆進(jìn)工藝原理

空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝是以壓縮空氣為動力，通過地面管匯和鉆柱，驅(qū)動潛孔錘以沖擊方式碎巖，同時鉆機轉(zhuǎn)盤低速回轉(zhuǎn)，帶動鉆頭以剪切方式碎巖，并利用壓縮空氣經(jīng)環(huán)狀空間將孔底巖屑攜帶地表的鉆進(jìn)方法。空氣泡沫潛孔錘鉆進(jìn)工藝是將大量的氣體分散在少量含起泡劑的液體中作為循環(huán)介質(zhì)，介質(zhì)的循環(huán)與空氣潛孔錘鉆進(jìn)相同。該工藝?yán)脷馀蓍g的相互作用，提高了懸浮、攜帶、捕塵能力和穩(wěn)定地層的能力。

4 設(shè)備與鉆具選擇

設(shè)備與鉆具根據(jù)工程要求和現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行選擇，主要設(shè)備與鉆具有:GZ－2000型鉆機，ZT－22m型鉆塔，DLQ1250XHH/1525XH型空壓機，SSC－35、SDC－45型測斜儀，6135－190HP型柴油機，TH220型潛孔錘，泡沫泵，攪拌機，203 mm鉆鋌，121 mm無磁鉆鋌，127 mm鉆桿，300 mm鉆頭。

4．1 空壓機

本工程鉆孔設(shè)計孔深322 m，終孔口徑300 mm，選用DLQ1250XHH/1525XH型空壓機，空氣上返速度達(dá)到12.42 m/s，風(fēng)速、風(fēng)量、風(fēng)壓基本滿足空氣(泡沫)潛孔錘鉆進(jìn)施工要求。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

空壓機的“低壓”、“高壓”工況可根據(jù)孔內(nèi)背壓情況自動轉(zhuǎn)換，“低壓”負(fù)載運行工況時全風(fēng)量為43.2 m3/min，“高壓”負(fù)載運行工況全風(fēng)量時為35.4 m3/min。

表1 空壓機主要技術(shù)參數(shù)

4．2 潛孔錘

TH220型潛孔錘是以高壓空氣為動力的新型無閥沖擊器，具有沖擊能大、穿孔速度快、使用壽命長等優(yōu)點，可在干式捕塵條件下作業(yè)，也可用于風(fēng)水混合條件下的濕式作業(yè)。主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 潛孔錘技術(shù)參數(shù)

4．3 潛孔鉆頭

該孔鉆進(jìn)地層為煤系地層，潛孔錘鉆頭優(yōu)選凹面球齒型(見圖2)。該類型鉆頭有一個向內(nèi)凹的錐形面，能減少地面設(shè)備震動和保持鉆孔垂直度，適用于軟和較硬巖層，井斜控制能力好。

圖2 凹面球齒型鉆頭

4．4 測斜設(shè)備

有線隨鉆測斜儀SSC－35，電子單多點測斜儀SDC－45，儀器井斜角精度為±0.2°，方位角精度為±5°，配無磁鉆鋌使用。

5 施工工藝流程

根據(jù)緊急避險孔的設(shè)計要求，采取泥漿鉆進(jìn)工藝與空氣(泡沫)潛孔錘鉆進(jìn)工藝相結(jié)合的方式，并用SDC－45型電子單多點測斜儀測量井眼軌跡，如有偏斜，使用SSC－35型有線隨鉆測斜儀進(jìn)行糾偏。施工工藝流程如圖3所示。

圖3 施工工藝流程

6 施工工藝

6．1 試壓

設(shè)備安裝和鉆具連接完畢后應(yīng)進(jìn)行試壓，確保高壓管匯及鉆具連接處密封。

6．2 潛孔錘試運轉(zhuǎn)

試壓工作完畢后接上潛孔錘，在孔口開機供風(fēng)，檢查沖擊器的工作狀態(tài)，正常工作方可下入孔內(nèi)。操作時使用鐵板蓋住孔口，水平放置一塊厚木板，將潛孔錘豎立放置在木板上供風(fēng)進(jìn)行試運轉(zhuǎn)，確保潛孔錘可正常工作。

6．3 鉆具組合

6．4 鉆進(jìn)參數(shù)

根據(jù)水文資料，該區(qū)域地層涌水量較小，因此施工時選用“低壓、高風(fēng)量”工況。

鉆進(jìn)參數(shù)為:風(fēng)量43.2 m3/min，風(fēng)壓17～24 bar(1.7～2.4 MPa)，轉(zhuǎn)速45 r/min，鉆壓15～20 kN。

泡沫灌注量30 L/min;ABS泡沫劑濃度0.3%～0.5%?？諝?泡沫)潛孔錘鉆進(jìn)上返風(fēng)速可根據(jù)公式(1)計算，K值取為1。在風(fēng)量為43.2 m3/min時300 mm鉆孔口徑環(huán)空上返風(fēng)速為12.42 m/s，雖未達(dá)到一般推薦15 m/s的最低上返風(fēng)速，但根據(jù)以往施工經(jīng)驗，在地層涌水量較小，背壓不大的條件下，孔深350 m以淺排渣效果亦能達(dá)到要求。

式中:V——上返風(fēng)速，m/s;Q——送風(fēng)量，m3/min;K——孔內(nèi)涌水時風(fēng)量修正系數(shù)，K=1～1.5;D——鉆孔口徑，m;d——鉆桿外徑，m。

6．5 施工情況

圖4 空氣潛孔錘鉆進(jìn)

鉆進(jìn)過程中每50 m使用單多點測斜儀投測一次，最終測斜結(jié)果見表3。

7 應(yīng)用效果與注意事項

7．1 應(yīng)用效果

圖5 空氣泡沫潛孔錘鉆進(jìn)

表3 王家?guī)X緊急避險孔電子多點測斜數(shù)據(jù)

該孔應(yīng)用空氣(泡沫)潛孔錘鉆進(jìn)終孔深度317.79 m，總進(jìn)尺207.79 m，純鉆進(jìn)時間總計26.0 h，平均機械鉆速7.99 m/h，終孔井斜角0.20°，水平位移0.48 m，閉合方位角128.09°。其中空氣潛孔錘鉆進(jìn)進(jìn)尺110.90 m，純鉆進(jìn)時間7.0 h，機械鉆速高達(dá)15.84 m/h;空氣泡沫潛孔錘鉆進(jìn)進(jìn)尺96.89 m，純鉆進(jìn)時間19.0 h，機械鉆速5.10 m/h。

7．2 應(yīng)用注意事項

(1)施工現(xiàn)場相同型號的沖擊器應(yīng)配備2套，相同規(guī)格的鉆頭至少配備2個。

(2)當(dāng)空氣(泡沫)潛孔錘鉆進(jìn)的機械鉆速達(dá)到30 m/h時，應(yīng)注意控制鉆進(jìn)速度，增加單回次內(nèi)排除巖屑的時間和次數(shù)。

(3)表層套管應(yīng)在井口預(yù)留一定高度，防止經(jīng)環(huán)空返出的巖屑直接回落孔內(nèi)。

(4)使用旋轉(zhuǎn)防噴器，改善工作環(huán)境，并減少輔助工作時間。若不使用旋轉(zhuǎn)防噴器時，自行研制井口防噴裝置。

(5)可在回次完進(jìn)行有效排渣，必要時可加注一定量的清水或泡沫劑進(jìn)行沖孔排渣。

8 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

我隊另外一臺機組在王家?guī)X礦區(qū)施工的SW1水文補勘孔，與該緊急避險孔相比，二開孔段的基巖地層巖性相近，鉆孔口徑相近(SW1水文補勘孔口徑298.4 mm)，可對兩孔的機械鉆速、每米綜合成本進(jìn)行對比分析。

8．1 SW1孔施工情況

(1)主要設(shè)備:GZ2000型鉆機，ZT22型鉆塔，TBW850/50型泥漿泵，6135型柴油機(190HP)等。

(3)該孔全孔采用泥漿正循環(huán)牙輪回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝，一開鉆進(jìn)至孔深105.10 m下表層套管，二開鉆進(jìn)至孔深476.30 m下二級套管。二開孔段鉆進(jìn)總進(jìn)尺為371.20 m，純鉆進(jìn)時間431.6 h，兩次堵漏時間214.0 h，施工共歷時42 d。二開孔段平均機械鉆速為0.86 m/h。

8．2 機械鉆速對比(見表4)

由表4可知，緊急避險孔二開孔段空氣(泡沫)潛孔錘鉆進(jìn)平均機械鉆速為7.99 m/h，約是SW1水文補勘孔二開孔段泥漿鉆進(jìn)機械鉆速(0.86 m/h)的9倍。

表4 機械鉆速對比

8．3 鉆孔質(zhì)量對比

SW1水文補勘孔二開孔段(0～476.30 m)采用ANTS－2型測井儀，測得孔深320 m處井斜角1.3°、方位角193°，測斜數(shù)據(jù)見表5。而緊急避險孔孔深316.40 m 處井斜角 0.20°、閉合方位 128.09°、水平位移0.48 m?？梢?，空氣(泡沫)潛孔錘鉆進(jìn)工藝相比普通泥漿回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝能夠很好地控制鉆孔偏斜，保證鉆孔垂直度。

表5 SW1水文補勘孔測斜數(shù)據(jù)

8．4 二開孔段綜合成本分析

表6 SW1水文補勘孔、避險孔直接成本費用對比

SW1水文補勘孔每米綜合成本為820.5元，緊急避險孔二開孔段空氣(泡沫)潛孔錘鉆進(jìn)每米綜合成本504.8元，比泥漿鉆進(jìn)工藝少了315.7元/m，節(jié)約成本38.5%。

9 結(jié)語

空氣(泡沫)潛孔錘鉆進(jìn)工藝具有以下特點:

(1)確保鉆孔垂直度。王家?guī)X煤礦緊急避險孔終孔孔深317.79 m，終孔位移僅0.48 m。

(2)提高鉆進(jìn)效率、節(jié)約工期?？諝?泡沫)潛孔錘鉆進(jìn)在砂巖、泥砂巖等中硬地層有很高的機械鉆速，300 mm口徑的機械鉆速達(dá)到7.99 m/h，實現(xiàn)了快速鉆進(jìn)。

(3)降低施工成本?？諝?泡沫)潛孔錘鉆進(jìn)工藝省去了泥漿鉆進(jìn)需要的材料費，節(jié)約了水費、鉆頭費、人工費等。王家?guī)X煤礦緊急避險孔空氣(泡沫)潛孔錘鉆進(jìn)工藝比SW1水文補勘孔泥漿鉆進(jìn)工藝二開孔段每米綜合成本節(jié)約38.5%。

(4)適應(yīng)漏失地層中鉆進(jìn)，節(jié)省堵漏時間和材料，如SW1水文補勘孔施工過程中2次堵漏額外消耗時間214.0 h。

(5)鉆進(jìn)所需鉆鋌少，通常使用2根鉆鋌，在小鉆壓下實現(xiàn)高效鉆進(jìn)。

(6)單機組DLQ1250XHH/1525XH型空壓機能力有限，王家?guī)X煤礦緊急避險孔施工時300 mm鉆頭環(huán)空上返風(fēng)速為12.42 m/s，未達(dá)到15 m/s最低推薦上返速度，施工中雖然也取得了很好的效果，但未能充分發(fā)揮空氣(泡沫)潛孔錘鉆進(jìn)工藝的優(yōu)勢。下一步研究應(yīng)用2臺以上空壓機并聯(lián)、并配置增壓機，開展中深井空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝研究。

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