基于單柱齒破巖過(guò)程的高壓液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)試驗(yàn)研究

豆旭謙，姚寧平，李秀山，王 力，張 凱，魏宏超

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077；3.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司地質(zhì)勘探工程分公司，安徽 淮南 232052)

穿層鉆孔是煤礦井下瓦斯、水害防治的主要技術(shù)手段之一[1-3]，我國(guó)一些礦區(qū)在井下施工穿層鉆孔時(shí)會(huì)鉆遇硬巖，存在鉆進(jìn)效率降低、鉆頭損壞加快的問(wèn)題，影響礦井安全高效生產(chǎn)，增加煤炭生產(chǎn)的成本[4-5]。為了攻克煤礦井下穿層鉆孔硬巖鉆進(jìn)效率低的問(wèn)題，目前沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法是行之有效的手段[6-8]。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法的特點(diǎn)是鉆壓低、轉(zhuǎn)速低、沖擊頻率高，在堅(jiān)硬脆性巖石地層中鉆進(jìn)，具有鉆進(jìn)效率高、鉆頭磨損慢和鉆孔保直性好等優(yōu)點(diǎn)。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)驅(qū)動(dòng)方式有氣動(dòng)和液動(dòng)2 種，氣動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)已在我國(guó)一些礦區(qū)井下進(jìn)行了試驗(yàn)并取得了良好的推廣應(yīng)用效果[9-10]，在氣動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)沖擊器結(jié)構(gòu)及鉆進(jìn)工藝參數(shù)的優(yōu)化方面做了大量的研究工作[11-13]；液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)需要孔內(nèi)安裝高壓液動(dòng)沖擊器，吉林大學(xué)研制出了高能射流式?jīng)_擊器[14]，首次在花崗巖中進(jìn)行了鉆進(jìn)試驗(yàn)，機(jī)械鉆速有了顯著提高；并隨后在河南煤業(yè)化工集團(tuán)焦煤公司趙固一礦井下灰?guī)r地層中進(jìn)行了試驗(yàn)，鉆速較常規(guī)PDC 鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)提高了2.5～3 倍[15]；國(guó)外高壓液動(dòng)沖擊器效能較好的有瑞典的Wassara 高壓液動(dòng)沖擊器，該沖擊器在國(guó)內(nèi)煤礦井下進(jìn)行了初步試驗(yàn)[16]，但是由于只試驗(yàn)了1 只鉆頭，且進(jìn)尺量較少，未充分研究該高壓液動(dòng)沖擊器的工作特性、裝備配套和工藝適用性。

研究在煤礦井下環(huán)境使用Wassara 沖擊器，獲得高壓液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的鉆具、裝備配套和工藝參數(shù)，可提高煤礦井下超硬巖層鉆進(jìn)效率，改善鉆場(chǎng)的工作環(huán)境。因此，筆者對(duì)Wassara 高壓液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)在煤礦井下的應(yīng)用做了較系統(tǒng)的研究和總結(jié)。分析單柱齒破碎坑形態(tài)和破巖過(guò)程，以期指導(dǎo)高壓液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝參數(shù)的選擇，優(yōu)選主要設(shè)備和鉆具，并在淮南潘三礦進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到高壓液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速，分析機(jī)械鉆速與主要技術(shù)參數(shù)之間的關(guān)系。

1 高壓液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)

1.1 高壓液動(dòng)沖擊器

高壓液動(dòng)沖擊器[17]是一種利用高壓清水作為能量介質(zhì)的孔底輔助碎巖鉆具，通常配套專(zhuān)用鉆頭，工作時(shí)需要清水的壓力較高，一般在10 MPa 以上。Wassara 沖擊器主要由殼體、沖擊活塞、配流閥總成、過(guò)濾器、上下連接接頭等組成。Wassara 系列高壓液動(dòng)沖擊器直接安裝在專(zhuān)用鉆頭后部，采用的清水驅(qū)動(dòng)壓力可達(dá)到18 MPa，其優(yōu)點(diǎn)為沖擊功大、沖擊頻率高、能量利用率高、碎巖效率高和對(duì)環(huán)境污染小等。但其對(duì)工作環(huán)境的要求高，要求清水的過(guò)濾精度不低于50 μm，清水中的最大固相質(zhì)量濃度不大于50 mg/L。由于所需清水的壓力高，需要配套專(zhuān)用高壓清水泵，對(duì)清水泵的性能要求較高。另外，由于沖擊器的沖擊功大、頻率高，配套的鉆機(jī)和鉆具容易損傷，需要及時(shí)維護(hù)保養(yǎng)。

1.2 沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)機(jī)理

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)較好地綜合了沖擊鉆進(jìn)和回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的特點(diǎn)，鉆進(jìn)時(shí)鉆頭在承受一定靜荷載的基礎(chǔ)上，通過(guò)縱向沖擊力和回轉(zhuǎn)切削力共同破碎巖石，是一種以沖擊為主、回轉(zhuǎn)為輔的鉆進(jìn)方法，主要靠專(zhuān)用鉆頭沖擊碎巖，軸向靜壓力主要用來(lái)克服沖擊產(chǎn)生的反彈力[16]。沖擊荷載碎巖的特點(diǎn)是接觸應(yīng)力瞬間可達(dá)到極高值，應(yīng)力比較集中，所以盡管巖石的動(dòng)硬度比靜硬度大，仍易產(chǎn)生裂紋，而且?guī)r石的脆性愈大，沖擊速度愈高，硬巖的裂隙發(fā)育愈顯著，鉆進(jìn)效果越好。因此，沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用較小的沖擊能，就可以破碎堅(jiān)硬的巖石，一般適用于脆性的堅(jiān)硬巖石地層[18]。

沖擊回轉(zhuǎn)碎巖過(guò)程中，鉆頭受軸向靜壓力、沖擊力和回轉(zhuǎn)力矩共同作用，靜壓力使鉆頭與巖石緊密接觸并克服反彈力，使堅(jiān)硬巖石產(chǎn)生彈性變形，將沖擊功有效地傳遞給巖石；沖擊力對(duì)巖石破碎產(chǎn)生更大的作用，巖石在沖擊脈沖作用下發(fā)生體積破碎，產(chǎn)生局部崩解；回轉(zhuǎn)力矩可使鉆頭在沖擊碎巖的同時(shí)還有切削碎巖的作用，鉆具的回轉(zhuǎn)能夠變換鉆頭沖擊齒的沖擊位置，在移動(dòng)中產(chǎn)生回轉(zhuǎn)力矩將裂隙發(fā)育的“巖脊”剪切掉。

2 柱齒破巖過(guò)程和工藝參數(shù)分析

2.1 破碎坑形態(tài)分析

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中，主要依靠沖擊荷載沖擊孔底巖石形成破碎坑，部分沖擊能量傳遞到破碎坑周?chē)鷰r體，產(chǎn)生裂隙和振動(dòng)，周?chē)鷰r體弱化，強(qiáng)度降低。蔡燦等[19]根據(jù)前人建立的物理模擬沖擊試驗(yàn)，通過(guò)觀察破碎坑的形貌圖，認(rèn)為破碎坑近似圓形向外部擴(kuò)展，將破碎坑劃分為：密實(shí)區(qū)、開(kāi)裂區(qū)和彈性區(qū)。朱海燕等[20]建立有限元數(shù)值模型，通過(guò)仿真計(jì)算分析，將單牙齒破碎坑分為破碎區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)、損傷區(qū)和彈性區(qū)。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法中鉆頭為球形或者錐形的柱齒，鉆進(jìn)的巖層通常為非常堅(jiān)硬的脆性巖石。因此，在前述學(xué)者分區(qū)的基礎(chǔ)上，從更符合沖擊碎巖現(xiàn)象和力學(xué)本質(zhì)角度，基于連續(xù)破巖過(guò)程理論分析，將柱齒在沖擊荷載下的破碎坑的形態(tài)劃分為崩解區(qū)、密實(shí)區(qū)、開(kāi)裂區(qū)和彈性區(qū)4 個(gè)區(qū)域，模型如圖1 所示。

圖1 柱齒沖擊破碎坑分區(qū)模型Fig.1 Partition model of crushing pit in column tooth

崩解區(qū)：鉆頭在鉆柱推進(jìn)力作用下與孔底巖石接觸，施加預(yù)緊力，巖石產(chǎn)生彈性形變。當(dāng)柱齒被施加瞬時(shí)沖擊力后，能夠侵入巖石，迫使侵入部分巖體發(fā)生崩解，產(chǎn)生體積破碎。碎裂的巖屑沿柱齒表面向自由空間散射，所形成的由柱齒侵入部分占據(jù)的空間為崩解區(qū)，崩解區(qū)的存在是沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)能夠?qū)崿F(xiàn)沖擊碎巖的基礎(chǔ)。

密實(shí)區(qū)：崩解區(qū)向外擴(kuò)展的局部區(qū)域，由于受到瞬時(shí)沖擊力的作用，貼在柱齒表面的巖石呈細(xì)粉末態(tài)向周?chē)鷰r石浸透，使周?chē)鷰r石內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)形變，產(chǎn)生擠密效應(yīng)。

開(kāi)裂區(qū)：該區(qū)域的巖體由于受到瞬時(shí)沖擊力的作用，巖石的原生裂隙在沖擊波的作用下進(jìn)一步擴(kuò)展，并在集中應(yīng)力作用下形成一些新的裂隙，降低了區(qū)域內(nèi)巖石的強(qiáng)度。

彈性區(qū)：沖擊波的能量在巖石內(nèi)傳遞的過(guò)程中發(fā)生衰減，使該區(qū)域內(nèi)的巖石產(chǎn)生彈性形變，并在瞬時(shí)沖擊完成后，巖石恢復(fù)至原狀態(tài)。

2.2 連續(xù)破巖過(guò)程分析

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中，柱齒的“預(yù)緊-沖擊-回轉(zhuǎn)-沖擊-回轉(zhuǎn)”實(shí)現(xiàn)了對(duì)孔底巖石的破碎，研究單柱齒連續(xù)2 次沖擊破巖的過(guò)程，進(jìn)行鉆進(jìn)工藝參數(shù)的優(yōu)化，是提高沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)效率的基礎(chǔ)。由于沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法中沖擊器的沖擊頻率非常高，2 次沖擊間隔的時(shí)間很短，在進(jìn)行連續(xù)沖擊破巖過(guò)程分析中，為了簡(jiǎn)化分析，將2 次沖擊之間的弧線段等效成直線。鉆進(jìn)過(guò)程中，在沖擊器沖擊頻率一定的情況下，鉆機(jī)轉(zhuǎn)速的高低可導(dǎo)致柱齒在連續(xù)破巖過(guò)程中，出現(xiàn)大間隔沖擊和小間隔沖擊2 種情況。

如圖2a 所示，在大間隔沖擊情況下，2 次沖擊之間的間隔距離為T(mén)B，在T點(diǎn)沖擊之后，形成以T點(diǎn)為中心的破碎坑，中間為崩解區(qū)，向外擴(kuò)展為密實(shí)區(qū)和開(kāi)裂區(qū)。當(dāng)柱齒按圖示方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，鉆頭的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩將使柱齒給密實(shí)區(qū)巖體施加剪切力，在剪切力的作用下，密實(shí)區(qū)產(chǎn)生剪切滑移，并向前推進(jìn)至開(kāi)裂區(qū)。由于沖擊間隔中縱向沖擊力的缺失，預(yù)緊力不足以克服巖石抵抗繼續(xù)壓入的向上的阻力，在回轉(zhuǎn)力的作用下產(chǎn)生一部分剪切破碎的同時(shí)，將迫使柱齒逐漸向后縮退，形成弧形的TA段，至彈性區(qū)內(nèi)點(diǎn)A將不再會(huì)產(chǎn)生剪切破碎，而是產(chǎn)生表面研磨，并在運(yùn)動(dòng)至點(diǎn)B時(shí)進(jìn)行了第二次沖擊。由于沖擊間隔較大，將出現(xiàn)如圖紅色線圈區(qū)域所示的“巖脊”。

圖2 連續(xù)沖擊破巖過(guò)程Fig.2 Schematic diagram of the continuous rock-breaking process

如圖2b 所示，在小間隔沖擊情況下，2 次沖擊之間的沖擊間隔為T(mén)B'，TA段的剪切滑移階段與圖2a 相同，表面研磨運(yùn)動(dòng)至B'點(diǎn)時(shí)，進(jìn)行了第二次沖擊。B'點(diǎn)的位置在T點(diǎn)沖擊的開(kāi)裂區(qū)之外，但在柱齒B'位置侵入過(guò)程中，靠近T側(cè)密實(shí)區(qū)和開(kāi)裂區(qū)的巖體已被滑移剪切掉一部分，另外一部分受第一次沖擊的影響強(qiáng)度降低，并在B'位置的沖擊荷載下完全崩解，2 次沖擊間隔之間將不會(huì)出現(xiàn)圖2a 所示“巖脊”。

圖2 所示的2 種情況將對(duì)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法的碎巖效率產(chǎn)生較大影響，柱齒瞬間沖擊力的大小直接影響破碎坑的形態(tài)；鉆柱推進(jìn)力影響柱齒的預(yù)緊力，并與回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩一起決定了滑移剪切碎巖能力；沖擊間隔的大小取決于沖擊器的沖擊頻率和鉆頭的轉(zhuǎn)速。

2.3 基于破巖過(guò)程的工藝參數(shù)討論

1)清水流量和壓力

Wassara 高壓液動(dòng)沖擊器的啟動(dòng)壓力為6 MPa，推薦高效工作壓力為18 MPa。沖擊器規(guī)格不同所需流量也不同，對(duì)某一規(guī)格的沖擊器，隨著沖擊器使用時(shí)間加長(zhǎng)，相同工作壓力條件下，沖擊器所需的流量會(huì)變大，這主要是由于沖擊器內(nèi)部閥和活塞的磨損，導(dǎo)致泄漏量增大。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，首先要保證滿足沖擊器的設(shè)計(jì)壓力和流量要求，才能保證沖擊器產(chǎn)生相應(yīng)較高的沖擊能量和沖擊頻率。

2)鉆機(jī)給進(jìn)壓力

鉆機(jī)的給進(jìn)壓力使鉆頭與孔底緊密接觸并克服沖擊反彈力，鉆機(jī)液壓缸的推進(jìn)力計(jì)算公式為：

式中：FL為液壓缸推進(jìn)力，N；D為液壓缸直徑，mm；d為液壓缸活塞桿直徑，mm；Δp為 給進(jìn)壓差，MPa；η為總傳動(dòng)效率，取0.85。

根據(jù)試驗(yàn)選用的ZDY4000LPS 鉆機(jī)推進(jìn)液壓缸參數(shù)，考慮鉆孔深度逐漸增大以及鉆進(jìn)過(guò)程中鉆桿自重，取高壓液動(dòng)沖擊器鉆進(jìn)段鉆桿自重影響推進(jìn)力的范圍為0～8 kN；根據(jù)煤礦井下試驗(yàn)條件，優(yōu)選Wassara 80(W80)型沖擊器進(jìn)行試驗(yàn)，其推薦的推進(jìn)力為10 kN。通過(guò)式(1)計(jì)算獲得的鉆機(jī)給進(jìn)壓力為2.0～3.6MPa，因此，在開(kāi)孔后鉆進(jìn)時(shí)，鉆機(jī)給進(jìn)壓力要求大于2.0 MPa，隨著鉆孔孔深的增大，應(yīng)逐漸均勻增加給進(jìn)壓力，但不宜超過(guò)3.6 MPa。

3)鉆機(jī)轉(zhuǎn)速

根據(jù)前述連續(xù)破巖過(guò)程分析，鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速提供了鉆頭柱齒在孔底沖擊面上沖擊位置的移動(dòng)，轉(zhuǎn)速過(guò)高會(huì)使柱齒2 次沖擊之間的“巖脊”過(guò)大，在回轉(zhuǎn)力的作用下“巖脊”不易剪切掉，未能實(shí)現(xiàn)高效碎巖，會(huì)降低沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)效率；轉(zhuǎn)速過(guò)低，會(huì)使柱齒2 次沖擊之間轉(zhuǎn)過(guò)的間隔太小，出現(xiàn)重復(fù)破碎，導(dǎo)致鉆頭柱齒磨損過(guò)快，降低鉆頭的使用壽命。鉆機(jī)轉(zhuǎn)速可按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：S為柱齒2 次沖擊之間的間隔距離，mm；n為鉆機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；r為柱齒中心與鉆頭中心的距離(柱齒中心距)，mm；f為沖擊器的沖擊頻率，Hz。

Wassara 高壓液動(dòng)沖擊器沖擊頻率非常高，通常在60 Hz 左右，鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)與沖擊器的沖擊頻率相適應(yīng)。由于在大間隔沖擊破碎情況下形成“巖脊”，會(huì)降低沖擊破巖的效果。假設(shè)為小間隔沖擊，2 次沖擊密實(shí)區(qū)相鄰，單次沖擊破碎坑直徑為柱齒直徑的一半，為5 mm，確定柱齒2 次沖擊的間隔距離S為5 mm，f=60 Hz，根據(jù)式(2)計(jì)算不同柱齒中心距所需鉆機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)速(表1)。

表1 不同柱齒中心距所需鉆機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)速Table 1 Optimal speed of the column tooth at different radius positions

從表1 可以看出，在相同的沖擊頻率下，不同柱齒中心距所需要的最優(yōu)轉(zhuǎn)速各異，綜合考慮鉆頭靠外和靠?jī)?nèi)柱齒的布齒結(jié)構(gòu)，平衡鉆頭面上靠?jī)?nèi)柱齒的磨損和靠外柱齒剪切需要，可取鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速為80 r/min。

3 試驗(yàn)設(shè)備和鉆具優(yōu)選

3.1 鉆 機(jī)

試驗(yàn)優(yōu)選了中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司研制的硬巖沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)專(zhuān)用ZDY4000LPS 雙速全液壓鉆機(jī)，該鉆機(jī)具有動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速高低雙速調(diào)節(jié)功能，低速檔轉(zhuǎn)速為20～60 r/min，高速檔轉(zhuǎn)速為60～120 r/min，可適應(yīng)不同介質(zhì)類(lèi)型沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的需要，在硬巖鉆孔工程中可方便及時(shí)切換轉(zhuǎn)速檔位，鉆機(jī)如圖3 所示，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Main technical parameters of the drilling rig

圖3 硬巖專(zhuān)用ZDY4000LPS 鉆機(jī)Fig.3 ZDY4000LPS drilling rig for hard rock

3.2 高壓液動(dòng)沖擊器與鉆桿

根據(jù)淮南潘三煤礦穿層鉆孔設(shè)計(jì)、鉆具級(jí)配方案以及井下試驗(yàn)環(huán)境條件，試驗(yàn)優(yōu)選W80 型高壓液動(dòng)沖擊器，沖擊器實(shí)物如圖4 所示，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3，沖擊器外徑為91 mm。鉆桿選用外徑為73 mm 的高壓密封鉆桿，鉆桿接頭處安裝有“O”型密封圈，避免沖擊器在高壓狀態(tài)下鉆桿接頭處產(chǎn)生泄漏，造成較大的壓力損失，影響沖擊器效能的發(fā)揮。

表3 W80 型高壓液動(dòng)沖擊器主要技術(shù)參數(shù)Table 3 Main technical parameters of the W80 high-pressure hydraulic impactor

圖4 W80 型高壓液動(dòng)沖擊器Fig.4 W80 high-pressure hydraulic impactor

3.3 鉆頭與單向閥

根據(jù)前期試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，由于硬巖的研磨性高，鉆進(jìn)過(guò)程中易造成鉆頭縮徑，縮徑后鉆頭外徑接近沖擊器外徑，造成沖擊器外壁與鉆孔孔壁產(chǎn)生摩擦，損壞沖擊器。為避免上述情況，優(yōu)選鉆頭直徑為102 mm 的沖擊鉆頭，沖擊器外徑與鉆頭之間的級(jí)差為11 mm，鉆頭如圖5 所示。同時(shí)，為避免不工作時(shí)巖屑和污水反流進(jìn)入沖擊器，需在沖擊器與鉆桿之間安裝單向閥，單向閥如圖6 所示。

圖5 W80 型沖擊器專(zhuān)用鉆頭Fig.5 Drilling bit of W80 impactor

圖6 W80 型沖擊器專(zhuān)用單向閥Fig.6 Check valve of W80 impactor

3.4 清水泵站

W80 型高壓液動(dòng)沖擊器推薦的流量為70～270 L/min，根據(jù)沖擊器工作性能及現(xiàn)場(chǎng)條件，優(yōu)選了BQWL200/31.5-XQ200/12 型清水泵站，該泵站流量為200 L/min，最高可提供31.5 MPa 壓力的清水，在使用時(shí)可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，泵站清水過(guò)濾精度為630 μm，為了達(dá)到?jīng)_擊器的過(guò)濾要求，需在泵站清水出口增加一級(jí)過(guò)濾器。

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)區(qū)概況

在淮南潘三煤礦進(jìn)行試驗(yàn)，地點(diǎn)位于2121(1)運(yùn)輸巷(西)瓦斯綜合治理巷，上覆煤層為12 煤和13-1 煤，巷頂距離13-1 煤底板為32.3～59.6 m。試驗(yàn)鉆場(chǎng)位于該巷道31 號(hào)鉆場(chǎng)，巷道剖面和巖性柱狀圖顯示，該位置巷道位于平均厚度為16.2 m 砂質(zhì)泥巖底部，向上依次為平均厚度4.8 m 的粉砂巖、23.4 m 石英砂巖、8.2 m砂質(zhì)泥巖、4 m 花斑泥巖、1.95 m 砂質(zhì)泥巖，上覆為0.5 m 的12 煤，12 煤與13-1 煤之間為3.35 m 的砂質(zhì)泥巖。試驗(yàn)前在該巷道7-3-4 號(hào)鉆孔進(jìn)行取心，巖心力學(xué)性質(zhì)測(cè)試可知，巷道頂部石英砂巖平均單軸抗壓強(qiáng)度最大，為111 MPa，堅(jiān)固性系數(shù)為11.1，屬于脆性堅(jiān)硬巖石。

4.2 鉆進(jìn)工藝流程及鉆孔設(shè)計(jì)

鉆進(jìn)工藝流程：首先使用“?113 mm PDC 鉆頭+?73 mm 高壓密封鉆桿+送水器”鉆具組合回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)開(kāi)孔0.5 m 深；然后使用“?102 mm 鉆頭+?91 mm高壓液動(dòng)沖擊器+單向閥+變徑接手+?73 mm 高壓密封鉆桿+送水器”鉆具組合沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；最后鉆穿硬巖層段后，換用“?94 mm PDC 鉆頭+?73 mm 高壓密封鉆桿+送水器”鉆具組合穿煤，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深，提鉆終孔。

由于鉆孔設(shè)計(jì)傾角和方位的不同，沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)穿過(guò)硬巖層段的長(zhǎng)度也不相同，傾角較大鉆孔需要穿過(guò)的硬巖層段短，傾角較小鉆孔需要穿過(guò)的硬巖層段長(zhǎng)，31 號(hào)鉆場(chǎng)試驗(yàn)鉆孔設(shè)計(jì)傾角為35°～55°。

4.3 鉆進(jìn)試驗(yàn)及分析

由于高壓液動(dòng)沖擊器的工作壓力較大，為了保證施工的安全，試驗(yàn)對(duì)清水泵的壓力進(jìn)行控制，從較低壓力起步，設(shè)定10 MPa 壓力聯(lián)合調(diào)試鉆進(jìn)系統(tǒng)的安全性，并逐漸增大清水壓力至18 MPa 進(jìn)行高壓下的試驗(yàn)；另一方面能夠根據(jù)機(jī)械鉆速數(shù)據(jù)對(duì)比不同清水壓力下沖擊器的工作能力。根據(jù)前述鉆機(jī)推進(jìn)力和轉(zhuǎn)速的討論，試驗(yàn)時(shí)采用的鉆機(jī)給進(jìn)壓力為2.0～3.6 MPa，鉆機(jī)轉(zhuǎn)速為80 r/min，清水的流量為200 L/min，鉆孔機(jī)械鉆速試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)鉆孔機(jī)械鉆速Table 4 Rate of penetration of the test drilling boreholes

根據(jù)試驗(yàn)方案，清水泵的泵壓由10 MPa 逐漸提高到18 MPa，5-7 號(hào)鉆孔采用18 MPa 試驗(yàn)時(shí)，清水泵出口的接頭炸裂。因此，考慮到連接件耐壓能力，后期清水壓力控制在15 MPa 以下進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)表4 試驗(yàn)鉆孔機(jī)械鉆速數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，在10 MPa 和12 MPa 水壓下，高壓液動(dòng)沖擊器的鉆進(jìn)效率還未完全發(fā)揮，機(jī)械鉆速均未超過(guò)20 m/h，最大為18.46 m/h。將壓力提高到15 MPa 后，高壓液動(dòng)沖擊器達(dá)到了相對(duì)理想的工作工況，5-9 號(hào)鉆孔，鉆進(jìn)進(jìn)尺63 m，完全穿越硬巖層段，機(jī)械鉆速達(dá)到27.94 m/h。試驗(yàn)中5-8號(hào)孔的機(jī)械鉆速最高，為32.17 m/h，該孔進(jìn)尺為33 m，由于孔內(nèi)事故未完全穿越硬巖層段。整體來(lái)看，沖擊器在15 MPa 及以上的水壓條件下，除5-6 號(hào)鉆孔孔內(nèi)破碎影響機(jī)械鉆速為19.11 m/h 外，其他鉆孔的機(jī)械鉆速都在20 m/h 以上，7 個(gè)鉆孔的平均機(jī)械鉆速為24.67 m/h，與采用該技術(shù)之前8.48 m/h 的機(jī)械鉆速相比提高了約1.9 倍。

W80 型高壓液動(dòng)沖擊器在18 MPa 清水壓力下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)僅有5-7 號(hào)鉆孔，其機(jī)械鉆速為26.32 m/h，與15 MPa 清水壓力下的機(jī)械鉆速相比沒(méi)有表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)，因此，認(rèn)為W80 型沖擊器在清水壓力在15 MPa 的情況下，即已達(dá)到相對(duì)理想的工作性能。同時(shí)，考慮到高壓力下鉆孔施工工程的安全性，在施工過(guò)程中無(wú)需將清水壓力提高到18 MPa。

4.4 水壓與鉆速的關(guān)系

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用一元線性回歸可擬合得到水壓與機(jī)械鉆速的關(guān)系曲線，如圖7 所示，回歸分析結(jié)果見(jiàn)表5。機(jī)械鉆速反映了沖擊器在不同工況下的鉆進(jìn)效率，由圖7 可知，剔除9-2 號(hào)鉆孔泵壓不穩(wěn)和5-8 號(hào)鉆孔未穿過(guò)硬巖段2 個(gè)異常值的影響，鉆機(jī)轉(zhuǎn)速固定為80 r/min，清水泵的流量為200 L/min 時(shí)，機(jī)械鉆速與水壓近似呈線性關(guān)系，隨著水壓的增大而線性增大。對(duì)回歸進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，取置信度α=0.05，自由度為(1,7)，查表得：F0.05(1,7)=5.59，計(jì)算得到的F=8.82＞F0.05(1,7)，相關(guān)性顯著，回歸模型成立。

圖7 水壓與機(jī)械鉆速關(guān)系Fig.7 Relationship between water pressure and rate of penetration

表5 回歸結(jié)果Table 5 Regression results

5 結(jié)論

a.針對(duì)高壓液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)，總結(jié)了Wassara 高壓液動(dòng)沖擊器的主要特點(diǎn)，基于鉆進(jìn)機(jī)理，分析了柱齒在沖擊荷載下形成的破碎坑的形態(tài)，并將其劃分為崩解區(qū)、密實(shí)區(qū)、開(kāi)裂區(qū)和彈性區(qū)，對(duì)柱齒連續(xù)破巖的大間隔沖擊和小間隔沖擊2 種情況進(jìn)行了過(guò)程分析，并與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)備鉆具結(jié)合優(yōu)選了高壓液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝參數(shù)。

b.根據(jù)淮南潘三礦的試驗(yàn)方案和環(huán)境條件，優(yōu)選了鉆進(jìn)配套ZDY4000LPS 硬巖專(zhuān)用雙速鉆機(jī)、W80型高壓液動(dòng)沖擊器、高壓密封鉆桿、專(zhuān)用鉆頭和BQWL200/31.5-XQ200/12 型清水泵站。

c.在淮南潘三礦2 121(1)運(yùn)輸巷(西)瓦斯綜合治理巷進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)清水壓力在15 MPa 以上時(shí)，高壓液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的平均機(jī)械鉆速為24.67 m/h，與采用該技術(shù)之前8.48 m/h 的機(jī)械鉆速相比提高了約1.9 倍；且機(jī)械鉆速與水壓成正比關(guān)系。

d.在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)將鉆機(jī)轉(zhuǎn)速固定為80 r/min，ZDY4000LPS 鉆機(jī)的給進(jìn)壓力推薦為2.0～3.6 MPa，清水泵的流量為200 L/min。由于試驗(yàn)用高壓液動(dòng)沖擊器和鉆頭的限制，僅對(duì)清水壓力參數(shù)的影響進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，后續(xù)可進(jìn)一步對(duì)鉆機(jī)轉(zhuǎn)速、給進(jìn)壓力等參數(shù)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究。