空氣潛孔錘在礦區(qū)充填孔施工中的應用

張峰

(山東地礦集團有限公司，濟南 250013)

1 項目概況

江蘇某鐵礦于1995年開工建設，一期礦井2001年9月正式竣工投產，一期工程設計年產能力300 噸/年，采用邊生產邊基建模式；二期工程礦體埋深多數(shù)集中在140～450 m之間，已探明的鐵礦石儲量1300萬噸，占總儲量的40%，平均品位52.66%，伴生銅、鈷、金等貴重金屬，開采價值較大。隨著國內經濟的迅猛發(fā)展，市場對鋼鐵的需求日益增大，鐵礦石的開采量也隨之加大，該鐵礦的開采已逐步向深部邁進，但該礦區(qū)地下水資源豐富，巷道涌水明顯，經監(jiān)測，巷道涌水量最高時達1200 m3/h，對周邊礦區(qū)開采造成困擾。

為保障鐵礦安全開采，該鐵礦委托我單位在礦區(qū)內施工充填鉆孔2個。經了解，另一施工隊伍前期采用常規(guī)鉆進技術，出現(xiàn)了鉆遇采空區(qū)、裂隙帶泥漿液泄露問題，嚴重時，泥漿液有進無出，不但污染地下水，還造成孔壁坍塌，粘、附、卡鉆等井內事故，甚至導致鉆孔報廢而延誤工期，造成巨大經濟損失。我單位施工技術人員反復研究，根據(jù)施工礦區(qū)地層特點，采用下套管護孔換徑，礦區(qū)上部回填段及第四系層段擬采用回轉鉆進工藝，下部井段采用氣動潛孔錘鉆進工藝施工。

2 潛孔錘施工工藝特點

氣動潛孔錘鉆探施工，又稱氣動孔底沖擊回轉鉆探。在這種鉆探方法中，壓縮空氣既作為沖洗介質又作為氣動能量。在鉆頭與鉆桿間，連接一個風動潛孔錘，把通過鉆桿輸入的壓縮空氣的能量轉化為機械沖擊能，并用活塞沖擊鉆頭實現(xiàn)孔底沖擊碎巖。氣動潛孔錘特點是沖擊功大、回轉速度低、軸向鉆頭壓力低、碎巖效率高、鉆頭使用壽命長，適合鉆探中硬以上巖層。與常規(guī)泥漿回轉鉆進工藝相比，具有鉆進效率高，施工周期短，無地層污染等優(yōu)點，廣泛適用于基巖水井、頁巖氣、地熱資源勘查、礦山采空區(qū)和建筑基礎施工等領域。

3 鉆孔設計及質量要求

3.1 地層情況

0～3.0 m為混凝土地面，3.0～6.0 m為回填層，6.0～40.0 m為第四系地層，40.0～410.0 m為斜長角閃巖。

3.2 地質設計

設計井型為垂直井型，三級井身結構，套管完井。根據(jù)前期地質資料，設計井深210 m。

(2)二開：孔徑406.4 mm；穿過第四系，入基巖5 m，深約45 m，下入?377 mm×8 mm螺旋鋼管，水泥封固。

(3)三開：氣動潛孔錘施工；孔徑325.0 mm；鉆至目的層位，深約410 m，下入?194 mm充填管。

3.3 技術要求

①所有鉆孔井斜不能超過1%；②全孔下套管，無縫鋼管對接采用焊接，內壁要求光滑；③下套管后要求對孔壁與管壁之間進行水泥充填，孔底不得有漏水現(xiàn)象；④施工完畢后，鉆屑和污水現(xiàn)場清理干凈，場地恢復。

4 施工工藝

礦區(qū)上部回填段及第四系層段(40 m)擬采用回轉鉆進工藝，采用泥漿護壁牙輪鉆頭鉆進，下入?426 mm×8 mm、?377 mm×8 mm螺旋鋼管護壁，下部井段采用?325 mm氣動潛孔錘鉆進工藝施工。

4.1 鉆進技術參數(shù)

4.1.1 牙輪鉆進

鉆壓和轉速既決定著鉆頭破碎巖石的效率，又影響到鉆頭牙齒、軸承的磨損。軟地層，鉆頭以剪切作用為主，一般采用高轉速、低鉆壓；中硬地層，鉆頭產生剪切、沖擊、壓碎綜合作用，一般采用中等轉速和中、高鉆壓；硬地層，鉆頭以壓碎、沖擊為主，一般采用較高鉆壓、低轉速。

4.1.2 氣動潛孔錘鉆進

主軸轉速10～20 r/min，鉆壓25～27 kN，送風量60 m3/min。

4.2 鉆具組合

4.2.1 牙輪鉆進鉆具組合

?133 mm主動鉆桿+?127 mm鉆桿+?203 mm鉆鋌+牙輪鉆頭。

4.2.2 氣動潛孔錘鉆具組合

?133 mm主動鉆桿+?127 mm鉆桿+?203 mm鉆鋌(+?159 mm鉆鋌)+空氣潛孔錘。

治療技術內容：包括關節(jié)活動技術、肌力訓練、關節(jié)松動術、牽伸技術、平衡協(xié)調訓練、神經發(fā)育療法、神經肌肉本體感覺促進療法、運動再學習療法等。

4.3 鉆進技術方法

4.3.1 牙輪鉆進

(1)地基要平整牢固，設備安裝就位時保證“三點一線”，確保施工過程中不發(fā)生傾斜、移位等現(xiàn)象。

(2)鉆進過程中要精心操縱，平穩(wěn)送鉆，不能加壓啟動轉盤。井下出現(xiàn)起蹩跳鉆現(xiàn)象時及時起鉆檢查牙輪鉆頭。連續(xù)產生憋跳鉆時，若地面設備無問題，應立即起鉆，避免掉牙輪。

(3)鉆進中操作要平穩(wěn)，送鉆要均勻，嚴禁猛提猛放、溜鉆和鐓鉆。

(4)如發(fā)現(xiàn)鉆頭無進尺，泵壓明顯升高或降低，機械轉速突然下降，扭矩增大等現(xiàn)象時，若地面設備無問題，應起鉆檢查。

4.3.2 氣動潛孔錘鉆進

(1)鉆具下入孔內啟動空壓機后稱重，把鉆壓儀清零，緩慢轉動鉆具加壓，此時鉆壓儀顯示的數(shù)值即為鉆孔工作鉆壓，鉆壓為鉆鋌重量的30%，潛孔錘正常工作后即為正常鉆進。

(2)開孔用導向及人工扶正鉆進，轉速15～20 r/min，送風量為33 m3/min，加入鉆鋌后用鉆鋌重量的40%以內控制鉆進，即鉆鋌重量20 kN，鉆進壓力不超過8 kN(以鉆壓表稱重為準)，以此類推。鉆鋌重量超過70 kN后轉入正常鉆進。

(3)鉆進過程中，隨時關注進尺情況和鉆具聲音，若鉆進中鉆速突然降低或不進尺，且氣壓猛增，盡快將鉆具提離孔底，防止發(fā)生埋鉆和其他事故的發(fā)生。在鉆進過程中隨時觀察排渣口排渣情況是否正常，根據(jù)排出的巖渣和地層柱狀圖了解地層情況，以判斷工作是否正常。

(4)保持鉆具內孔清潔，防止?jié)摽族N活塞卡住而不能工作，防止內缸套和活塞過快磨損。

(5)鉆具接近井底0.5 m時送風，待風返回井口后，再開動鉆機轉動鉆具，掃到井底，潛孔錘工作正常后按正常參數(shù)鉆進。

(6)加鉆桿時把鉆具提離孔底，主動鉆桿出井口后方可停風、加鉆桿。

(7)每回次結束，要及時檢查潛孔錘螺紋連接及鉆頭卡銷等關鍵部位，以防潛孔錘零部件脫落井內。

5 施工過程及結果

1號鉆孔0～40 m用泥漿護壁牙輪鉆頭鉆進，40～410 m采用回轉鉆機配合空氣潛孔錘鉆進，鉆進410.56 m，順利通過采空區(qū)空巷和漏失層，最大井斜角<0.8°，孔斜完全達到設計要求，顯示出空氣潛孔錘施工鉆孔垂直度高、孔斜穩(wěn)定的特點。

此次施工總計用時17 d，鉆進用時大約8 d，其他用時9 d，鉆進用時占總用時的47%，純鉆月效率為1539.6 m(下套管、固井、修設備及等料時間排除在外)，實際鉆月效率為724.5 m。前期另一施工隊伍采用回轉工藝鉆進，平均每天進尺為12.8 m，鉆進410 m需用32 d，純鉆月效率只有384.3 m。以上數(shù)據(jù)充分顯示出空氣潛孔錘效率高的特點，比常規(guī)鉆進時效提高了3～4倍，是一種效率高、周期短的鉆進方法，屬于在礦山采空區(qū)進行鉆探的一種行之有效的方法。

6 施工經驗總結

6.1 施工注意事項

①該孔施工深度較深，產生巖粉排放較多，為滿足施工要求適時采用三通并聯(lián)兩臺壓風機，滿足氣流上返速度，增加風量，以提高排渣能力。②隨著孔深的增加，為使得鉆孔內巖粉排放干凈，可采用泡沫鉆進，即泡沫鉆進時，先送風，再泵入泡沫溶液劑，能夠有效提高巖粉排放能力。③加鉆桿后，先探明井底內殘渣，如超過0.5 m時，要先送風清渣，然后再正常鉆進。④鉆深超過100 m后，隨時觀察返上來的巖屑數(shù)量，確定巖粉全部返出后，方可進尺，以防井壁儲存過多巖屑，造成埋鉆事故。

6.2 改進意見

①由于潛孔錘的工作原理和錘頭的特殊結構，決定了鉆孔孔壁不是圓整光滑的，當鉆進速度快而轉速又高時，更容易出現(xiàn)這種現(xiàn)象，要合理控制進尺和轉速的關系，根據(jù)情況使用擴孔器。②檢修潛孔錘時，一定要重點檢修止逆閥，要保證配合間隙適中，活動靈活。止逆閥活動不靈活，會造成巖粉倒灌入潛孔錘，使之不能工作。必須保證空壓機在較低風壓中工作，環(huán)空風速得以提高，孔內巖屑才能徹底清理干凈。③本次所用的TSJ-600型鉆機在空氣潛孔錘鉆進施工中輔助時間較長，不能準確控制鉆進參數(shù)，工作可靠性較差，今后可與全液壓動力頭鉆機配合使用，可進一步提高鉆進效率，減少孔內事故的發(fā)生。