氣動潛孔錘鉆進技術(shù)在礦井下大口徑孔施工的應(yīng)用研究

高建波

（陜西省一九四煤田地質(zhì)有限公司，陜西 銅川 727000）

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，各類工程技術(shù)水平實現(xiàn)了不斷提升。在我國社會發(fā)展過程中，對于能源資源的需求不斷擴大，進而促進了礦山開采規(guī)模的進一步擴大，同時，隨著工程開采從粗放式向集約式發(fā)展，在礦井下大口徑孔填充施工中，利用氣動潛孔錘鉆進的先進技術(shù)，改善礦山尾砂排放，提高資源回收利用率，從而滿足綠色礦山建設(shè)需求，促進礦山的可持續(xù)發(fā)展。就目前而言，我國在大口徑孔施工中設(shè)備的應(yīng)用主要以立軸式回轉(zhuǎn)或者是水井轉(zhuǎn)盤式鉆機為主，其在實際填充施工中的進度較為緩慢，并且需要的成本相對較大，尤其是在礦井下施工中，由于設(shè)備較大會為施工帶來很多困難?；诖?，本文以某礦井下大口徑孔施工項目為例，分析了在具體施工中應(yīng)用氣動潛孔錘鉆進技術(shù)的應(yīng)用效果。

1 氣動潛孔錘鉆進關(guān)鍵技術(shù)

（1）技術(shù)原理。氣動潛孔錘鉆進技術(shù)的主要應(yīng)用原理是以高壓氣體對沖擊活塞產(chǎn)生作用，促使其進行往返運動，從而對鉆頭產(chǎn)生一定的沖擊力，為其提供工作動力，進而對巖石進行沖擊破碎，同時，利用沖擊器在活動中排除的壓縮空氣，實現(xiàn)冷卻鉆頭和清除巖屑的作用。

（2）對鉆機進行優(yōu)化改進。一般來說，在進行大口徑孔施工過程中，其施工設(shè)備的選用多數(shù)是水井轉(zhuǎn)盤式鉆機，其在地面施工大口徑鉆孔具有良好的施工效果。但是，在礦井下大口徑孔的孔徑一般較大，并且在礦井下硐室內(nèi)的空間卻較為狹小，這種水井轉(zhuǎn)盤式鉆機的體積較大，并且不具有良好的解題性能，要想實現(xiàn)從井下巷道向井下硐室的運輸是沒有辦法的。在實際運用中，較為常用的一種水井轉(zhuǎn)盤式鉆機是XFC300型號的設(shè)備，通過對設(shè)備參數(shù)及技術(shù)性能進行分析對比，發(fā)現(xiàn)XY-6B型鉆機在各方面都與之相近，而這一型的鉆機具有良好的解體性能，且體量相對較小，能夠?qū)崿F(xiàn)從井下巷道的運輸。因此，鉆進的優(yōu)化改進可以由XFC300型鉆機改變?yōu)閄Y-6B型鉆機。

（3）鉆塔的選型以及優(yōu)化設(shè)計。礦井下大口徑孔施工中，井下硐室的空間相對較為狹窄，并且硐室的設(shè)計高度還需要充分根據(jù)圍巖的自穩(wěn)能力來確定，從而最大限度的降低硐室塌方的安全隱患。同時，通過對充填管重量的測算可得，400m的充填管的總重量將會大于25t。因此，在施工中如果需要下入大于400m的填充管時，對于鉆塔的選擇，其天車的最大承載力應(yīng)當(dāng)大于25t。除此之外，還需要注意的是，根據(jù)施工工藝要求，鉆塔塔身的總高度和底座的面積也需要滿足實際需求。

2 研究施工項目工程概況

2.1 工程概況

以位于H省的某銅鐵礦區(qū)井下大口徑孔施工項目為例，大口徑充填孔深為300m垂直充填孔，終孔口徑為245mm，孔斜度1%，成孔后，下入168mm的厚壁鋼管，采用水泥砂漿固井。礦井下的巷道斷面的大小約為2m*2m，鉆窩高11m，頂部面積為2m*2m，底部面積為8m*8m，井下具有良好的通風(fēng)條件，并且常溫保持在22攝氏度左右。

2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

礦區(qū)具有典型的矽卡巖銅鐵礦床，礦井圍巖主要是三疊系大理巖以及白云質(zhì)大理巖，大口徑孔周邊的巖層較為完成，裂隙發(fā)育。礦區(qū)水文地質(zhì)條件相對簡單，沒有斷層、溶洞以及大裂隙等不利影響因素，采礦區(qū)以及坑道使得地下水有條件實現(xiàn)了連通，使得局部呈現(xiàn)裂隙水發(fā)育。在鉆孔施工中，由于礦井巖石為主要為大理巖，具有較強的穩(wěn)定性，因此鉆孔結(jié)構(gòu)采用二開鉆孔結(jié)構(gòu)。先由尺寸為311mm的鉆頭進行1m鉆深，套管尺寸為300mm，套管深度為1m；然后進行二開鉆孔，鉆頭尺寸為254mm，鉆孔深度為300m。

2.3 鉆進工藝參數(shù)

（1）鉆壓。氣動潛孔錘鉆進技術(shù)在實際應(yīng)用中，與傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)鉆進施工工藝不同，其技術(shù)原理是通過氣動潛孔錘的沖擊功以及沖擊頻率，從而對巖石產(chǎn)生力的作用，擊碎巖石。在其工作過程中，鉆機輸出的鉆壓只能為保證鉆頭不會回彈，以及使鉆頭和巖石保持適當(dāng)?shù)慕佑|距離，實現(xiàn)沖擊過程中能量傳遞的改善。而隨著鉆孔逐漸深入，機具的重量就能夠滿足鉆機輸出鉆壓的要求，越往深入，還需要制定一些減壓措施，從而保證鉆頭不會在工作過程中被過度磨損。同時需要注意的是，鉆壓也不能太小，否則會導(dǎo)致沖擊力不足，影響鉆孔進度。因此，在實際施工中，對鉆壓進行反復(fù)試驗，最終確定鉆壓為3kN，從而保證能夠達(dá)到最大的機械轉(zhuǎn)速。

（2）轉(zhuǎn)速。氣動潛孔錘鉆進技術(shù)在應(yīng)用過程中，主要采用沖擊回轉(zhuǎn)鉆進施工，其重點雖然在沖擊，在回轉(zhuǎn)同樣十分重要，是為了改變鉆頭的沖擊位置，防止在巖石同一部位的重復(fù)破碎。如果回轉(zhuǎn)速度過高，則會導(dǎo)致鉆頭的快速磨損，同時也會不斷增加回轉(zhuǎn)扭矩，對鉆機設(shè)備造成一定程度上的損害。因此，氣動潛孔錘鉆進的轉(zhuǎn)速確定，需要充分考慮鉆頭的規(guī)格、巖石的硬度及可鉆性、沖擊器的性能等，在本次項目中應(yīng)用的XY-6B鉆機由于其最低正轉(zhuǎn)速較高，因此要通過變頻器降低轉(zhuǎn)速，最終將最低轉(zhuǎn)速控制在了15-40r/min。

（3）泵量。在實際施工中，為了為鉆進提供良好的外部條件，在施工中采用了泡沫鉆進的方式。泡沫鉆進主要是利用泡沫較高的清除巖粉巖屑的能力，以便于在施工中及時清理巖屑。這主要是由于泡沫具有較高的懸浮性能，以及良好的剪切稀釋性質(zhì)和觸變性。將泡沫的質(zhì)量和性質(zhì)通過水文、地質(zhì)條件以及鉆進條件對添加劑的摻量、泵量進行調(diào)整。

（4）風(fēng)壓及供風(fēng)量。由于采用的是泡沫鉆井，泡沫又是氣液混合的物質(zhì)，其對巖粉巖屑的清除主要是通過自身攜帶，因此在上返的過程中，泡沫本身及其攜帶物所產(chǎn)生的流動阻力較大，在實際施工過程中，對風(fēng)壓的要求更高。施工中需要利用空壓機為鉆孔供風(fēng)，增強孔內(nèi)的風(fēng)壓。根據(jù)鉆孔鉆進的深度不同，供風(fēng)量由23m3/min逐漸增加至45m3/min，同時也需要根據(jù)供風(fēng)量的不同，逐步增加泡沫的濃度，從而更好的對孔內(nèi)的巖粉巖屑進行清除，保證鉆進具有良好的外部條件。

3 應(yīng)用效果分析

（1）鉆進效率分析。本次工程項目施工中，采用了氣動潛孔錘鉆進技術(shù)進行了礦井下大口徑孔施工，對300m垂直充填孔進行了泡沫鉆進施工。為更好的對鉆進效率進行分析，本文采用了對比方法，在同礦區(qū)的300m垂直充填孔中采用空氣鉆進和泡沫鉆進組合形式施工工程作為比較對象。具體結(jié)論為，在空氣鉆進與泡沫鉆進共同施工的大孔徑充填孔中，鉆進總耗時為58.9h，總臺時為672h，其中空氣鉆進的平均鉆速為5.31m/h，泡沫鉆進的平均鉆速為5.27m/h，最終的臺月效率為333.2m/臺月；而通過氣動潛孔錘鉆進技術(shù)，采用泡沫鉆進的鉆進總耗時為52.27h，總臺時為168h，平均鉆速達(dá)到5.95m/h，臺月效率更是高達(dá)1332m/臺月。這充分表明了氣動潛孔錘鉆進技術(shù)中，泡沫鉆進能夠極大的提高鉆進效率，提升臺月效率，從而促進工程項目施工的經(jīng)濟效益。

（2）整體施工效率分析。在采用傳統(tǒng)施工工法進行施工時，往往需要的鉆探設(shè)備與機具較為大型、復(fù)雜，且傳統(tǒng)的施工工藝多為采用回轉(zhuǎn)鉆進，以小口徑成孔、大口徑擴孔為主要的鉆孔結(jié)構(gòu)，需要較長的鉆孔完工工期。而采用氣動潛孔錘鉆進技術(shù)，對鉆探設(shè)備與機具進行了優(yōu)化設(shè)計，主要采用沖擊回轉(zhuǎn)鉆進的施工工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)一徑成井的鉆孔結(jié)構(gòu)，極大的縮短鉆孔完工工期，同時還有效的減輕了施工勞動強度。

4 總結(jié)

綜上所述，在氣動潛孔錘鉆進技術(shù)應(yīng)用于礦井下大口徑孔施工過程中，根據(jù)實際施工中的井下硐室施工環(huán)境，通過對鉆機進行優(yōu)化改進，對鉆塔進行合理選型以及優(yōu)化設(shè)計，最大限度的對井下硐室的施工發(fā)揮有利影響作用。同時，本文還以某礦井下大口徑充填孔施工項目為例，探索了氣動潛孔錘鉆進技術(shù)在實際施工中的相關(guān)工藝參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整應(yīng)用，分析了此項技術(shù)在實際應(yīng)用過程中的應(yīng)用優(yōu)勢。從而得出，氣動潛孔錘鉆進技術(shù)在礦井下大口徑孔施工中的應(yīng)用具有明顯的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的經(jīng)濟效益。