潛孔錘空氣鉆進工藝在大同煤田鉆井施工中的應用

李永生

關鍵字 空氣潛孔錘；鉆進工藝；煤田鉆井工程

1 潛孔錘空氣鉆進原理

潛孔錘空氣鉆進是用地面的鉆機通過高壓軟管連接鉆桿對孔底鉆頭施加壓力和扭矩，并利用高壓壓縮空氣推動潛孔錘對巖石進行沖擊碎巖，實現(xiàn)正常鉆進，同時利用壓縮空氣冷卻鉆頭將孔底巖屑排出孔內(nèi)。

潛孔錘的作用機理是沖擊巖石并非刻取、磨碎，因而鉆進效率高，其鉆進快慢程度取決于沖擊力大小、沖擊頻率快慢。如若潛孔錘回轉(zhuǎn)減慢，就要反復破碎巖石，影響鉆效、磨損合金鉆頭；若潛孔錘回轉(zhuǎn)加快、則是巖石沒有完全磨碎、造成鉆進效率低下。

2 直徑311 mm 潛孔錘空氣正循環(huán)鉆進工藝在大同煤田施工應用

2.1 潛孔錘空氣正循環(huán)工藝概述

潛孔錘空氣鉆進就是把破碎巖石的鉆頭和一個能產(chǎn)生沖擊作用的氣動裝置潛入孔底進行鉆進的一種工藝方法，這個氣動裝置叫沖擊器。它是以壓縮空氣為動力的一種沖擊工具，它所產(chǎn)生的沖擊功和沖擊頻率可以直接傳給鉆頭，然后再通過鉆機和鉆桿回轉(zhuǎn)驅(qū)動，形成對巖石的破碎能力，同時利用沖擊器排除壓縮空氣，對鉆頭進行冷卻和排粉，從而實現(xiàn)孔底沖擊回轉(zhuǎn)鉆進的目的。

正循環(huán)工藝則是采用空壓機壓縮空氣、通過高壓軟管進入車載鉆機動力頭、直徑114 mm鉆桿的內(nèi)壁、驅(qū)動直徑311 mm潛孔錘、沖擊破碎巖石，巖屑隨空氣從鉆桿外壁四周環(huán)狀間隙返出地表；于常規(guī)鉆機回轉(zhuǎn)鉆進的循環(huán)方法一致，沖洗介質(zhì)一種是泥漿、一種是空氣；看似機理類似，其實差異巨大；泥漿可以制作成高比重、泥漿泵提供循環(huán)動力，泥漿本身不可壓縮，巖屑于泥漿混合，很容易且徹底攜帶出鉆孔；空氣排渣由空氣壓縮機空氣提供動力，完全依靠空氣氣舉力來沖洗巖屑，受限氣量和壓力，攜帶能力有限。

圖1 車載鉆機潛孔錘空氣正循環(huán)示意

2.2 潛孔錘正循環(huán)鉆進適用范圍條件

潛孔錘空氣正循環(huán)鉆進施工工藝適宜地層為穩(wěn)定的巖石地層，在三大巖石地層中，沉積巖鉆進效率大于巖漿巖，巖漿巖大于變質(zhì)巖；在沉積巖中砂巖鉆進效率大于泥巖，相對來說巖性硬度變大，該種工藝的鉆進效率則會增高。但對粘土層、松散地層、破碎地層或者灰?guī)r（巖溶）含水層則不適宜，導致潛孔錘均不起錘，松軟的砂土還極易堵塞錘頭風眼，使其無法正常工作。因此在含有粘土層、松散地層、破碎地層地域采用潛孔錘空氣正循環(huán)鉆進必須采取措施封閉上述地層。

針對該類地層一般用大一級的鉆頭開孔，采用泥漿正循環(huán)鉆進工藝施工，施工到遇完整巖石地層后下置套管，用速凝水泥將孔壁與套管外環(huán)封閉，然后采用潛孔錘空氣正循環(huán)工藝進行施工。

2.3 直徑311mm潛孔錘空氣正循環(huán)鉆進施工應用情況

采用美國SCHRAMM（雪姆）車載鉆機在大同煤田塔山煤礦施工地面瓦斯抽放直徑311 mm 鉆孔、孔深500 m時，當鉆孔深度達到400 m 以下時且孔內(nèi)無較高的水位，為了快速有效地進行鉆孔的空氣正循環(huán)鉆進。避免由于風量在輸送過程中的損耗，出現(xiàn)風量不足，孔內(nèi)的巖粉排放困難，巖粉在孔內(nèi)形成渦流，而造成的埋鉆、卡鉆事故。就需要多臺空壓機并車的空氣潛孔錘鉆井方法來提高總風量，進而一次性完井達到鉆井目標。但要注意多臺空壓機并車必須保證每臺工作壓力一致，切勿大小不一致。而且潛孔錘也必須容許大風量通過，否則將造成其不必要的損壞。經(jīng)過實地技術基數(shù)比較計算。使用空氣沖洗介質(zhì)鉆進時，為對鉆渣形成有效的攜帶，需要的有效空氣上返速度為至少20 m/s。

以311 mm直徑的鉆孔、114 mm外徑的鉆桿為例，采用空氣潛孔錘正循環(huán)鉆進時：則需要的最小空氣流量計算如下：

鉆孔與孔壁形成的環(huán)空面積為：

則每分鐘所需要的最小空氣流量為79.2 m3。需要使用三臺壽力900XH～1150XH 雙工況空壓機（每臺額定工作壓力排氣量32 m3/min），通過高壓空氣管匯將三臺空壓機所輸出的高壓空氣經(jīng)鉆機的高壓管路系統(tǒng)、動力頭、114 mm 直徑鉆桿、159 mm 直徑鉆挺注入位于孔底的300 mm 空氣潛孔錘、驅(qū)動300 mm 空氣潛孔錘工作后從鉆具與孔壁的環(huán)空中攜帶鉆渣返出地面，形成空氣潛孔錘正循環(huán)，用于巖石層的鉆進。

2.4 施工時鉆具組合

潛孔錘鉆進時，需要盡可能保持鉆孔環(huán)狀間隙的暢通，以利于排渣。如使用扶正器，會阻擋鉆渣的順利排出，當?shù)貙硬环€(wěn)定而發(fā)生掉塊時，還極易卡鉆，所以在潛孔錘鉆進時一般不使用扶正器。在不使用扶正器的情況下，為保證鉆孔垂直，一方面是配置鉆具時盡可能采用鐘擺式鉆具組合，即由下至上鉆具逐級變?。涣硪环矫?，可適當減小鉆壓并進而減小扭矩，使發(fā)生孔斜的合力減到最小。通常情況用的鉆具配套為：車載鉆機全液壓動力頭+114 單壁鉆桿+159 鉆鋌+300 mm 潛孔錘（311錘頭）。

2.5 應用所得鉆進技術參數(shù)

潛孔錘鉆進操作技術雖然比較簡單容易，但是必須科學的正確選用鉆進技術參數(shù)和熟練的合理的操作，才能取得理想的鉆進效果。其主要技術參數(shù)應當包括以下幾項內(nèi)容：鉆具鉆壓和轉(zhuǎn)速、空壓機供氣量和壓力、鉆具扭矩等諸多因素，都會影響鉆進效率和鉆進質(zhì)量。如何合理選擇鉆進技術參數(shù)，優(yōu)化各種技術參數(shù)的匹配，減小不利因素隊潛孔錘鉆進的負面影響，是掌握氣動潛孔錘鉆進技術的關鍵所在。

（1）鉆壓，空氣潛孔錘鉆進的基本過程，是在鉆壓、沖擊力、回轉(zhuǎn)力三種力作用下破碎巖石。其鉆壓的主要作用是為了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，以便有效的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；鉆壓過大將會增加回轉(zhuǎn)阻力和鉆頭過早磨損。一般為9 kg/mm，經(jīng)驗值1 200 kg.

（2）轉(zhuǎn)速，空氣潛孔錘鉆進是以沖擊方式碎巖的，回轉(zhuǎn)速度是為改變鉆頭合金的沖擊破巖位置，避免重復破碎。通過潛孔錘鉆進施工得出的經(jīng)驗值：一般為20 r/min～30 r/min.

（3）風量，使用空氣沖洗介質(zhì)鉆進時，為對鉆渣形成有效的攜帶，需要有效的空氣上返速度一般至少為20 m/s。

如使用美國SCHRAMM（雪姆）車載鉆機在同煤集團燕子山煤礦施工地面救援鉆孔（生命通道孔）進行254 mm孔徑空氣潛孔錘正循環(huán)鉆進時，需要用兩臺阿特拉斯·科普柯移動式螺桿空氣壓縮機XRXS1240 空壓機（每臺額定工作壓力排氣量33 m3/min），通過高壓空氣管匯將所需空壓機所輸出的高壓空氣經(jīng)鉆機的高壓管路系統(tǒng)、動力頭、114 mm 直徑鉆桿、159 mm 直徑鉆挺注入位于孔底的200 mm空氣潛孔錘、驅(qū)動空氣潛孔錘工作后從鉆具與孔壁的環(huán)空中攜帶鉆渣返出地面，形成空氣潛孔錘正循環(huán)，用于巖石層的鉆進。施工鉆孔孔深237 m。使用空氣沖洗介質(zhì)鉆進時，為對鉆渣形成有效的攜帶，需要的有效空氣上返速度為至少20 m3/s、比較理想的上返速度為30 m3/s或更快一些。

以254 mm直徑的鉆孔、114 mm外徑的鉆桿為例，采用空氣潛孔錘正循環(huán)鉆進時：則需要的最小空氣流量計算如下：

鉆孔與孔壁形成的環(huán)空面積為：

則每分鐘所需要的最小空氣流量為48 m3。需要使用兩臺阿特拉斯·科普柯移動式螺桿空氣壓縮機XRXS1240空壓機。

（4）風壓。潛孔錘做功是靠壓縮空氣來完成的，風壓的選擇除應滿足潛孔錘工作壓力以外，還應視管道壓力損失（一般為0.1他MPa～0.3 MPa），孔內(nèi)壓降（一般為0.001 5 MPa/m）以及鉆孔涌水情況下的水柱壓力等而定，風壓的確定一般要求壓風機的輸出表壓力要比潛孔錘的額定啟動壓力大0.2 MPa～0.3 MPa即可。

3 潛孔錘施工應用需注意事項

（1）開孔如遇上部有覆蓋層，先用泥漿牙輪開孔至完整基巖后，依據(jù)鉆井設計要求進行擴孔，而后下入合適的孔口管，埋設孔口管后把周圍的間隙用混凝土填充固好，再進行鉆進。

（2）在鉆進過程中應根據(jù)鉆井深度隨時調(diào)整鉆壓。當鉆具的重量在正常的鉆壓范圍時，可用鉆具自重形成的鉆壓；隨著井孔的加深，當鉆具的重量超過所需的鉆壓時，應用鉆機的液壓提升給進裝置提升鉆具進行減壓，避免鉆壓太大損壞潛孔錘錘頭和造成孔斜。

（3）在鉆進中應隨時注意觀察空氣壓力表的變化情況。壓力突然增加是孔內(nèi)坍塌掉塊或者巖粉過多等原因造成的。這時，應立即停止鉆進，上下活動鉆具，大風量吹孔排渣，直至孔內(nèi)巖粉排凈后才能開始鉆進。壓力突然降低，是鉆具折斷或者接頭漏氣造成的，應及時提鉆檢查。

（4）在鉆進過程中需要加鉆桿，先將潛孔錘提離孔底半米左右，持續(xù)供氣吹洗鉆孔，確?？椎讕r石碎屑被清理干凈后方可加下一根鉆桿。

（5）加接鉆桿時，要特別注意鉆桿內(nèi)的清潔，以避免砂土及管內(nèi)鐵銹等贓物進入沖擊器內(nèi)，引起零部件損壞或者發(fā)生停鉆事故。所以必須保證氣路清潔通暢，并要求鉆桿絲扣涂抹絲扣油。

（6）當下鉆距離孔底0.3 m～0.5 m 時，可開啟空壓機并采用“輕壓、慢轉(zhuǎn)、低能量沖擊”進行掃孔，掃孔到底后證明沖擊器正常工作時，再改鉆進參數(shù)進行鉆進。

（7）在鉆進的過程中，每進尺1 m～2 m 左右，應把鉆具提離孔底二十公分左右進行清孔，保證孔底干凈，以防止錘頭沖擊破碎的巖屑不能及時的排出，聚集造成卡鉆、埋鉆、堵鉆等現(xiàn)象，從而影響施工正常進行。

（8）潛孔錘下到孔底送風不工作時，是活塞被卡（閥片可能損壞）。應旋轉(zhuǎn)或者輕墩鉆具，震動活塞，也可采用停風、送風反復進行的辦法，用氣體交替激蕩沖開活塞。處理無效時應提鉆檢修潛孔錘。

（9）潛孔錘下到孔底送風不通，風壓持續(xù)上升，判斷為氣路堵塞或者潛孔錘被堵被埋。此時應首先打開空壓機排氣閥門，防止由于風壓上升管路爆裂傷人或者管路突然沖開后井噴危及設備和人員。待風壓穩(wěn)定后，應迅速提升鉆具使?jié)摽族N脫離巖粉埋沒井段，觀察風壓舒服下降。若處理無效，必須提鉆清理堵塞物。

（10）正常鉆進過程中，要使用專用的潛孔錘注油器以潤滑潛孔錘零部件。

4 結(jié)語

經(jīng)過多年的鉆井生產(chǎn)施工經(jīng)驗來看，潛孔錘空氣鉆進工藝結(jié)合車載鉆機以其作業(yè)能力強、機動性能好、動力性能強、作業(yè)適應范圍廣、施工工藝安全可靠、機械操控性能良好是目前提高鉆頭在硬巖層鉆進效率的最佳選擇。而且目前車載式鉆機都是全液壓系統(tǒng)操作或者電控液壓系統(tǒng)操作的安全性能十分可靠。這為我們將來進一步研究潛孔錘空氣反循環(huán)鉆進技術，以及如何完善設備配套，掌握了鉆機操作、鉆井工藝和設備養(yǎng)護的工作方面積累了寶貴的施工經(jīng)驗。