大直徑集束潛孔錘正循環(huán)快速擴孔鉆進技術(shù)試驗

高啟瑜，曹主軍，張 強，王繼承，周 光

(神華寧夏煤業(yè)集團能源公司環(huán)境安全分公司，寧夏銀川753000)

0 引言

隨著煤炭行業(yè)的快速發(fā)展，礦井建設(shè)所需大直徑鉆孔也越來越多，而大直徑集束潛孔錘鉆井技術(shù)是實現(xiàn)快速透巷、快速施救、快速鉆井最有效的途徑。國外采用此種技術(shù)在礦井事故救援中已發(fā)揮了重要作用(如美國賓夕法尼亞州－煤礦發(fā)生特大突水事故、智利金礦礦井發(fā)生了坍塌事故等)。

國內(nèi)目前進行大直徑鉆探施工，普遍采用常規(guī)的鉆進方法，即泥漿正循環(huán)牙輪鉆頭鉆進。存在的主要問題是:牙輪鉆頭鉆進受地層影響大，且成井周期長，不利于搶險救援。為了解決這一問題，優(yōu)化鉆具配套機具和鉆進工藝，我們選用了大直徑集束潛孔錘正循環(huán)擴孔鉆進技術(shù)，并通過了神華寧煤集團立項申請。于2014年7月結(jié)合金能2號瓦斯抽放立井進行現(xiàn)場鉆進試驗，試驗結(jié)果表明:大直徑集束潛孔錘采用正循環(huán)方法可以實現(xiàn)快速擴孔鉆進，并具有顯著的成效。

1 試驗區(qū)地質(zhì)與地層

1．1 地形與地貌

金能煤業(yè)公司井田位于寧夏回族自治區(qū)東北端的惠農(nóng)區(qū)境內(nèi)，西依賀蘭山，東濱黃河，北與內(nèi)蒙古自治區(qū)接壤，礦區(qū)位于賀蘭山與黃河之間的山前沖洪積區(qū)，地勢西高東低，約為15‰的坡度，地面標(biāo)高在+1091～1143 m之間，為沖積、洪積扇堆積平原。礦區(qū)西南部被第四系現(xiàn)代堆積物所覆蓋，東北部有基巖裸露。隸屬華北石炭二迭系聚煤區(qū)，桌子山—賀蘭山煤田，地層由老至新:(1)石炭系晚石炭統(tǒng)土坡組;(2)石炭系晚石炭統(tǒng)太原組;(3)二疊系早二疊統(tǒng)山西組;(4)二疊系晚二疊統(tǒng)石盒子組;(5)二疊系晚二疊統(tǒng)孫家溝組;(6)古近系;(7)第四系。太原組下伏地層晚石炭系土坡組出露于毗鄰的內(nèi)蒙雀兒溝一帶。煤系地層為石炭系的海陸交互相沉積及二疊系的陸相沉積。其中晚石炭系太原組和早二疊統(tǒng)山西組為主要含煤地層。

1．2 地層與水文地質(zhì)情況

地層由老至新:(1)石炭系晚石炭統(tǒng)土坡組;(2)石炭系晚石炭統(tǒng)太原組;(3)二疊系早二疊統(tǒng)山西組;(4)二疊系晚二疊統(tǒng)石盒子組;(5)二疊系晚二疊統(tǒng)孫家溝組;(6)古近系;(7)第四系。太原組下伏地層晚石炭統(tǒng)土坡組出露于毗鄰的內(nèi)蒙雀兒溝一帶。

根據(jù)一、二分區(qū)以往井下排水疏干情況來看，基巖正常涌水量幾乎都集中出現(xiàn)在巷道施工中，采煤工作面上少，僅有個別滴水。因此基巖正常涌水量則以巷道為對象計算。其涌水量采用值為:一分區(qū)Ⅴ含水層組QV=299.63 m3/h，Ⅵ含水層組QVI=403.57 m3/h，即∑ Q=703.20 m3/h;二分區(qū)QV=313.38 m3/h，QVI=336.82 m3/h，即 ∑ Q=650.20 m3/h，一、二分區(qū)+400 m水平以上總涌水量1353.4 m3/h。本礦井水文地質(zhì)類型為極復(fù)雜類型。

2 鉆井技術(shù)方案

2．1 鉆井設(shè)備機具

投入本項目的機械設(shè)備、鉆具等詳見表1。

表1 鉆井機械設(shè)備、鉆具一覽

2．2 試驗鉆井設(shè)計

本次試驗鉆井是結(jié)合金能煤業(yè)公司2號瓦斯抽放立井鉆井工程，設(shè)計鉆井終井直徑800 mm，井深514.87 m，其中選0～200 m為660 mm的集束潛孔錘正循環(huán)擴孔試驗段。由于本次試驗在國內(nèi)屬首例，沒有參考的文獻和數(shù)據(jù)，為保證試驗安全順利地進行，首選450 mm集束式潛孔錘鉆進0～100 m，來檢驗設(shè)備安全性能并收集鉆進參數(shù)，為下一步660 mm集束式潛孔錘試驗積累一些經(jīng)驗。試驗鉆井的井身結(jié)構(gòu)為:

實際井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 實際井身結(jié)構(gòu)示意圖

2．3 試驗鉆井工藝方法

3 項目試驗情況

首先在井口進行潛孔錘啟動調(diào)試(如圖2所示)，調(diào)試正常后，下鉆開始擴孔鉆進。當(dāng)鉆進至27.3 m時，井內(nèi)出現(xiàn)潮濕狀況，對井內(nèi)巖屑上返不利，鑒于這種情況，隨之將空壓機由2臺增加至5臺并向井內(nèi)邊注水邊鉆進，使得返渣正常。當(dāng)擴孔鉆進至39.59 m時，潛孔錘出現(xiàn)不沖擊現(xiàn)象，且沒有進尺。此時向井內(nèi)注入泡沫劑上下劃眼，潛孔錘仍然不沖擊。于是提出鉆具檢查，發(fā)現(xiàn)450 mm集束式潛孔錘鉆頭6個子錘全部斷裂落入井內(nèi)(如圖3所示)。

圖2 潛孔錘孔口測試

圖3 被打撈上來的掉落孔內(nèi)的子錘

圖4 調(diào)節(jié)閥

圖5 旁通閥

根據(jù)氣壓、風(fēng)量、子錘沖擊頻率將調(diào)節(jié)閥調(diào)至1/2狀態(tài)，然后將660 mm集束式擴孔潛孔錘下入井內(nèi)進行試驗。啟動6臺空壓機，由于進尺慢，考慮可能是潛孔錘沖擊頻率低所造成，隨之將空壓機增至8臺，此時進尺快且返渣順暢。當(dāng)鉆進至22.79 m時，鉆桿扭矩變大且空壓機有憋風(fēng)現(xiàn)象，邊觀察邊鉆進2.21 m后，即井深25 m時，提鉆檢查，發(fā)現(xiàn)空壓機憋壓現(xiàn)象的主要原因是氣量控制閥的通氣量和旁通閥的通氣量可能過小。隨后將氣量控制閥調(diào)整至2/3狀態(tài)，再次下入井底送風(fēng)，潛孔錘工作正常。擴孔鉆進至27 m時，井內(nèi)有水，出現(xiàn)巖粉上返不利現(xiàn)象。針對這種情況，又將空壓機增至10臺，并向井內(nèi)注泡沫劑協(xié)助排巖，井內(nèi)返渣排水正常(如圖6所示)，660 mm擴孔鉆進累計152.59 m。

圖6 排出巖粉

4 技術(shù)難題和解決措施

(2)在試驗中攜渣所需的風(fēng)量大(預(yù)計最高達到450 m3/min)，由于SS－185K型鉆機動力頭通徑(76 mm)和127 mm鉆桿通徑(83 mm)小，理論計算會造成空壓機憋壓的現(xiàn)象。為了證實理論計算數(shù)據(jù)，項目組首先采用127 mm鉆桿和一套注氣管路進行試驗，當(dāng)注氣量達到196 m3/min時，空壓機壓力達到最大峰值340PSI，使空壓機憋壓。為了解決此問題，采用2套注氣管路，一套從動力頭注入，一套從氣盒子注氣，如圖7所示，這樣便增大了注氣通道，減少了注氣壓力損耗，保證了攜巖和鉆進所需的風(fēng)量和壓力。

(3)試驗中，由于集束式潛孔錘對風(fēng)量、風(fēng)壓有一定的要求(風(fēng)量40～100 m3/min，風(fēng)壓0.8～2.1 MPa)，而上排渣攜巖所需的風(fēng)量達400 m3/min以上，如何有效地將供氣量分?jǐn)?，既滿足潛孔錘在規(guī)定的技術(shù)參數(shù)內(nèi)工作，又滿足正循環(huán)排渣所需的風(fēng)量。項目組采用了旁通閥和控制閥對進入集束式潛孔錘的風(fēng)量進行調(diào)節(jié)和控制，但由于進入鉆頭的氣量無法用儀表測量。如何使通過集束式潛孔錘的出氣量在廠家要求的范圍內(nèi)，對錘體不造成損壞是本次試驗的技術(shù)難題。在試驗中，通過調(diào)節(jié)旁通閥和控制閥(如圖7所示)，使注入的壓縮空氣量在鉆頭正常沖擊頻率的范圍內(nèi)，便可保證潛孔錘正常工作。

(4)由于鉆頭直徑大，鉆進所產(chǎn)生的巖屑多，所使用的風(fēng)量大，如果直接排出，大量的巖粉會對人員和設(shè)備造成危害，同時也對井場周邊環(huán)境造成污染，項目組經(jīng)認(rèn)真研究，在井口設(shè)計安裝一臺排渣頭(見圖8)。排渣頭安裝有噴淋泵，以便稀釋巖粉及降塵，排渣管前段伸向坑內(nèi)2 m處。

圖8 排渣頭

(5)本次試驗擴孔鉆進至27 m時遇含水層，返渣不暢，進尺慢。項目組針對這種情況，采用向井內(nèi)注入泡沫劑協(xié)助排巖達到排渣的效果，提高了鉆進效率，預(yù)防了孔內(nèi)事故。

5 取得的鉆進技術(shù)成果

(1)通過增多送氣管路和增加送氣管路通徑，利用氣盒子分?jǐn)倸饬?，解決了風(fēng)量通過管徑時壓力損耗大的難題。

(4)掌握了在含水層巖層特性，對大直徑擴孔鉆進的各項技術(shù)參數(shù)影響，通過在現(xiàn)場進行不同口徑的上排渣所需風(fēng)量試驗，與理論計算所需的風(fēng)量對比分析。無論是地層含水或無含水層時，理論計算值均高于實際所需的風(fēng)量值。隨著井徑、井深的增大和地層含水增多，所需的風(fēng)量逐漸增大。

(5)實現(xiàn)集束式擴孔潛孔錘正循環(huán)鉆進方法，在較完整巖石中鉆進的高效性。

(6)利用可調(diào)式排渣頭實現(xiàn)對大直徑鉆進產(chǎn)生的巖屑對人員、設(shè)備、環(huán)境危害的控制。

6 結(jié)論及認(rèn)識

(1)通過試驗表明:大直徑集束潛孔錘可以實現(xiàn)正循環(huán)擴孔鉆進。

(2)掌握了大直徑集束潛孔錘正循環(huán)擴孔鉆進技術(shù)參數(shù)及鉆具組合，摸索了在松散含水層等巖層特性對大直徑擴孔各項技術(shù)參數(shù)的影響。

(3)實現(xiàn)了大口徑集束潛孔錘擴孔鉆進的高效性，鉆進效率是普通泥漿擴孔鉆進的10倍。

(4)采用大直徑集束潛孔錘擴孔鉆進所需供風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備投入量大，鉆進成本高。

(5)通過該項目第一階段的試驗，總結(jié)分析了采用大直徑集束潛孔錘正循環(huán)鉆進工藝存在的局限性。尤其對風(fēng)量、風(fēng)壓、井深和鉆桿直徑變化及現(xiàn)場操作取得的成果資料進行總結(jié)梳理優(yōu)化，對以后大直徑空氣潛孔錘快速加深鉆進打下了基礎(chǔ)。

［1］ 盧予北．空氣潛孔錘在松軟地層中的鉆進試驗［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(7):9 －11．

［2］ 張秋冬．大口徑空氣鉆進工藝在大陸科學(xué)鉆探中的應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(5):10 －13．

［3］ 馮啟贈．全液壓車裝鉆機在集束式潛孔錘反井施工中的應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(6):23 －26．

［4］ 陳怡．空氣潛孔錘鉆進技術(shù)在援豫抗旱找水成井施工中的應(yīng)用［J］．貴州地質(zhì)，2012，29(2)，128 －131．

［5］ 楊富春．空氣潛孔錘在水源鉆井中的應(yīng)用［J］．中國煤田地質(zhì)，2009，21(6)，71 －73．

［6］ 耿瑞倫，陳星慶，等．多工藝空氣鉆探［M］．北京:地質(zhì)出版社，1995．

［7］ 馬植侃，汪濱，劉建民．鉆探工程學(xué)［M］．江蘇徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1998．

［8］ 鄢泰寧．巖土鉆掘工程學(xué)［M］．湖北武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2006．