硬巖鉆進(jìn)工藝優(yōu)化高效成孔技術(shù)研究

閆　明

（河南大有能源股份有限公司新安煤礦，河南新安471800）

硬巖鉆進(jìn)工藝優(yōu)化高效成孔技術(shù)研究

閆明*

（河南大有能源股份有限公司新安煤礦，河南新安471800）

在掌握硅質(zhì)泥巖堅(jiān)硬地層巖性的可鉆性、硬度系數(shù)等鉆探性質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，通過(guò)試驗(yàn)研究，形成了一套適合硅質(zhì)泥巖的設(shè)備、鉆進(jìn)工藝方法及工藝參數(shù)，有效提高硬巖鉆進(jìn)效率，對(duì)新安煤田礦井水、瓦斯防治工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

硬巖；鉆進(jìn)；工藝；優(yōu)化；技術(shù)

新安煤田在施工水文、瓦斯鉆孔時(shí)，需穿越層厚4m左右俗稱“鐵里石”的硅質(zhì)泥巖。該層段硬度大，堅(jiān)固性系數(shù)f大于13，施工難度大，鉆進(jìn)效率低，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度。為解決這一技術(shù)難題，在掌握其堅(jiān)硬地層巖性的可鉆性、硬度系數(shù)等鉆探性質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，對(duì)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)的施工工藝進(jìn)行優(yōu)化組合，以提高施工效率。

1　技術(shù)方案

1.1鉆進(jìn)方法

針對(duì)該硬巖層段，以鉆具碎巖方式的不同，擬采取大扭矩高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)、液動(dòng)潛孔錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和氣動(dòng)潛孔錘回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)3種技術(shù)方案工藝。

（1）大扭矩鉆機(jī)高強(qiáng)鉆頭鉆進(jìn)。以水作為沖洗介質(zhì)，以攜帶、排出鉆屑，并起到冷卻鉆頭的作用。通過(guò)高給進(jìn)壓力提高切削齒壓入深度，通過(guò)高轉(zhuǎn)速提高切削次數(shù)，從而在單位時(shí)間內(nèi)增加切入深度與切削次數(shù)，達(dá)到高效鉆進(jìn)的目的。

（2）液動(dòng)潛孔錘回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)。選取液動(dòng)沖擊器+PDC鉆頭的方式，利用沖擊器的沖擊力提高符合片的切深度，堅(jiān)硬的復(fù)合片完成回轉(zhuǎn)切削，從而克服PDC鉆頭在硬巖中的切入深度小的問(wèn)題，采用回轉(zhuǎn)沖擊的方式提高硬巖鉆進(jìn)效率。

（3）氣動(dòng)沖擊器沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。通過(guò)對(duì)采取巖樣的分析，硅質(zhì)泥巖屬于脆性巖石，抗沖擊性能一般較差，巖層中含有石英巖脈，仍為脆性巖石，含有的黃鐵礦結(jié)核與硅質(zhì)泥巖無(wú)明顯結(jié)合面，考慮采用氣動(dòng)沖擊器施工方案可提高在該層的施工效率。因此，在開(kāi)孔段前20m采用氣動(dòng)潛孔錘施工，之后較軟巖層采用普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。

1.2鉆進(jìn)工藝參數(shù)分析

硬質(zhì)巖層鉆進(jìn)工藝參數(shù)主要指鉆壓、轉(zhuǎn)速和沖洗液流量，3者在鉆進(jìn)過(guò)程中相互作用，硬質(zhì)巖層鉆進(jìn)成孔過(guò)程中，當(dāng)設(shè)備、地質(zhì)條件、鉆孔參數(shù)等因素相對(duì)不變下，3參數(shù)共同影響著成孔效率和質(zhì)量。

（1）鉆壓。鉆壓也稱軸向壓力，它是孔底破碎煤巖的必要條件，其大小決定著破碎煤巖的方式和特點(diǎn)，直接影響鉆進(jìn)速度。

鉆速與鉆壓的關(guān)系曲線如圖1所示：

圖1　鉆速與鉆壓的關(guān)系曲線

Ⅰ區(qū)為表面破碎區(qū)。由于鉆壓很小，鉆速很低，破碎過(guò)程具有表面研磨性。在這種情況下破碎產(chǎn)物幾乎完全呈微細(xì)粉末，消耗的單位體積破碎功很多，破碎效率低，鉆速與鉆壓成直線關(guān)系，但鉆壓的增加快于鉆速的增加。

Ⅱ區(qū)為疲勞破碎區(qū)。由于鉆壓還不夠大，單位壓力小于巖石的壓入硬度，巖面某點(diǎn)的破碎必須經(jīng)過(guò)力的多次重復(fù)作用，破碎裂隙多次交錯(cuò)，才使巖石分離出一部分，破碎產(chǎn)物既有巖粉又有巖屑。

Ⅲ區(qū)為體積破碎區(qū)。由于鉆壓足夠，破碎過(guò)程呈現(xiàn)大體積崩落。這種情況下，鉆進(jìn)速度快，破碎產(chǎn)物為碎塊和巖屑，表面破碎的產(chǎn)物極少，單位體積破碎功最小。

在近水平孔鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆壓不僅起保證鉆頭切削刃切入地層的作用，而且在使用穩(wěn)定組合鉆具時(shí)，鉆壓的大小還決定著鉆桿彎曲強(qiáng)度的大小，從而影響鉆孔軌跡的變化。

（2）轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速即鉆頭每分鐘回轉(zhuǎn)的次數(shù)。針對(duì)純回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速對(duì)鉆速的影響如圖2所示，增大轉(zhuǎn)速對(duì)鉆速的影響如圖3所示。

圖2　轉(zhuǎn)速對(duì)鉆速的影響

圖3　增大轉(zhuǎn)速對(duì)鉆速的影響

硬質(zhì)巖層的硬度與研磨性屬于中等偏上巖石，增大轉(zhuǎn)速對(duì)鉆速的影響如曲線Ⅱ、Ⅲ所示，由圖可知鉆進(jìn)速度碎轉(zhuǎn)速的提高不斷增加，但超過(guò)一個(gè)臨界值后，鉆進(jìn)效率反而隨轉(zhuǎn)速的提高而減小，因此針對(duì)純回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)并不是轉(zhuǎn)速越高越好，而是存在一個(gè)最后轉(zhuǎn)速。

（3）沖洗介質(zhì)的流量。沖洗介質(zhì)的流量是回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的一個(gè)重要參數(shù)，其起到攜帶巖屑、冷卻鉆頭等作用，也是直接影響沖擊器、潛孔錘工作性能（沖擊工和沖擊頻率）的重要參數(shù)，從而影響鉆進(jìn)效率。保障充足的沖洗介質(zhì)流量及壓力是提高鉆進(jìn)效率的基本條件。

1.3設(shè)備選型

根據(jù)以上3種硬巖鉆進(jìn)工藝技術(shù)要求，選用大扭矩高轉(zhuǎn)速鉆機(jī)、高強(qiáng)度摩擦焊鉆桿、高強(qiáng)風(fēng)耐磨鉆頭，以達(dá)到提高鉆進(jìn)效率的目的。

（1）鉆機(jī)。目前適合該工藝的鉆機(jī)主要有ZDY4000S、ZDY3500LP、ZDY4300L（F）型等鉆機(jī)。該系列型號(hào)鉆機(jī)，具有功率大、扭矩大（≥3500kN）、轉(zhuǎn)速高（≥200r/min）、給進(jìn)壓高的特點(diǎn)，能夠滿足大扭矩、高鉆壓的施工要求，本次試驗(yàn)選用ZDY4000S型鉆機(jī)。

（2）鉆具的配套：

①鉆桿。在大扭矩鉆機(jī)選型的基礎(chǔ)上，配套選用強(qiáng)度高，抗扭性能好的?73mm（壁厚7.1mm）、?63.5mm（壁厚7.1mm）摩擦焊鉆桿。

②液動(dòng)潛孔錘。選用SZX89型液動(dòng)潛孔錘。

③氣動(dòng)沖擊器。由于新安煤田礦井井下系統(tǒng)供風(fēng)壓力在0.3～0.5MPa之間，屬于低風(fēng)壓，因此選取了SPM型低壓氣動(dòng)沖擊器。

④鉆頭。根據(jù)地層情況及鉆孔孔徑級(jí)配，選用4種型號(hào)的胎體式鉆頭：?133mm五翼內(nèi)凹，?113mm、?94mm、?75mm弧角鉆頭。

采用的弧角胎體式鉆頭具有如下特點(diǎn)：

（1）圓弧形刀翼結(jié)構(gòu)，更有利于PDC片切削巖層，提高鉆進(jìn)效率；

（2）采用分層、錯(cuò)峰布齒，布齒更加均衡合理，提高巖石切削效率；

（3）切削自由面大、切削齒數(shù)量多，更適于硬巖鉆進(jìn)；

（4）胎體式弧角鉆頭將鋼體與硬質(zhì)合金粉末通過(guò)高溫?zé)Y(jié)而成，鉆頭較普通鋼體式鉆頭具有更高的強(qiáng)度和耐磨性，在硬巖鉆進(jìn)中適用性更強(qiáng)，性價(jià)比高；

（5）弧角鉆頭上鑲焊的PDC復(fù)合片為選用優(yōu)質(zhì)、抗沖擊性能好的面包片，具有設(shè)計(jì)合理、受力均勻的特點(diǎn)，具有很高的耐磨和抗沖擊性，適合硬巖鉆進(jìn)。

2　工業(yè)試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)點(diǎn)地質(zhì)概況

新義煤礦11090軌道順槽底板巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1065m。巷道頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖夾細(xì)砂巖，厚約8m，迎頭斷面上部為泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚約2m，下部為灰黑色塊狀硅質(zhì)泥巖，厚約1.5m，底板為硅質(zhì)泥巖、灰色塊狀灰?guī)r，硅質(zhì)泥巖厚約1.1m，灰?guī)r厚約3.5m。

（1）鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在10#、12#和13#鉆場(chǎng)內(nèi)，施工6個(gè)底板鉆孔，參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

（2）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)用鉆具見(jiàn)表2。

表2　試驗(yàn)用鉆具

2.2工業(yè)試驗(yàn)鉆孔施工方案

2.2.1大扭矩鉆機(jī)高強(qiáng)鉆頭工藝方案。

（1）10-1#、10-2#鉆孔。10-1#鉆孔與10-2#鉆孔采用交叉作業(yè)方法，施工流程：

①采用?133mm弧角胎體鉆頭+?73mm外平鉆桿，鉆進(jìn)施工至11m；

②下入?108mm套管至10m，注漿固管，候凝；

③采用?94mm鉆頭+?89mm扶正器+?73mm外平鉆桿，掃孔施工至31m；

④下入?89mm套管至30m，注漿固管，候凝；

采用?75mm弧角胎體鉆頭+?63.5mm外平摩擦焊鉆桿，鉆至設(shè)計(jì)孔深。

（2）12-1#鉆孔：

①采用?113mm弧角胎體鉆頭+?113（63.5）mm扶正器+?63.5mm外平鉆桿，鉆進(jìn)施工至31m；

②下入?89mm套管至30m，注漿固管，候凝。

（3）13-3#鉆孔。13-3#鉆孔采用?113mm胎體弧角鉆頭+?63.5mm外平鉆桿，使用ZDY3200S型鉆機(jī)鉆進(jìn)施工，進(jìn)尺12m。

（4）效果分析。采用該方案共計(jì)施工了4個(gè)鉆孔，總進(jìn)尺312.3m，其中硅質(zhì)泥巖段33.3m，最高鉆進(jìn)效率達(dá)到2.4m/h。施工效率對(duì)比見(jiàn)表3。

表3　施工效率對(duì)比表

在施工10-1#與10-2#鉆孔中，采用ZDY4000S型鉆機(jī)與?133mm胎體鉆頭+?73mm外平鉆桿鉆具組合工藝，最優(yōu)的參數(shù)為：轉(zhuǎn)速170～220r/min、給進(jìn)壓力10～12MPa；

在施工12-1#鉆孔中，采用ZDY4000S型鉆機(jī)與?113mm胎體弧角鉆頭+?63.5mm外平鉆桿的鉆具組合工藝，最優(yōu)的參數(shù)為：轉(zhuǎn)速150～180r/min、給進(jìn)壓力10～12MPa；

在施工13-3#鉆孔中，采用ZDY3200S型鉆機(jī)與?113mm胎體弧角鉆頭+?63.5mm外平鉆桿的鉆具組合工藝，最優(yōu)的參數(shù)為：轉(zhuǎn)速100～120r/min、給進(jìn)壓力8～12MPa。

上述方案存在鉆機(jī)運(yùn)移、穩(wěn)固時(shí)間長(zhǎng)不利因素。

2.2.2氣動(dòng)沖擊器沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝方案

13-1#鉆孔采用?110mm釬頭+氣動(dòng)潛孔錘+?73mm外平鉆桿鉆進(jìn)施工，進(jìn)尺9.6m。鉆進(jìn)時(shí)效見(jiàn)表4。

表4　鉆進(jìn)時(shí)效表

本方案采用ZDY3200S型鉆機(jī)與?110mm釬頭+ SPM110型氣動(dòng)沖擊器+?63.5mm外平鉆桿的鉆具組合工藝，最優(yōu)的參數(shù)為：轉(zhuǎn)速80～100r/min、給進(jìn)壓力5～8MPa；

本方案在施工過(guò)程中未采用除塵措施，巷道內(nèi)粉塵污染嚴(yán)重。

2.2.3液動(dòng)回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)工藝方案

13-2#鉆孔采用?113mm胎體弧角鉆頭+液動(dòng)潛孔錘+?73mm外平鉆桿鉆進(jìn)施工，進(jìn)尺8.4m。鉆進(jìn)時(shí)效見(jiàn)表5。

表5　鉆進(jìn)時(shí)效表

本方案采用ZDY3200S型鉆機(jī)與?113mm胎體鉆頭+SZX89型液動(dòng)潛孔錘+?63.5mm外平鉆桿的鉆具工藝，最優(yōu)參數(shù)：轉(zhuǎn)速150～200r/min、給進(jìn)壓力7～10MPa；在施工過(guò)程中采用水為沖洗介質(zhì)，施工環(huán)境較好。

2.3硬巖段試驗(yàn)效率對(duì)比分析

項(xiàng)目前期對(duì)新義煤礦相同施工地點(diǎn)2014年2月6日開(kāi)始施工的9#鉆場(chǎng)2-4#鉆孔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在鉆孔0～7.6m段為硅質(zhì)泥巖，共計(jì)施工9個(gè)班次，鉆進(jìn)時(shí)間59.36h，鉆進(jìn)效率為0.128m/h。

在本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，對(duì)6個(gè)鉆孔硅質(zhì)泥巖段施工效率對(duì)比見(jiàn)表6。

表6　施工效率對(duì)比表

通過(guò)施工對(duì)比及數(shù)據(jù)分析，在3種施工方案中，氣動(dòng)沖擊器沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方案效率最高達(dá)到了12.52m/h；液動(dòng)潛孔錘回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)方案鉆進(jìn)效率次之，達(dá)到了6.55m/h；大扭矩鉆機(jī)高強(qiáng)鉆頭鉆進(jìn)方案效率是3種方案中最低的，達(dá)到了2.20m/h以上，較試驗(yàn)提高了近20倍，并且施工方法簡(jiǎn)單，無(wú)需增加鉆具及設(shè)備。

2.4鉆頭使用情況

本次試驗(yàn)共采用胎體式高強(qiáng)耐磨鉆頭四類7個(gè)鉆頭：?133mm3個(gè)、?113mm2個(gè)、?75mm1個(gè)、?110mm釬頭1個(gè)。其中?133mm五翼胎體鉆頭刀翼外圍復(fù)合片磨損嚴(yán)重，屬于正常磨損，另一只鉆頭在試驗(yàn)結(jié)束后仍在井下繼續(xù)使用；序號(hào)為113-1的?113mm弧角胎體鉆頭在施工完12-1#鉆孔后，外圍復(fù)合片磨損嚴(yán)重，且其上附著大量硬化巖粉，主要為供水壓力及水量不足，并使其水眼堵塞，導(dǎo)致鉆頭冷卻不及時(shí)高溫磨損；序號(hào)為113-2的?113mm弧角胎體鉆頭為液動(dòng)潛孔錘組合鉆頭，在高頻沖擊下雖極大的提高了鉆進(jìn)效率同時(shí)也加速了鉆頭的磨損；?75mm弧角胎體鉆頭在10-1#、10-2#鉆孔中鉆進(jìn)了206m，其效果較好，適合在該地層應(yīng)用。

3　結(jié)論及建議

3.1結(jié)論

（1）選用ZDY4000S型鉆機(jī)、高強(qiáng)摩擦焊鉆桿、胎體式鉆頭能夠滿足新安煤田硅質(zhì)泥巖高效成孔的要求。

（2）通過(guò)試驗(yàn)，形成了一套適合硅質(zhì)泥巖的設(shè)備、鉆進(jìn)工藝方法及工藝參數(shù)，有效提高硬巖鉆進(jìn)效率，硅質(zhì)泥巖段鉆進(jìn)效率提高到原來(lái)的4倍以上，單孔綜合鉆進(jìn)效率提高到原來(lái)的2倍以上。解決了由于施工超前探鉆孔速度較慢影響掘進(jìn)進(jìn)度的難題，為礦井的正常生產(chǎn)接替創(chuàng)造了條件。

3.2建議

（1）設(shè)備選型。選用ZDY4300LF、ZDY3200LF等履帶式鉆機(jī)或質(zhì)量較輕的ZDY3200S型分體鉆機(jī)，以減少輔助作業(yè)時(shí)間，進(jìn)一步提高綜合鉆進(jìn)效率。

（2）鉆具組合與方法：

①大扭矩高轉(zhuǎn)速方案—底板探水鉆孔穿越“鐵里石”：

A.?133mm胎體五翼鉆頭（或?113mm胎體弧角鉆頭）+?113（63.5）mm扶正器（5～6個(gè)串聯(lián)）+?63.5mm外平鉆桿用于下108套管。

B.?94mm胎體弧角鉆頭+?92（63.5）mm扶正器（5～6個(gè)串聯(lián)）+?63.5mm外平鉆桿用下?89mm套管。

C.?75mm胎體弧角鉆頭+?63.5mm外平鉆桿至終孔。

②大扭矩高轉(zhuǎn)速方案—頂板瓦斯鉆孔穿越“鐵里石”：

A.?113mm（或?94mm）胎體弧角鉆頭+?63.5mm外平鉆桿。

B.?94mm胎體弧角鉆頭+?63.5mm外平鉆桿至終孔。

（3）施工參數(shù)：

①在采用大扭矩高轉(zhuǎn)速方案時(shí)，轉(zhuǎn)速較合適范圍為：200～240r/min，回轉(zhuǎn)扭矩較合適的范圍為：10～15MPa；

②在液動(dòng)潛孔錘方案中，轉(zhuǎn)速較合適范圍為：150～200r/min，回轉(zhuǎn)扭矩7～10MPa；

③在氣動(dòng)潛孔錘方案時(shí)，轉(zhuǎn)速較合適范圍為：100r/min以內(nèi)，回轉(zhuǎn)扭矩較合適的范圍為：5～7MPa。

［1］張遠(yuǎn)豐.PDC鉆頭在硬巖鉆進(jìn)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)煤炭地質(zhì)，2008（9）：72-73.

［2］楊國(guó)春，等.大直徑硬巖鉆進(jìn)技術(shù)的探討［J］.長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2005（3）：7-9.

［3］吳立，等.現(xiàn)代破巖方法綜述［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2002（2）：49-51.

［4］張家軍.液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)工藝在舞陽(yáng)鐵山礦區(qū)易斜地層的應(yīng)用［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2007（2）：5-7.

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A

1004-5716（2016）09-0034-05

2015-10-09

2015-10-12

閆明（1970-），男（漢族），河南沈丘人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事礦井防治水工作。