空氣潛孔錘在礦山大口徑鉆井中的應(yīng)用

李海濤，盛智煒

（河南省煤田地質(zhì)局四隊，河南平頂山467000）

空氣潛孔錘在礦山大口徑鉆井中的應(yīng)用

李海濤*，盛智煒

（河南省煤田地質(zhì)局四隊，河南平頂山467000）

隨著鉆探技術(shù)的發(fā)展，沖擊回轉(zhuǎn)鉆進在我國得到越來越多的應(yīng)用，但受設(shè)備工藝限制，多應(yīng)用于煤田地質(zhì)勘查中，礦山大口徑井施工較為罕見，由河南省煤田地質(zhì)局四隊2014于山西大同施工的大口徑抽水井，使用SPMS80沖擊器進行生產(chǎn)試驗，共計施工3口大口徑井，累計進尺1226.35m，試驗最大孔深453.30m，對比常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進，效率大幅提高，取得了良好效果。

大口徑；潛孔錘；采空區(qū)

1 工程概況

由于煤峪口礦406盤區(qū)，同家梁礦南2、北2盤區(qū)11#、14#采空區(qū)存在大量積水，根據(jù)礦井防治水工作的要求和生產(chǎn)銜接的需要，為有效防止11#、14#采空區(qū)積水對下覆煤層的威脅,從根本上消除、杜絕、減小可能造成的危害，決定在地面施工大孔徑抽水孔3個（煤峪口礦406盤區(qū)1個，同家梁礦北2盤區(qū)、南2盤區(qū)各一個），抽取采空區(qū)積水。

本文取其中一最深鉆孔做出研究。

項目名稱：永定莊礦石炭系延伸主水倉鉆孔工程。

工程規(guī)模：施工孔深426m，孔徑?350mm。

2 主要設(shè)備及參數(shù)

GZ-2600鉆機，XRVS 476型空壓機一臺，XRVS 976型空壓機一臺，PESG760空壓機一臺，SPMS80沖擊器，?350mm釬頭。

SPMS80沖擊器性能參數(shù)：

工作氣壓（MPa）：1.0～2.1；耗風量（m3/min）：12～31；沖擊功（J）：1560；沖擊次數(shù)（次/min）：860～1510。

PESG760空壓機性能參數(shù)：

排氣量：21.7m3/min；額定排氣壓力：1.4MPa。

XRVS 476型及XRVS 976型空壓機性能參數(shù)：

排氣量：27.7 m3/min；額定排氣壓力：2.5MPa。

3 地層情況及鉆進參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)資料，鉆孔鉆遇底層自上而下依次為第四紀地層及侏羅紀大同組地層，主要以可鉆性5～7級石英砂巖為主，夾雜少量3～4級泥巖、砂質(zhì)泥巖。

空氣潛孔錘碎巖方式不同于常規(guī)鉆進的切削與研磨原理，它是將壓縮機產(chǎn)生壓縮空氣的能量通過空氣潛孔錘這個能量轉(zhuǎn)換裝置，對需要破碎的巖石施加高頻的沖擊載荷，當這個能量（沖擊功）達到巖石的臨界破碎功時，便產(chǎn)生體積破碎，同時工作后的氣體在一定的風速條件下將巖石顆粒排出孔外以實現(xiàn)連續(xù)鉆進。因此，合理的選用鉆進技術(shù)參數(shù)是取得理想鉆進效果的基本條件。

空氣潛孔錘鉆進由于改變了碎巖方式，即以沖擊體積破碎代替了磨削或切削破碎，所以其鉆進規(guī)程參數(shù)與一般回轉(zhuǎn)鉆進有較大不同。據(jù)文獻，鉆進規(guī)程采用施工參數(shù)如表1所示：

表1 施工參數(shù)表

（1）鉆壓?？諝鉂摽族N鉆進是在靜壓力（鉆壓）、沖擊力和回轉(zhuǎn)力3種力的作用下實現(xiàn)巖石破碎的。其鉆壓主要作用是保證鉆頭齒能與巖石緊密接觸，克服沖擊器及鉆具的反彈力，以便有效地傳遞來自沖擊器的沖擊功。鉆壓過小，難以克服沖擊器工作時的背壓和反彈力，直接影響沖擊功的有效傳遞；鉆壓過大，將會增大回轉(zhuǎn)阻力，還將造成鉆頭過早磨損。

空氣潛孔錘鉆進的鉆壓主要取決于地層巖石的硬度，自軟至硬，鉆壓由小到大。根據(jù)收集的資料，潛孔錘反循環(huán)鉆進壓力的推薦值，在軟至中硬巖層為2.94～4.9kΝ，即單位面積上的鉆壓為41～68Ν/cm2。鉆壓的合理選擇應(yīng)考慮鉆進方式的變化（如低壓還是高壓，因工作壓力的不同而背壓不同），目的是最大限度地減少鉆具及鉆頭的磨損。

（2）轉(zhuǎn)速。潛孔錘鉆進屬于慢回轉(zhuǎn)鉆進方法的一種，合理的轉(zhuǎn)速選擇，對鉆頭壽命乃至鉆進成本控制至關(guān)重要。它主要跟沖擊器所產(chǎn)生的沖擊功的大小、沖擊頻率的高低、鉆頭的形式以及所鉆巖石的物理力學性質(zhì)有關(guān)。要求巖石面均勻破碎，破碎下來的巖屑能及時被空氣介質(zhì)所清除，潛孔錘鉆進無切削和剪切作用，所以無需較大的線速度。

轉(zhuǎn)速太快，對鉆頭的壽命不利，特別在研磨性強的巖層，將使鉆頭外圍的刃齒很快磨損和碎裂。如果轉(zhuǎn)速太慢，則將使柱齒沖擊時與已有沖擊破碎點（凹坑）重復，導致鉆速下降。一般的做法是，巖石愈硬或鉆頭直徑愈大，選用的轉(zhuǎn)速愈低。

沖擊鉆進鉆速的高低主要和沖擊器頻率、規(guī)格以及巖石的物理機械性質(zhì)有關(guān)，為避免重復破碎，合理的轉(zhuǎn)速應(yīng)保證在最優(yōu)的沖擊間隔范圍之內(nèi)。

最優(yōu)沖擊間隔的確定，多采用2次沖擊間隔的轉(zhuǎn)角表示，轉(zhuǎn)速與沖擊頻率和最優(yōu)轉(zhuǎn)角的關(guān)系如下：

式中：A——最優(yōu)轉(zhuǎn)角，（°）；

n——鉆具轉(zhuǎn)速，r/min；

f——沖擊頻率，次/min。

根據(jù)資料推薦，在硬巖中2次沖擊之間的最優(yōu)轉(zhuǎn)角為11°。因而，在某些嚴重裂隙性巖層中鉆進時，為防止卡鉆而采用增加轉(zhuǎn)速的辦法。但也要注意有時卡鉆是因為鉆頭已過度磨損，而增加轉(zhuǎn)速會使問題復雜化。對潛孔錘鉆進最優(yōu)鉆頭回轉(zhuǎn)速度，應(yīng)以獲得有效的鉆速、平穩(wěn)的操作和經(jīng)濟的鉆頭壽命，作為基本要求。

（3）風壓。潛孔沖擊器的沖擊頻率和沖擊功都與空氣壓力有關(guān)，空氣壓力是決定沖擊功的重要因素，因而也是影響機械鉆速的主要參數(shù)，國內(nèi)外大量資料證明，機械鉆速和空氣壓力成正比關(guān)系。例如：空氣壓力從0.6MPa提高至1.03MPa時，鉆進速度可提高一倍?？諝鈮毫Τ凉M足潛孔錘工作壓力外，還應(yīng)考慮循環(huán)過程中的壓力損失，孔內(nèi)壓力降，潛孔錘壓降，有水情況下尚須克服水柱壓力，才能正常工作。

式中：P——空氣壓力，MPa；

Q2—每米干孔的壓力降，一般為0.0015MPa/m；

Pm——管道壓力損失，0.1～0.3MPa；

P1——潛孔錘壓力損失，MPa；

P2——鉆孔內(nèi)水柱壓力，MPa；

L——鉆桿柱長度，m。

從上式可以看出，在無水條件下，隨著鉆進深度逐步的增加，鉆孔內(nèi)空氣壓力也在不斷增大。

（4）風量。空氣鉆進中空氣消耗量是根據(jù)氣動潛孔錘沖擊器的性能參數(shù)（耗氣量）及為清除孔內(nèi)巖屑的最低上返速度而確定。為保持孔底干凈，攜帶孔底巖屑顆粒在鉆具環(huán)狀間隙中的上返速度V一般取10～15m/s，對風量的計算：

式中：Q——鉆進時所需空氣量，m3/min；

K1——孔深損耗系數(shù)，通常取1.0～1.1；

K2——孔內(nèi)涌水時，風量增加，其值與涌水量有關(guān)，中等涌水量為K2=1.5

D——鉆孔直徑，m；

d——鉆桿外徑，m；

V——環(huán)狀間隙氣流上返速度，m/s。

（5）扭矩。由于潛孔錘鉆進中，鉆壓僅作為防止錘頭空打，故一般所需鉆壓較小，根據(jù)扭矩計算公式：

式中：K——刀具旋轉(zhuǎn)阻力系數(shù)，為試驗統(tǒng)計值，一般取0.1～0.3；

P——鉆壓，kN；

R——鉆孔換算直徑，m。

選用的空氣壓縮機的技術(shù)性能要與空氣潛孔錘鉆進工藝相匹配?？諝鈮嚎s機除需具有足夠的壓力外，其送風量不僅要確保上返氣流速度大于不同粒度巖礦樣的懸浮下降速度，還應(yīng)當滿足潛孔錘正常工作對送風量的要求。

影響空氣壓縮機選擇的因素主要有：鉆孔深度、鉆孔口徑、鉆進速度、使用的潛孔錘類型、鉆孔內(nèi)地下水位及涌水量等。

4 鉆具組合

根據(jù)施工情況，采用以下2種鉆具組合方式：

采空區(qū)上部：主動鉆桿+?127mm鉆桿+?178mm鉆鋌2根+?159mm鉆鋌2根+SPMS80沖擊器+?350mm釬頭；采空區(qū)：主動鉆桿+?127mm鉆桿+?178mm鉆鋌2根+?159mm鉆鋌2根+?350mm扶正器+SPMS80沖擊器+?350mm釬頭。

5 鉆進方法

開孔時，采用輕壓慢鉆方式鉆進，確保鉆孔垂直，施工過程中，根據(jù)地層情況及時調(diào)整鉆進參數(shù)，適當增加鉆壓，一個回次結(jié)束后，上提鉆具沖孔，確保巖屑不殘留在孔內(nèi)，施工至采空區(qū)后，根據(jù)采空區(qū)深度來確定扶正器位置，防止扶正器卡在采空區(qū)內(nèi)，穿過采空區(qū)后掃孔，將采空區(qū)形成的“臺階”掃平。施工深度超過150m后，采用2臺空壓機并聯(lián)方式增加風量，可將孔內(nèi)較大巖屑沖出孔內(nèi)，避免巖屑回落后重復破碎及卡鉆事故發(fā)生。

6 臺效對比（見表2）

P634.5

B

1004-5716(2015)12-0049-03

2015-08-03

2015-08-12

李海濤（1987-），男（漢族），吉林松原人，助理工程師，現(xiàn)從事鉆探技術(shù)工作。