气动潜孔锤在钻孔硬岩钻进中的应用

崔海军

（淮南矿业集团地质勘探工程处，安徽 淮南232174）

1 概况

1.1 巷道情况

西翼暗主斜井主要用途是做为张集矿（中央区）二水平采掘活动的运煤胶带机巷，北邻西翼回风大巷（二），右邻西翼-590回风大巷。该巷位于西一采区系统大巷煤柱内，上口标高-484.6m，下口标高-816.2m，全长1360m。西翼暗主斜井揭8煤巷道停头位置-724.13m，距8煤法距7米。

1.2 地质情况

8煤：黑色，粉末状为主，加块状，半暗～半亮型煤，平均煤厚3.2m；8煤顶板为石英砂岩，岩性坚硬，普氏硬度系数：11.5。

1.3 钻孔设计

措施孔共设计11排，每排11个钻孔，共计121个，钻孔总量：5206.2m。钻孔掩护范围控制在巷道轮廓线外不少于12m，呈扇形布置，相邻两个钻孔终孔水平间距为3m。钻孔方位：-45.7°～44.3°，倾角（以水平线为准）：-40.7°～-5.9°， 预计 8 煤见煤深度：9.3m～57.9m， 止煤深度：14.2m～82.9m，实际终孔位置以穿过8煤后见岩1m终孔。由于岩石较硬，措施钻孔进行优化后，设计7排，每排7个钻孔，共计49个，钻孔量：2262.3m，相邻钻孔终孔水平间距为5m。

图1

图2

2 钻机及设备选择

（1）钻机：ZDY3200S型全液压钻机，额定转矩3200 N.m，额定转速 70～240 r/min。

（2）钻杆：Φ63.5/73mm 肋骨钻杆。

（3）空压机：埃尔特空压机，型号：MLG21/10-132G，排气压力：1.0 MPa，排气量：21 m3/min。

（4）潜孔锤

1）潜孔锤的类型

采用CIR90型低压冲击器，以压缩空气为动力，冲击器长度820mm，Φ80mm，冲击行程50mm，施工选择锤头Φ110mm、Φ90mm。

2）潜孔锤的工作原理

压缩空气经操纵阀、风管、钻杆直接进入冲击器内部，压缩空气的一部分经过缸体上的“B”槽和锤头上的三个缺口喷射出来，清洗孔底，部分压缩空气带碎石返出孔外，保证冲击器不断凿入新的岩层；另一部分则进入配气装置，迫使锤头往复运动，冲击岩层。

3 施工工序

（1）将Φ110mm复合片钻头连接至钻杆前，钻进3m～5m后起钻，将复合片钻孔卸去。

（2）将潜孔锤连接至钻杆前，下入至孔底。在钻杆尾部高压管上安装润滑装置，开启压风，进行冲击钻进。

（3）潜孔锤施工岩层变软时，起钻更换Φ94mm复合片钻头施工至8煤底板见岩1m起钻。

4 施工情况

2014年1月9日中班将空压机调试正常后，系统风压达1.0M P a，两台钻机正常施工后，系统风压保持在0.9 M P a。使用Ф90mm潜孔锤进行施工，硬岩段每小班平均进尺15米。倾角在-25°的钻孔，平均孔深30米，硬岩段平均10米，钻孔施工平均在1至2个小班完成。使用Ф110mm潜孔锤进行施工，硬岩段每小班平均进尺10米。倾角平均在-9°的钻孔，平均孔深85米，硬岩段平均30米，钻孔施工平均在3个小班完成。

使用潜孔锤施工时间：2013年1月9日中班至2014年2月10日早班，共计施工31个圆班2个小班。钻孔施工数量：48个，累计钻孔量：2146米。硬岩段每小班施工10至15米，平均每施工一个钻孔。

5 气动潜孔钻进技术参数确定

5.1 风压和风量

充足的风量是潜孔锤钻进成败的关键。它能将孔底岩屑运转出孔口，若风量不足，孔底的岩屑不能及时返出孔口，岩屑堆积孔内，形成堵塞。上升气流的速度15～20m/s，保证岩屑的正常排出。空压机供风量Q：23.5 m3/min，压力1.0 MPa，能够满足岩屑正常排出。

5.2 钻压确定

潜孔锤的破碎原理主要是靠冲击动载作用下破碎岩石，钻进效率高低主要取决冲击功的大小及频率的多少。钻压过大和过小都会影响潜孔锤钻进的正常进行。岩石硬度系数：11.5，正常施工钻压保持在0.7至1.0 MPa。Ф90mm潜孔锤钻压取上限值，Ф110mm潜孔锤钻压取下限值。

5.3 转速的确定

合理的转速可以保证在最优的间隔范围内破碎岩石。ZDY3200S型液压钻机输出转速(r/min)70～240，潜孔锤施工过程中，转速调整至最低状态70r/min。

表1 钻压参数确定

表2 转速参数确定

气动潜孔锤钻进是已冲击碎岩为主，回转速度为改变钻头的冲击碎岩的位置，避免重复破碎。合理的转速应保证在最优的冲击间隔范围之内。转速与冲击频率和最优转角的关系式如下：

式中：A—最优转角；n—钻具转速；f—冲击频率

根据有关报告提出潜孔锤硬岩钻进中，两次冲击之间最优转角为11°。依据公式，潜孔锤频率830（Hz），可以计算出潜孔锤钻进钻速应选择在35r/min左右。

6 潜孔锤使用注意事项

6．1 潜孔锤使用前检查

使用潜孔锤前，要检查风压是否正常，穿销闭锁是否可靠。

6．2 吹孔

正常钻进时，观察孔口岩粉返出、进尺情况。若进尺而返渣不正常时，应在钻进一定进尺后提动一次钻具，产生较大的上返风速，待岩粉吹出后，再将钻具放到孔底继续钻进。

6．3 风压的变化

钻进时，经常观察风压表的压力变化，当风压增大时，同时上提钻具又感到困难，可能是潜孔锤上部因排渣不畅原因导致。将钻具及时窜动，依靠空压机工作压力，将上部堵塞的岩粉吹开。

6．4 润滑装置

潜孔锤工作时，应经常加注润滑油，在供风管路上设置自动注油机构（油雾器），以防活塞与缸套的磨损。油雾器中的油脂，应每个圆班更滑一次。它可以保证潜孔锤得到润滑，还可以过滤风中的水份及杂质。

6.5 潜孔锤的检查

每回次结束，要及时检查潜孔锤，如丝扣连接部位及钻头卡销等关键部位，以防潜孔锤零部件脱落井内。保持钻具内孔清洁，以防将潜孔锤活塞卡住而不能工作。

6．6 钻头的交替使用

当一个潜孔锤头就很难钻进到预计井深时，需用两个以上相同规格的钻头交替使用，以防止磨损外径相差较大时，新钻头下不到井底，出现卡钻事故。

7 优点

（1）适用于极硬、中硬地层中钻进，效率和成孔质量均很高。

（2）所需钻压小。

（3）钻孔垂直度好，能够提高钻孔见煤率，保证钻孔质量。

（4）硬岩钻进中，潜孔锤钻头损耗小，可节约50%的钻头材料费用。

（5）减少起、下钻的次数，提高施工效率。

8 存在问题

（1）气动潜孔锤配合液压钻机施工，潜孔锤所需适中钻压35r/min，而液压钻机最低转速70r/min，改进液压钻机最低转速，避免由于转速快，造成重复破碎岩石，降低钻进效率。

（2）钻孔内由于砂岩裂隙水渗入，钻头底部岩粉与水混合后形成糊状，影响潜孔锤正常的返风、返渣，降低效率。

［1］石永泉.潜孔锤硬岩钻进技术[M].四川：西南交通大学出版社，2013．