液動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在潘一煤礦井下穿層鉆孔中的應(yīng)用

趙俊峰，金 新，童 碧，魏宏超，劉德貴，豆旭謙，張獻(xiàn)振

(1．淮南礦業(yè)集團(tuán)地質(zhì)勘探工程處，安徽 淮南232052;2．中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077)

目前，我國煤礦井下鉆進(jìn)施工多采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的方法［1］，在淮南等礦區(qū)由于煤質(zhì)較軟，煤層成孔難度大，煤層巷道掘進(jìn)與揭煤多采用空氣介質(zhì)或氣水混合介質(zhì)進(jìn)行回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的穿層鉆孔方式，解決瓦斯抽采問題。在施工中多鉆遇硬巖或軟硬交錯(cuò)地層，其鉆進(jìn)效率低、鉆頭壽命短、鉆孔周期長、成本高，且鉆孔容易產(chǎn)生偏斜。而常規(guī)氣動潛孔錘施工造成的嚴(yán)重粉塵污染，使得其在狹小煤層礦巷道內(nèi)的應(yīng)用受到限制。因此，以清水為沖洗介質(zhì)，將沖擊鉆進(jìn)與回轉(zhuǎn)切削鉆進(jìn)結(jié)合，在合理改進(jìn)鉆頭結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，延長了鉆頭使用壽命，提高了鉆進(jìn)效率，擴(kuò)寬了沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝的應(yīng)用范圍。

1 工藝原理

在地質(zhì)巖心鉆探中，針對堅(jiān)硬變質(zhì)巖層，采用小口徑液動潛孔錘與金剛石鉆頭(孕鑲金剛)結(jié)合，在回轉(zhuǎn)速度不變的條件下，通過軸向振動力，提高金剛石顆粒的嵌入深度，從而達(dá)到提高進(jìn)尺效率的目的。針對煤系地層中，煤層頂?shù)装宥酁槌练e巖層，其硬度較變質(zhì)巖與巖漿巖小，若采用金剛石鉆頭施工，進(jìn)尺緩慢，不能達(dá)到高效施工的目的。因此，在液動潛孔錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)中，在巖石塑性大不適合氣動潛孔錘施工的條件下，選用液動潛孔錘與抗沖擊的高強(qiáng)PDC鉆頭結(jié)合，以回轉(zhuǎn)切削為主，通過高頻率液動沖擊力增加鉆頭上的復(fù)合片在堅(jiān)硬巖石中的切入深度，從而達(dá)到提高鉆進(jìn)效率的目的。

2 液動潛孔錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)配套設(shè)備

2．1 液動潛孔錘

液動潛孔錘是利用泥漿泵供給液壓能，直接驅(qū)動液動潛孔錘內(nèi)的沖錘上下往復(fù)運(yùn)動，并連續(xù)不斷地對鉆頭施加沖擊荷載，是解決堅(jiān)硬巖層和某些復(fù)雜巖層鉆探效率低、鉆孔質(zhì)量差的有效鉆具。由于煤礦井下瓦斯抽放鉆孔孔徑小，采用的液動潛孔錘口徑較小，其沖擊功較小，僅為同種規(guī)格型號氣動潛孔錘的14% ～60%，因此主要以回轉(zhuǎn)切削為主，通過合理控制鉆進(jìn)過程中的鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵量等參數(shù)提高其鉆進(jìn)效率。

根據(jù)金剛石復(fù)合片抗沖擊性能與鉆孔結(jié)構(gòu)，選用了SZX73型液動潛孔錘(見圖1)性能參數(shù)為:鉆具外徑73 mm，鉆孔直徑75～85 mm，沖錘行程20～25 mm，自由行程6～10 mm，工作泵量90～150 L/min，工作壓力0.8 ～3.0 MPa，沖擊頻率25 ～45 Hz，沖擊功15～70 J，長度1000 mm，質(zhì)量25 kg。

圖1 YZX73型液動潛孔錘

2．2 鉆機(jī)

由于煤礦井下空間條件限制，在礦井下應(yīng)用的鉆機(jī)應(yīng)具有體積小、運(yùn)輸靈活、適用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合穿層瓦斯抽采孔設(shè)計(jì)與施工的要求與特點(diǎn)，選用中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司研制生產(chǎn)的ZDY3200S型鉆機(jī)(見圖2)能夠滿足應(yīng)用要求，其技術(shù)參數(shù)為:鉆孔深度350/100 m，終孔直徑150/200 mm，鉆桿直徑63．5/73 mm，鉆孔傾角0°～ ±90°，回轉(zhuǎn)速度50 ～175 r/min，最大扭矩3200 N·m，給進(jìn)能力112 kN，起拔能力77 kN，功率37 kW，主機(jī)質(zhì)量1180 kg，主機(jī)外形尺寸(長 ×寬 ×高)2．30 m ×1．10 m ×1．65 m。

圖2 ZDY3200S型鉆機(jī)

2．3 泥漿泵

根據(jù)SZX73液動潛孔錘工作壓力與工作泵量，選用3NB－320型往復(fù)式泥漿泵，其流量與壓力滿足施工要求，其主要參數(shù)如表1所示。

2．4 鉆頭設(shè)計(jì)與優(yōu)型

表1 3NB－320型往復(fù)式泥漿泵參數(shù)

在鉆頭設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到巖石相對較硬及液動潛孔錘的沖擊，為增加鉆頭使用壽命與鉆進(jìn)速度，復(fù)合片選擇抗沖擊性能與耐磨性均較好的弧面金剛石復(fù)合片，并增大復(fù)合片的切削角。設(shè)計(jì)參數(shù)見表2，實(shí)物外觀如圖3、圖4所示。

表2 PDC鉆頭參數(shù)

3 工程試驗(yàn)與分析

3．1 試驗(yàn)地點(diǎn)地質(zhì)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在淮南礦業(yè)集團(tuán)潘一煤礦21111(1)東翼膠帶機(jī)大巷，施工上仰穿煤瓦斯抽放鉆孔，施工鉆孔需要穿越7.5 m厚的泥質(zhì)膠結(jié)石英砂巖，其抗壓強(qiáng)度為36.45 MPa，堅(jiān)固系數(shù)3.65，屬于低粘結(jié)強(qiáng)度、高研磨性巖石［2］，該層位約占鉆孔總長度的20%，在試驗(yàn)前采用普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，鉆頭消耗量大，平均鉆頭壽命僅為50 m，成本較高。

3．2 試驗(yàn)情況與結(jié)果

通過潘一煤礦21111(1)東翼膠帶機(jī)大巷第92組與第106組2組22個(gè)鉆孔施工，部分鉆孔參數(shù)如表3所示，對液動潛孔錘與普通三翼內(nèi)凹鉆頭、三翼圓弧和四翼平底PDC鉆頭的組合進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)工藝參數(shù)與結(jié)果如表4、表5所示。

表3 部分試驗(yàn)鉆孔參數(shù)

表4 施工工藝參數(shù)

表5 各類鉆頭試驗(yàn)效果統(tǒng)計(jì)

3．3 試驗(yàn)分析

通過對3種鉆具組合效率對比，可以看出“三翼圓弧鉆頭+液動錘”組合與“四翼平底鉆頭+液動錘”組合平均進(jìn)尺效率優(yōu)于普通三翼內(nèi)凹鉆頭組合，鉆進(jìn)效率分別提高84%、23%，其鉆頭進(jìn)尺壽命是普通三翼內(nèi)凹鉆頭的近5倍。

(1)該試驗(yàn)區(qū)巖石具有較高研磨性，且具有較好的塑性，單獨(dú)采用三翼內(nèi)凹鉆頭，其鉆頭較容易磨損導(dǎo)致鉆進(jìn)效率急劇下降;采用高強(qiáng)抗沖擊PDC復(fù)合片在滿足液動潛孔錘沖擊要求的同時(shí)，鉆頭抗研磨性大大提高，從而鉆頭進(jìn)尺壽命提高明顯。

(2)回轉(zhuǎn)沖擊鉆具組合，采用回轉(zhuǎn)沖擊方式，沖擊能提高了鉆頭切入巖石深度，在鉆進(jìn)參數(shù)(轉(zhuǎn)速、給進(jìn)壓力、泵量)相同的條件下，單位時(shí)間內(nèi)鉆頭切削量提高，從而鉆進(jìn)效率大大增加。

(3)在轉(zhuǎn)速、給進(jìn)壓力、泵量相同的條件下，四翼平底鉆頭組合回轉(zhuǎn)壓力與泵壓均較高，從結(jié)構(gòu)上可以看出平底設(shè)計(jì)增加了鉆進(jìn)阻力，巖粉排泄不順暢，造成重復(fù)切削，因而效率低于三翼圓弧PDC鉆頭組合。

4 結(jié)語

試驗(yàn)表明，液動潛孔錘鉆進(jìn)工藝在煤礦井下鉆探中具有一定優(yōu)勢，本次試驗(yàn)選用的鉆機(jī)、鉆具與液動潛孔錘具有良好的配伍性。

在煤礦井下穿層鉆孔中，小口徑液動潛孔錘應(yīng)用正常，通過與高強(qiáng)PDC鉆頭組合，提高了鉆進(jìn)施工效率，同時(shí)針對液動潛孔錘設(shè)計(jì)的PDC鉆頭具有較高的進(jìn)尺壽命。

回轉(zhuǎn)沖擊復(fù)合鉆進(jìn)方式，對研磨性強(qiáng)、塑性強(qiáng)的巖石具有較好的效果，優(yōu)于單純回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式。鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響鉆屑的排除效率，從而較大程度上影響鉆進(jìn)效率，圓弧形鉆頭設(shè)計(jì)優(yōu)于平面設(shè)計(jì)，雖然平底PDC鉆頭具有較好的保直性，由于外出刃較小，導(dǎo)致鉆進(jìn)壓力相對較大，是影響鉆進(jìn)效率的主要因素之一。

對于兩種效果較好的鉆具組合方式，還需要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和液動錘排量優(yōu)化，保證降低鉆進(jìn)壓力，進(jìn)一步提高鉆進(jìn)效率。

液動潛孔錘可采用清水為沖洗介質(zhì)，鉆孔孔口無粉塵污染，噪聲污染小，較為適合空間狹小的煤礦井下巷道施工，在煤礦井下施工中具有良好應(yīng)用推廣前景。

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