空气潜孔锤与绳索取心钻进技术在煤下铝矿区的实践

2015-08-04康善修

环球人文地理·评论版 2015年6期

康善修

摘要：就煤下铝土矿施工难题，介绍了空气潜孔锤与金刚石绳索取心钻进配套设备、工器具，钻进方法、施工效果。

关键词：煤矿采空；塌陷变形区；煤下铝；

1、概述

以铝为主的有色金属工业是河南省的支柱产业之一，河南先后建设有郑州、焦作、豫西三大氧化铝基地。但长期的大规模开采使河南省铝土矿资源优势正在丧失，铝土矿资源保障能力不足，已成为河南省铝工业持续发展的约束和瓶颈。随着深部找矿的推进，事实表明河南省铝土矿在部分煤层下部，仍有较大的找矿潜力，根据河南省铝土矿的分布规律和矿体特征，通过进一步加强煤矿之下铝土矿地质勘查工作，即将找矿深度加深，河南省煤下铝土矿的勘查将会取得更多新增储量成果，对促进河南有色工业发展和中原经济区建设意义重大。

2、煤下铝矿区施工难题

在豫西某煤下铝土矿整装勘查施工过程中，勘查钻孔将穿越大面积层厚不等的煤矿采空区及塌陷变形区复杂地层，这是煤下铝土矿钻探施工的难题。

施工证实，矿区内煤系地层传统钻进存在微及中等的天然漏失，这种天然漏失多发生在砂岩、页岩、灰岩和煤层的层间，这是因为地质构造、地层裂隙造成的；煤矿开采形成煤矿采空区、采空塌陷区、地表变形区等采动影响区，采动区内岩体受采动影响，地表移动和变形、地层被拉裂、搓碎，岩层原生结构被破坏，竖向破断裂隙和离层裂隙发育，煤矿开采后引发的地层破坏，对上覆地层地质体及裂隙的破坏有强烈的叠加作用，这种采空破坏的叠加作用给传统钻进施工造成了多种困难，表现为严重漏失、坍塌、掉块、孔内事故多。主要技术难题有：

（1）因矿区属于严重缺水区且钻孔多孔段高强度漏失，现有的护壁堵漏技术难以奏效。

（2）钻孔多钻遇煤矿采空区，钻孔坍塌掉块严重，井内事故频繁发生，传统事故预防措施难以确保正常施工。

（3）钻探施工进度慢、事故多、报废多、成本高，严重制约煤下铝整装勘查项目进度。

由于存在上述施工技术难题，寻求新的高效的钻进技术方法替代传统钻进，实现煤下铝钻探效率和进度突破已刻不容缓。

3、煤下铝矿区潜孔锤与绳索取心钻进实践

利用矿区地质方面认可上部煤系地层可以不取心而下部矿段必须取心的要求，把钻孔分为不取心段和取心段两部分，上部不取心段钻探的难点是煤矿采动区复杂地层钻进，下部取心段钻探的难点是采取率和效率，上部施工是成孔的关键，这为采用潜孔锤全面快速钻进提供了基础，下部是施工的目的，为采用金刚石绳索取心钻进提供了条件，上下部的统一是施工追求的结果，采用空气潜孔锤和绳索取心金刚石“二合一”钻进技术可以解决煤下铝矿区的快速钻进及质量问题。

空气潜孔锤和绳索取心钻进都是相对成熟的技术，把空气潜孔锤全面钻进和绳索取心结合，“二合一”钻进煤下铝土矿复杂地层是钻探创新，具有钻进效率高、孔内事故少、适应性强、成孔质量好、劳动强度低等优点。

3.1 空气潜孔锤与绳索取心钻进主要配套设备与工器具

进行绳索取心、空气潜孔锤钻进的设备与工器具有：钻机、空压机、钻杆、空气潜孔锤、泥浆泵及附属设施等，空压机是空气潜孔锤钻进技术的关键设备。

（1）钻机及泥浆泵（泡沫泵）。钻机是钻探施工的主要设备，钻机采用进口全液压CS1000P6动力头钻机，该型钻机转速范围较宽，即满足金刚石绳索取心钻进对中高转速的需要，也适用空气潜孔锤钻进对其低转速的要求，相比立轴钻机不仅可减少回次倒杆时间，操作方便；配套的液压泥浆泵可无级调节泵量，即满足在泡沫钻进时做泡沫泵使用，也满足金刚石绳索取心钻进时使用，其配备的液压搅拌机，轻便小巧，方便制配各类冲洗液，该机一机两用，适用于空气+泡沫潜孔锤和金刚石绳索取心两种工艺方法钻进，相比立轴钻机具有先进性。

（2）空压机。空压机是空气潜孔锤钻进的重要动力源，其能力大小、情况好坏直接影响着潜孔锤性能的发挥，并和鉆进效率和施工孔深有直接关系，因此在进行空压机选型时其风量和风压，需要根据所施工钻孔的口径和孔深，并结合所用潜孔锤的性能参数，有无地下水等因素进行综合考虑确定。本矿区施工所用空压机型号为SF-20/25型。

（3）钻杆。选用新的绳索取心重索Φ71×5mm钻杆，定尺长3m，接头尺寸58×74mm 。该钻杆轻便，密封性好，既作绳索取心钻杆，也作空气潜孔锤钻杆，一套钻杆，用于两种钻进方法，减少现场物资占用量，省钱且方便搬迁运移。

（4）潜孔锤。空气潜孔锤选用SPM930潜孔锤为正循环中压潜孔锤，外径为Φ90mm，另一级用SPM80XD正循环低压潜孔锤，外径为Φ74mm，做铺助使用。该型潜孔锤结构较简单且廉价。

3.2空气潜孔锤钻进方法

空气潜孔锤钻进以空气做动力，钻屑随废气呈干颗粒或粉状排出，高压废气对孔壁影响较小，避免了泥浆水分子对煤矿采动区复杂地层的侵润破坏，减少了钻具上下对孔壁的抽吸扰动，避免了地层的遇水漏失、坍塌、掉块等问题，加之锤头的锤击挤压作用保证了孔壁稳定。因此空气潜孔锤钻进具有钻进效率高，钻孔事故少的特点。

空气潜孔锤钻进原理是：空压机产生高压空气，以高压管汇连接水龙头，通过钻杆、钻挺、进入潜孔锤钻具产生冲击力，击打钻头破碎岩石，废气及岩屑在一定的风速条件下通过孔壁间隙排至地面。废气及岩屑通过集尘器外排，可改善现场环境条件。空气潜孔锤钻进，钻机动力头的作用主要是提供夹持力和回转扭矩，并给钻具加压和起拔。

空气潜孔锤钻进是以冲击体积破碎岩石，回转只为改变最优角和修磨孔壁，而常规回转钻进是切削与磨削破碎岩石，这是潜孔锤较常规钻进效率高的原因。

3.4钻进效果

在煤矿采动区复杂地层，验证了空气潜孔锤钻进技术的高效性、先进性并取得良好效果。以采空区地下空间位置的不同，空气潜孔锤钻进应用深度为50-311m，所施工钻孔的深度为123～525.50m，最高时效13m/h，一般时效7.73m/h，平均时效为8.44m/h。平均台效1423.22m。

同矿区5个普通钻进典型钻孔最高时效为1.66m/h，最低为1.21m/h，平均时效为1.44m/h，台月效率最高为332.80m。

空气潜孔锤钻进比普通钻进平均时效可提高5.86倍。潜孔锤单孔最低台效比普通钻进单孔最高台效提高3.19倍。

空气潜孔锤钻进技术与金刚石绳索取心相结合，使煤下铝土矿区复杂地层成孔时间大为缩短，取得了良好的应用效果。

4.结语

（1）空气潜孔锤钻进相比普通钻进是一种高效钻进方法。空气潜孔锤钻进技术较好的解决了煤矿采空区、塌陷变形区等采动区复杂地层严重漏失、坍塌、事故多施工技术难题。

（2）套管隔离采动区复杂地层后，采用金刚石绳索取心钻进煤矿之下铝土矿地层，具有采取率高，钻孔质量好，劳动强度低的特点。

（3）空气潜孔锤+金刚石绳索取心 “二合一”钻进技术目前是煤矿采动区铝土矿复杂地层快速钻进的最佳工艺技术办法。该工艺与套管护壁技术方法相结合，实现了煤下铝采动区快速钻探的技术突破，对煤下铝钻探快速施工具有重要借鉴意义。

参考文献：

[1]司百堂.空气泡沫洗井潜孔锤钻进研究.试验报告， 1992.9