高能射流式液動(dòng)錘在趙固一礦井下穿層注漿鉆孔中的應(yīng)用

張鵬飛， 葛 東， 程靖清， 楊冬冬， 王四一， 彭枧明

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026； 2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

目前國內(nèi)瓦斯抽采孔和煤層底板注漿孔鉆進(jìn)多采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式施工，該方式在質(zhì)地較硬的灰?guī)r地層中常常因?yàn)殂@進(jìn)效率低、鉆孔容易傾斜導(dǎo)致鉆孔周期長、鉆進(jìn)成本高等問題。堅(jiān)硬且脆性大的巖石耐沖擊抗剪切強(qiáng)度都較低。在這種情況下，采用液動(dòng)潛孔錘實(shí)施沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)成為了解決這一難題的關(guān)鍵。然而氣動(dòng)潛孔錘產(chǎn)生的沖擊火花在煤層氣環(huán)境下極易發(fā)生危險(xiǎn),且氣動(dòng)潛孔錘在狹小空間的煤層礦井鉆進(jìn)因粉塵污染的環(huán)保要求難以推廣。

液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)效率高，脆性的體積破碎使其在鉆進(jìn)硬巖地層時(shí)有明顯優(yōu)勢并且隨著巖石硬度與脆性的增加，效率提高得越為明顯。以沖擊碎巖為主回轉(zhuǎn)破碎為輔的工藝，所需要的回轉(zhuǎn)速度小、小鉆壓，低轉(zhuǎn)速不僅使鉆進(jìn)過程中不易發(fā)生孔斜，而且有效減少了卡鉆，燒鉆等孔內(nèi)事故，提高了鉆進(jìn)效率，降低了鉆進(jìn)成本。但是常規(guī)壓力(壓力降<6 MPa)的液動(dòng)潛孔錘存在沖錘沖擊末速度不高、單次沖擊能較低無法實(shí)現(xiàn)對巖石的體積破碎。SC86H型高壓高能液動(dòng)潛孔錘能夠在14 MPa甚至更高的壓降下工作，從而獲得高于常規(guī)液動(dòng)潛孔錘數(shù)倍的沖擊末速度和單次沖擊功。

吉林大學(xué)在2015年首次使用SC86H型高能射流式液動(dòng)潛孔錘進(jìn)行花崗巖巖樣的鉆進(jìn)試驗(yàn)，巖樣巖石的可鉆性等級達(dá)10級，單軸抗壓強(qiáng)度為129 MPa，液動(dòng)錘的機(jī)械鉆速達(dá)5.19 m/h，與常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相比鉆速提高數(shù)倍。此次將高能射流式液動(dòng)潛孔錘在煤礦井下試驗(yàn)屬國內(nèi)首次，高能液動(dòng)潛孔錘與2015年相比增加了回程緩沖結(jié)構(gòu)并且缸體內(nèi)部結(jié)構(gòu)與沖錘形狀等結(jié)構(gòu)也得到了優(yōu)化。試驗(yàn)由吉林大學(xué)與中煤科工集團(tuán)西安研究院合作，在河南焦作焦煤集團(tuán)趙固一礦煤礦現(xiàn)場進(jìn)行。

1 試驗(yàn)地層概況

趙固一礦煤層產(chǎn)生于石炭、二疊紀(jì)，松散層平均厚度約為600 m，煤層厚度3.64～6.58 m，煤層平均厚度約為5.3 m，煤層傾角2°～7°，位于含水豐富的奧灰含水層和太原群灰?guī)r含水層之上，底板灰?guī)r突水事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅煤礦的安全開采，因此必須進(jìn)行鉆孔注漿止水。

灰?guī)r層巖石質(zhì)地堅(jiān)硬，飽和單軸抗壓強(qiáng)度從97 MPa到195 MPa不等，使用常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速低，穿層注漿止水鉆孔的成孔效率受到了嚴(yán)重的制約。地層結(jié)構(gòu)圖如表1所示。

表1 地層結(jié)構(gòu)圖

由陜西羅克巖土工程檢測有限公司進(jìn)行的飽和單軸抗壓測試結(jié)果如表2所示，可以看出趙固一礦灰?guī)r抗壓強(qiáng)度較高，在實(shí)際鉆進(jìn)灰?guī)r層時(shí)，使用PDC回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝，鉆進(jìn)效率低。

表2 趙固一礦底板灰?guī)r飽和單軸抗壓強(qiáng)度

2 高壓高能液動(dòng)錘選型以及試驗(yàn)設(shè)備配套

2.1 高壓高能射流式液動(dòng)潛孔錘

水平鉆進(jìn)用SC86H型高壓射流式液動(dòng)潛孔錘依靠射流元件控制沖錘與回程的轉(zhuǎn)換，與傳統(tǒng)閥式液動(dòng)潛孔錘相比，沒有彈簧等易損部件，沖錘沖程階段，不再受到回程彈簧的抵消力，并且來自上腔的高壓推力始終作用在活塞使得沖錘獲得最高可達(dá)8 m/s的沖擊末速度與較大沖擊能。其主要技術(shù)參數(shù)為：適用鉆孔直徑95～115 mm，液動(dòng)潛孔錘外徑86 mm，液動(dòng)潛孔錘長度1350 mm，輸入流量180～220 L/min，壓力降9～14 MPa，活塞行程50～110 mm，沖擊功100～256 J，沖擊頻率8～14 Hz。

高壓高能射流式液動(dòng)潛孔錘的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。其工作原理：高壓水進(jìn)入射流元件產(chǎn)生附壁作用而偏向一側(cè)流道，如先附壁于左側(cè)，高壓射流就會(huì)通過射流元件進(jìn)入缸體的上腔，在上下腔壓差作用下，使得活塞桿向下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)沖錘向下沖擊。在沖擊到砧子時(shí)，會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)水擊作用，水擊信號使得射流元件內(nèi)水射流發(fā)生流道切換，從而使得高壓水進(jìn)入下腔，在壓力差的作用下使得活塞桿上行，帶動(dòng)沖錘回程運(yùn)動(dòng)，當(dāng)活塞桿到達(dá)上頂點(diǎn)又會(huì)產(chǎn)生水擊信號使得射流切換流道，活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)沖錘高頻往復(fù)沖擊。

1—濾杯；2—上接頭；3—碟形彈簧；4—密封蓋；5—射流元件；6—缸體；7—外缸；8—活塞；9—下缸蓋；10—中接頭；11—外管；12—沖錘；13—半圓卡；14—花鍵套；15—球齒鉆頭

圖1高壓高能射流式液動(dòng)潛孔錘結(jié)構(gòu)示意圖

與傳統(tǒng)射流式液動(dòng)錘相比，SC86H型高能液動(dòng)錘的射流元件采用信號道側(cè)置式兩體式結(jié)構(gòu)，提高了射流元件的密封性能與射流切換的穩(wěn)定性，并且硬質(zhì)合金射流元件更加耐沖蝕耐高速射流；常規(guī)射流沖擊器進(jìn)入下腔的流體通路是由缸體和沖擊器外管配合并采用橡膠密封圈密封的結(jié)構(gòu)，密封圈在高壓高速流體沖刷下極易損壞，SC86H型高壓高能液動(dòng)錘通過缸體上直接加工出液流上下腔通道及臺階來替代原有結(jié)構(gòu)，保證密封的同時(shí)還能避免高壓高速射流沖蝕密封圈致密封失效的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)上接頭的蝶形彈簧設(shè)計(jì)通過周期性形變也保證了整體密封增加了射流沖擊器工作的連續(xù)性與穩(wěn)定性。除此之外，對沖錘、活塞桿與襯套等結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也都保證了高能射流式液動(dòng)錘的耐高壓性能。高壓保證了沖錘更高的沖擊末速度從而獲得更大的沖擊能，配合球齒鉆頭從而使液動(dòng)錘達(dá)到更好的體積破碎效果。

2.2 鉆機(jī)

煤礦井下空間狹小，所以選用鉆機(jī)應(yīng)具備結(jié)構(gòu)合理，技術(shù)性能先進(jìn)、工藝適應(yīng)性強(qiáng)、操作省力、安全可靠、解體性好、搬遷方便等優(yōu)點(diǎn)。中煤科工集團(tuán)西安研究院研發(fā)的ZDY3200S(MKD-5S)型鉆機(jī)是一種低轉(zhuǎn)速、大扭矩、能夠鉆進(jìn)大口徑孔的全液壓坑道鉆機(jī)。高壓液動(dòng)潛孔錘與鉆機(jī)等設(shè)備連接如圖2所示。其主要技術(shù)參數(shù)：額定轉(zhuǎn)矩3200 N·m，額定轉(zhuǎn)速220 r/min，鉆桿直徑73 mm，主軸通孔直徑75 mm。主軸傾角0～±90°，最大給進(jìn)力112 kN，給進(jìn)速度0～±90 mm/s，最大起拔力77 kN，起拔速度0～0.32 m/s，適用鉆孔深度0～350 m，終孔直徑150～200 mm，主機(jī)外形尺寸(長×寬×高)2300 mm×1100 mm×1560 mm，鉆機(jī)質(zhì)量2040 kg。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備與裝置連接示意圖

2.3 高壓泥漿泵

液動(dòng)潛孔錘所需壓力降14 MPa，考慮鉆桿和管路等壓力降，留足余量，流量250 L/min左右(液動(dòng)潛孔錘工作流量180～240 L/min，實(shí)驗(yàn)室臺架和地面鉆進(jìn)試驗(yàn)時(shí)，220 L/min對應(yīng)的壓力降為14 MPa)。流量過低，硬巖鉆進(jìn)效率低，流量過高，壓力降和沖擊功過大，可能破壞鉆頭。配合變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，泵量調(diào)節(jié)方便。本次試驗(yàn)使用的是BRW-400型高壓泥漿泵，其主要性能參數(shù)如表3所示。

表3 BRW-400型高壓泥漿泵主要技術(shù)參數(shù)

3 工程試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)和鉆孔參數(shù)

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在趙固一礦16021工作面上順槽外5號鉆場外5-9鉆孔，18011工作面下順槽內(nèi)9號鉆場內(nèi)9-8鉆孔，18011工作面下順槽內(nèi)9號鉆場內(nèi)9-10鉆孔，共3個(gè)鉆孔。試驗(yàn)鉆孔的參數(shù)如表4所示。

表4 試驗(yàn)鉆孔的參數(shù)

3.2 入孔前的孔口動(dòng)作試驗(yàn)

在16021工作面5-9試驗(yàn)鉆孔注漿固孔24 h后未進(jìn)行掃孔?？紤]到水泥的硬度較低，不利于發(fā)揮液動(dòng)潛孔錘的碎巖效果，為了完成液動(dòng)潛孔錘的孔口試驗(yàn)工作，將若干粒徑30 mm左右的礫石投放孔中達(dá)到一定厚度，將液動(dòng)潛孔錘、過濾鉆桿、高壓水便等連接好，開泵使液動(dòng)潛孔錘工作，礫石很快被敲碎并上返至孔口，上返巖屑如圖3所示，以10 mm左右的粒徑為主。表明液動(dòng)潛孔錘在井下以體積破碎為主，液動(dòng)潛孔錘工作正常，沖擊功較大，后面添加的礫石瞬間敲碎，直至打到孔內(nèi)水泥停鉆。

圖3 液動(dòng)潛孔錘孔口動(dòng)作試驗(yàn)時(shí)破碎的礫石巖屑

3.3 鉆進(jìn)試驗(yàn)

現(xiàn)場鉆桿已使用很長時(shí)間，磨損較嚴(yán)重，連接后試驗(yàn)時(shí)當(dāng)壓力達(dá)6 MPa時(shí)即嚴(yán)重泄漏。在18011工作面9-8孔試驗(yàn)準(zhǔn)備了麻線纏繞鉆桿絲扣，確保每連接一根鉆桿密封良好，下鉆桿時(shí)每根都進(jìn)行試壓，確保不漏，孔深50 m左右，考慮到軟巖層距離灰?guī)r層之間巖層的層距較短且質(zhì)地較軟，嘗試用液動(dòng)潛孔錘打軟巖層，能夠正常鉆進(jìn)，后來鉆速突然加快，說明液動(dòng)潛孔錘已經(jīng)穿過軟巖層鉆到灰?guī)r層。

在18011工作面9-10試驗(yàn)鉆孔鉆進(jìn)達(dá)到灰?guī)r層，繼續(xù)液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)試驗(yàn)。泵壓15 MPa，轉(zhuǎn)速45 r/min，給進(jìn)壓力2 MPa，產(chǎn)生明顯進(jìn)尺。而后逐漸調(diào)節(jié)鉆進(jìn)參數(shù)，泵壓16 MPa，轉(zhuǎn)速55 r/min，給進(jìn)壓力3 MPa，此鉆進(jìn)參數(shù)下機(jī)械鉆速達(dá)到7.6 m/h；泵壓17 MPa，轉(zhuǎn)速55 r/min，給進(jìn)壓力3 MPa，在此鉆進(jìn)參數(shù)下鉆速達(dá)到9.4 m/h；使用非取心回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝鉆進(jìn)此灰?guī)r層的鉆速為2～3 m/h，轉(zhuǎn)速為160 r/min。高能射流式液動(dòng)潛孔錘是常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)速度的2.5～3倍。然后繼續(xù)給進(jìn)，控制轉(zhuǎn)速55 r/min，給進(jìn)壓力表3 MPa，在此鉆進(jìn)參數(shù)下鉆速可以穩(wěn)定達(dá)到9.0 m/h。上返巖屑如圖4所示，巖屑粒徑大約5 mm,明顯可以看出碎巖的方式是球齒的沖擊剪崩大體積破碎，并且粒徑大小差異不大，說明不存在重復(fù)破碎,這是由于高壓高能液動(dòng)潛孔錘能夠適用高泵壓，高泵壓提供了較高的孔內(nèi)水流速度，可以有效地將巖屑攜至孔口，這也是高壓高能液動(dòng)潛孔錘能夠高效鉆進(jìn)的原因。

圖4 SC86H型高能射流式液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)產(chǎn)生的灰?guī)r巖屑

3.4 試驗(yàn)分析

(1)SC86H型高壓高能液動(dòng)潛孔錘在質(zhì)地較硬的灰?guī)r層鉆速可穩(wěn)定達(dá)到9 m/s，是回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)速度的3倍左右。能有這樣的效果一方面表明射流式高能液動(dòng)潛孔錘對于硬巖沖擊鉆進(jìn)達(dá)到了剪崩體積破碎的水平，對于硬巖來說，體積破碎比研磨破碎效率更高，另一方面液動(dòng)潛孔錘的沖錘會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊力，避免了回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)因?yàn)榻o進(jìn)壓力不足產(chǎn)生的無法進(jìn)行正常鉆進(jìn)的問題。

(2)考慮到整套鉆桿設(shè)備會(huì)在連接處有1 MPa左右的水壓力的泄露，SC-86H型高壓高能液動(dòng)潛孔錘能夠在15 MPa左右的壓力降下正常工作并且轉(zhuǎn)速與孔底壓力對鉆進(jìn)效率有重要的影響，當(dāng)轉(zhuǎn)速為55 r/min，孔底壓力為6.5 kN時(shí)，鉆速達(dá)到最大。

(3)巖屑粒徑大小比較一致，是由于高壓高能液動(dòng)潛孔錘能夠在高泵壓條件下穩(wěn)定工作，在高速水循環(huán)下被破碎的巖石能夠及時(shí)隨著鉆井液排出孔外，破碎巖石過程中幾乎沒有重復(fù)破碎，這對鉆速的提升有著積極的影響。

4 結(jié)語

本次試驗(yàn)表明SC86H型高壓高能液動(dòng)潛孔錘在煤礦井下定向鉆進(jìn)中能較好地克服嚴(yán)苛的井下條件，并且對質(zhì)地較硬的灰?guī)r層能進(jìn)行高效率鉆進(jìn)，其使用的ZDY3200S(MKD-5S)型鉆機(jī)、BRW-400型高壓泥漿泵和SC86H型高壓高能液動(dòng)潛孔錘有良好的配合性。

高壓高能液動(dòng)潛孔錘以清水為沖洗介質(zhì)，相較于氣動(dòng)潛孔錘無粉塵顆粒的污染，適宜在煤礦井下狹小的空間施工，而且適合復(fù)雜的井下氣體環(huán)境，與傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相比效率高出數(shù)倍，因此在煤礦井下鉆進(jìn)中有很好的應(yīng)用前景。

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