煤礦井下穿層鉆孔高效鉆進(jìn)方法

豆旭謙

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

在煤礦瓦斯治理中，穿層鉆孔是煤礦瓦斯預(yù)抽、鄰近層和采空區(qū)瓦斯治理的有效措施[1-2]，一些礦區(qū)在施工穿層孔和高位鉆孔時(shí)，鉆遇硬巖，鉆進(jìn)效率低下，鉆頭磨損嚴(yán)重，鉆孔施工周期長(zhǎng)，有時(shí)會(huì)遇到鉆孔事故[3]，嚴(yán)重影響鉆孔施工進(jìn)度和施工質(zhì)量，影響煤礦瓦斯抽采（放）計(jì)劃，延緩采煤工期[4]。針對(duì)以上問(wèn)題，研究適用于不同硬度巖層的鉆進(jìn)技術(shù)，對(duì)煤礦常見(jiàn)頂?shù)装鍘r層硬度進(jìn)行分類，針對(duì)不同的巖石硬度類型分別采取相應(yīng)的工藝方法，通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，優(yōu)選適合現(xiàn)場(chǎng)條件的鉆進(jìn)方法，總結(jié)最優(yōu)工藝參數(shù)，形成一套行之有效的煤礦井下穿層鉆孔高效鉆進(jìn)工藝技術(shù)。

1 煤礦硬巖等級(jí)劃分

巖石在不同圍壓環(huán)境中表現(xiàn)不同的屬性，在淺部開(kāi)采時(shí)，一些結(jié)構(gòu)疏松較為軟弱的巖石表現(xiàn)為軟巖的變形力學(xué)特性，一些結(jié)構(gòu)致密的較為堅(jiān)硬的巖石表現(xiàn)為硬巖的變形力學(xué)特性，但隨開(kāi)采深度的加大，一些較硬的巖石也表現(xiàn)為軟巖的變形力學(xué)特性[5]。因此，巖石堅(jiān)硬程度的度量目前并未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域有不同的度量參數(shù)，如果能取樣測(cè)得定量數(shù)據(jù)，應(yīng)采用定量的方法，使用最多的是以單軸抗壓強(qiáng)度作為表征參數(shù)，對(duì)于難以取樣的巖石可定性對(duì)堅(jiān)硬程度進(jìn)行定級(jí)?！吨腥A人民共和國(guó)工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)GB50218-94》就采用巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc作為巖石堅(jiān)硬程度的定量指標(biāo)，Rc與定性劃分的巖石堅(jiān)硬程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1，并定性對(duì)2 種硬質(zhì)巖和2 種軟質(zhì)巖描述了其鑒定方法和代表性巖石。GB 50007—2011《中華人民共和國(guó)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》執(zhí)行與工程巖體分級(jí)相同的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 Rc 與定性劃分的巖石堅(jiān)硬程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Correspondence between Rc and qualitatively classified rock hardness

巖石的硬度定義為巖石抵抗工具侵入的阻力，或者巖石對(duì)動(dòng)態(tài)或靜態(tài)集中載荷引起局部變形或者破碎的抵抗能力。巖石單軸抗壓強(qiáng)度與巖石硬度有一定聯(lián)系，但是又有很大的區(qū)別。巖石抗壓強(qiáng)度是巖石整體抵抗外力破壞的能力，而巖石的壓入硬度實(shí)際是巖石在多向受壓狀態(tài)下產(chǎn)生局部破碎，對(duì)于鉆探工程來(lái)講，大多數(shù)是局部破碎，硬度指標(biāo)更接近反映鉆進(jìn)破碎巖石的實(shí)質(zhì)[6]。因此，坑道鉆探工程一直延用普氏硬度系數(shù)（以下簡(jiǎn)稱f 值）來(lái)表示巖石堅(jiān)固性的大小，f=R/10（R 為單軸極限抗壓強(qiáng)度，MPa）。

在煤系地層，煤層頂?shù)装鍘r層大多屬于沉積巖類，以泥頁(yè)巖、砂巖、灰?guī)r大類最為常見(jiàn)，其中以炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖，石英巖、灰?guī)r等最具代表意義，為了研究不同硬度巖層鉆進(jìn)方法的需要，將煤礦井下頂?shù)装鍘r石按照硬度系數(shù)劃分為3 類，劃分標(biāo)準(zhǔn)以坑道鉆探工程常用的f 系數(shù)為基準(zhǔn)參數(shù)，煤層頂?shù)装鍘r石分類表見(jiàn)表2。

2 較硬巖高強(qiáng)PDC 鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)

2.1 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法

回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)是煤礦井下最常見(jiàn)、使用最廣泛的鉆孔施工方法，是由液壓鉆機(jī)提供動(dòng)力，在油缸的軸向推進(jìn)力和回轉(zhuǎn)器回轉(zhuǎn)力的共同作用下由鉆桿將二者的合力傳遞到孔底鉆頭破碎巖石的方法。煤礦井下較硬巖回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中，在鉆機(jī)和鉆桿滿足鉆進(jìn)要求的情況下，鉆頭是影響鉆進(jìn)效率最主要的鉆具，鉆進(jìn)工藝參數(shù)的選擇會(huì)影響到鉆頭的使用壽命和單個(gè)鉆頭的進(jìn)尺。

表2 煤層頂?shù)装鍘r石分類表Table 2 Rock classification table of coal seam roof and floor

2.2 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用高強(qiáng)度PDC 鉆頭

考慮較硬巖層的硬度相對(duì)較小，開(kāi)發(fā)了三翼圓弧高強(qiáng)PDC 鉆頭，其采用刀翼式結(jié)構(gòu)，能保證每個(gè)切削齒具有最佳的工作角度；冠部由三翼構(gòu)成，刀翼采用拋物線式弧角設(shè)計(jì)，易于切削齒切入巖石，鉆進(jìn)效率高；布齒方式為分層錯(cuò)峰布齒，實(shí)現(xiàn)多軌道、分層等體積切削巖石，鉆進(jìn)阻力小，重復(fù)破碎少；鉆頭選用弧面型PDC 切削齒，增加鉆頭體對(duì)PDC 的包鑲面積，增強(qiáng)焊接強(qiáng)度，提高鉆頭抗沖擊性，防止崩片或崩齒[7-9]。

2.3 試驗(yàn)情況及效率分析

該方法在淮南潘一礦進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)鉆孔在同一組鉆孔內(nèi)，鉆進(jìn)地層為較硬砂巖與泥巖互層，與該礦使用的鋼體式三翼內(nèi)凹PDC 鉆頭和鋼體式四翼內(nèi)凹PDC 鉆頭進(jìn)行相比，試驗(yàn)效率及鉆頭損壞情況見(jiàn)表3。數(shù)據(jù)分析顯示，采用三翼圓弧高強(qiáng)PDC鉆頭的鉆進(jìn)效率比三翼內(nèi)凹PDC 鉆頭提高了1.6倍，單個(gè)鉆頭進(jìn)尺提高了4 倍，比四翼內(nèi)凹PDC 鉆頭的鉆進(jìn)效率提高了2 倍，單個(gè)鉆頭的進(jìn)尺提高了8 倍。采用普通三翼內(nèi)凹PDC 鉆頭和四翼內(nèi)凹PDC鉆頭試驗(yàn)時(shí)為了盡可能增大鉆進(jìn)進(jìn)尺，提出鉆頭時(shí)PDC 片崩齒較多，鋼體磨損十分嚴(yán)重。

表3 三翼圓弧高強(qiáng)PDC 鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)試驗(yàn)效率對(duì)比Table 3 Rotary drilling efficiency comparison of threewing circular arc high strength PDC bit

通過(guò)多組對(duì)比試驗(yàn)，獲得了三翼圓弧高強(qiáng)PDC鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的最佳推薦工藝參數(shù)：回轉(zhuǎn)壓力9～11 MPa，給進(jìn)壓力6～8 MPa，轉(zhuǎn)速110～150 r/min。

3 堅(jiān)硬巖回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)

1）回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)方法。回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)是煤礦井下為了解決堅(jiān)硬巖鉆進(jìn)時(shí)遇到的效率低下問(wèn)題而引進(jìn)的1 種鉆孔施工方法，該方法是在原普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的鉆具組合中連接了液動(dòng)沖擊器，鉆頭在受到鉆桿推進(jìn)和回轉(zhuǎn)合力的同時(shí)將傳遞來(lái)自沖擊器的沖擊功，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)與沖擊聯(lián)合破碎巖石。沖擊器宜選用高頻低能量型小口徑?jīng)_擊器，鉆進(jìn)時(shí)以回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)切削為主，輔以沖擊的方式碎巖并提高鉆頭切入巖石的深度，該方法適用于塑性較大的堅(jiān)硬巖石。

2）小口徑?jīng)_擊器。液動(dòng)沖擊器是利用泥漿泵供給液壓能，直接驅(qū)動(dòng)液動(dòng)沖擊器的沖錘上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并連續(xù)不斷地對(duì)鉆頭施加沖擊荷載[10-11]，試驗(yàn)選用的液動(dòng)沖擊器，配套胎體式圓弧高強(qiáng)PDC 鉆頭。

3）回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)試驗(yàn)及效率分析。該方法在義馬新義煤礦進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)巖層為堅(jiān)硬硅質(zhì)泥巖，含黃鐵礦結(jié)核，硬度高，較脆，硬度系數(shù)13?；剞D(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)效果對(duì)比如下：①回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)方法：液動(dòng)沖擊器＋胎體式圓弧高強(qiáng)PDC 鉆頭，硅質(zhì)泥巖，平均效率6.55 m/h，水為沖洗介質(zhì)，施工環(huán)境好：②回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆進(jìn)方法：三翼內(nèi)凹鉆頭，硅質(zhì)泥巖，平均效率0.13 m/h，效率低?？梢钥闯鲆簞?dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的效率較普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)提高了50 倍。普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)平均每個(gè)鉆孔消耗普通鉆頭4～5 個(gè)，回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)只需1 個(gè)鉆頭。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，液動(dòng)回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)最佳推薦工藝參數(shù)：回轉(zhuǎn)壓力5～8 MPa，給進(jìn)壓力6～9 MPa，轉(zhuǎn)速110～150 r/min；流量165 L/min，泵壓3.5 MPa。

4 極硬巖沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)

4.1 沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)是煤礦井下解決極硬巖鉆進(jìn)效率的1 種鉆進(jìn)方法，其與回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)的鉆具組合相同，但是所選用的沖擊器是高壓沖擊器，需要配備高壓泵或空壓機(jī)來(lái)提供能量介質(zhì)，在鉆孔施工時(shí)主要靠釬頭的沖擊碎巖，軸向靜壓力主要用來(lái)克服鉆機(jī)的反彈力。高壓沖擊器有高壓液動(dòng)沖擊器和氣動(dòng)沖擊器，一般都配套相應(yīng)口徑的沖擊釬頭。該方法適用于脆性較大的極硬巖。

4.2 沖擊器

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的沖擊器有液動(dòng)或氣動(dòng)2 種。液動(dòng)沖擊器以沖洗液作為能量驅(qū)動(dòng)介質(zhì)，氣動(dòng)沖擊器以壓縮空氣作為循環(huán)動(dòng)力。

1）高壓液動(dòng)沖擊器。高壓液動(dòng)沖擊器是在開(kāi)路壓力水的作用下產(chǎn)生往復(fù)循環(huán)，高壓水用來(lái)沖洗巖粉，高壓液動(dòng)沖擊器及沖擊釬頭如圖1。該沖擊器在6 MPa 壓力下啟動(dòng)，水壓越高，沖擊能量沖擊頻率也越高，水壓范圍要求在6～18 MPa 之間，在額定壓力和流量狀態(tài)下的沖擊頻率可以達(dá)到70 Hz。

圖1 高壓液動(dòng)沖擊器及沖擊釬頭Fig.1 High pressure hydraulic impactor and adaptor bit

2）氣動(dòng)沖擊器。氣動(dòng)沖擊器是將壓縮空氣的能量通過(guò)氣動(dòng)沖擊器作為中間能量轉(zhuǎn)換介質(zhì)作用在孔底的巖石上，通過(guò)高頻率的沖擊作用，配合回轉(zhuǎn)時(shí)施加給釬頭的鉆壓和回轉(zhuǎn)扭矩進(jìn)行鉆進(jìn)，即釬頭在沖擊動(dòng)載和回轉(zhuǎn)切削共同作用下破碎巖石，并且使用壓縮空氣作為冷卻鉆頭和洗孔介質(zhì)，將孔底的巖屑攜帶出鉆孔[12-13]。試驗(yàn)用氣動(dòng)沖擊器和適配沖擊釬頭如圖2。

圖2 氣動(dòng)沖擊器和適配沖擊釬頭Fig.2 Pneumatic impactor and adaptor bit

4.3 沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)試驗(yàn)及效率分析

該方法在淮南潘三礦進(jìn)行了試驗(yàn)，設(shè)計(jì)鉆孔為上仰穿層鉆孔，需要穿越30～50 m 的極硬巖，巖性為石英巖，造巖礦物主要以白色石英為主，硅質(zhì)膠結(jié)，呈厚層塊狀結(jié)構(gòu)，硬度系數(shù)約為15。試驗(yàn)時(shí)為液動(dòng)沖擊器配備了1 臺(tái)乳化泵站，為其工作提供能量介質(zhì)，氣動(dòng)沖擊器適用系統(tǒng)風(fēng)壓，滿足沖擊器工作需要。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的鉆進(jìn)效率見(jiàn)表4，液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)的鉆進(jìn)效率是普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的25 倍，氣動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的鉆進(jìn)效率是普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的4 倍。

表4 沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)試驗(yàn)效率對(duì)比Table 4 Comparison of efficiency of impact rotary drilling test

通過(guò)試驗(yàn)獲得了液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)推薦工藝參數(shù)：回轉(zhuǎn)壓力2～3.5 MPa，給進(jìn)壓力1.3～1.7 MPa，鉆速100 r/min；乳化泵流量200 L/min，壓力14 MPa。氣動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)推薦工藝參數(shù)：回轉(zhuǎn)壓力4 MPa，給進(jìn)壓力1.5～2 MPa，轉(zhuǎn)速40 r/min；風(fēng)量6～8 m3/min，風(fēng)壓0.6～0.8 MPa。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）研究形成了一套較系統(tǒng)的煤礦井下硬巖高效鉆進(jìn)工藝技術(shù)，針對(duì)不同的巖石類型可以選擇不同的鉆進(jìn)方法：①較硬巖（4≤f＜8），高強(qiáng)PDC 鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；②堅(jiān)硬巖（8≤f＜15），液動(dòng)回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)；③極硬巖（f≥15）液動(dòng)或氣動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，并通過(guò)大量試驗(yàn)總結(jié)出了相應(yīng)的最優(yōu)工藝參數(shù)。

2）施工時(shí)不能盲目為追求進(jìn)尺而忽視鉆頭的使用壽命。盲目地增大推進(jìn)力和回轉(zhuǎn)力在一定程度上會(huì)較明顯地提高鉆進(jìn)效率，但是鉆頭的壽命相應(yīng)變短，因此鉆孔施工時(shí)要選擇最優(yōu)的鉆進(jìn)工藝參數(shù)，并根據(jù)地層變化做出適當(dāng)調(diào)整使之能滿足施工需要。