硬岩（f≥6）钻孔施工成套技术

魏涛

【摘 要】淮南矿区煤层松软，f值基本都在1以下，煤层瓦斯压力大、瓦斯含量高，地质条件复杂，煤层瓦斯治理需施工大量的穿层钻孔及顶板走向钻孔。本文通过分析硬岩钻孔施工存在的问题寻找解决这一问题的方案并确定其可实施性。

【关键词】钻孔；硬岩；成套技术

1 硬岩钻孔施工存在的问题

淮南矿区煤层松软，f值基本都在1以下，煤层瓦斯压力大、瓦斯含量高，地质条件复杂，煤层瓦斯治理需施工大量的穿层钻孔及顶板走向钻孔。在穿层钻孔施工时煤系地层岩性软硬不均，硬岩跨度大、分布广，如B11煤顶板、底板，B8煤顶板，部分矿井的A1煤顶板存在大量的坚硬石英砂岩，部分地区石英砂岩厚度达20多米。传统施工方法的钻进效率低下，小班进尺甚至小于2m，大大影响了瓦斯治理工程进度，对煤矿安全生产产生了重大不利影响。

2 解决的方案

1）积极开展自主创新，成立攻关小组。为解决硬岩钻进问题，勘探处成立了“硬岩（f≥6）钻孔施工成套技术”攻关小组，与科研单位合作，积极开展创新攻关。

2）根据岩性分类指导。结合钻探工艺的特点，针对不同岩层，分别采用不同的施工方案。f值<6的岩层采用常规钻头回转钻进的施工工艺，6≤f值<9的岩层采用高强度复合片钻头回转钻进的施工工艺， f值≥9的岩层采用风动或液动潜孔锤冲击回转钻进工艺。

3 现场施工情况

3.1 高强度复合片钻头施工情况

3.1.1 钻头设计

根据地层特点，我们设计了两种高强PDC钻头，与普通钻头相比，具有以下优化特点：

（1）普通钻头体为钢体式，高强PDC钻头采用胎体式，确保其耐磨性与强度。

（2）其切削具选用抗冲击和耐磨性较好的面包型金刚石复合片，焊接形式由平面焊接转化为包镶焊接。

（3）其切削具采用分层布置，单个切削具跟岩石接触受力的面积更加合理，钻进功率大。

3.1.2 配套钻具

钻机：采用全液压钻机，其功率应在3200N·m及以上。

钻杆：采用Φ63.5/73mm肋骨钻杆或Φ73mm光钻杆施工。

钻头：高强三翼或四翼PDC复合片钻头，钻头直径Φ98～113mm。

3.1.3 现场实施

（1）基本情况

淮南矿区潘一矿21111（1）顺槽底抽巷，此处共设计钻孔2299个，总工程量约为9.2万m，钻孔倾角为29.5°～82°。施工巷道顶板距11-2煤层底板最小法距为28m，最大法距为46m，其岩性多为坚硬的中粗砂岩、中砂岩或细砂岩，其细砂岩f值为8.5左右。

（2）普通钻头施工情况

采用普通钻头施工，三台钻机自2013年5月28日至11月10日，施工168天，总计施工621个钻孔，工程量25772m，平均台效1560m/台·月，合计使用普通复合片钻头860个。

（3）高强PDC钻头施工情况

采用Φ98.4mm高强PDC钻头施工，三台钻机自2013年11月11日至2014年4月1日，施工142天，总计施工903个钻孔，工程量37014m，平均台效2650m/台·月，合计使用高强PDC钻头133个。

3.1.4 经济效益分析

（1）缩短了工期。如果采用普通钻头施工，三台钻机进尺37014m需要241天，而目前只施工了142天，提前了99天，为瓦斯治理赢得了时间。

（2）降低了成本。采用普通钻头施工，按平均1200元/个计算，每米进尺钻头费用为：860×1200/25772=40.04元，如果施工37014m，则钻头费用为148.22万元。使用高强钻头，按平均5100元/个计算，总钻头费用为：133×5100=67.83万元，每米进尺钻头费用为：18.32元。使用高强钻头每米节省21.72元，总计节省了80.39万元，经济效益可观。

3.2 风动潜孔锤试验情况

3.2.1 潜孔锤的结构

空气潜孔锤适用于钻进f值在9以上的岩层，如果f 值小，其碎岩效率低。潜孔锤一般由接头、冲击器缸体组件和钻头三大部分组成。

3.2.2 配套钻具

（1）钻机：ZDY3200S型液压钻机。钻机输出转速在70～240 r/min。

（2）钻具：Ф113mm复合片钻头、CIR-110mm风动潜孔锤、Ф63.5/73mm肋骨钻杆。

（3）MLG21/10-132G埃尔特空压机，其排气压力1 MPa，排气量21 m3/min。

3.2.3 现场实施

（1）基本情况

淮南矿区张集矿（中央区）西翼暗主斜井法距7m揭B8煤钻孔，B8煤顶板为石英砂岩，平均厚为5m，岩性坚硬，普氏硬度系数f值为11.5。初始设计11×11个措施孔，5个效检孔，总工程量5432.4m。由于岩石坚硬，当施工完17个孔后，矿方对措施钻孔进行了优化，后设计7×7个措施孔，钻孔倾角范围：-40.7°～-5.9°，预计8煤见煤深度：9.3m～57.9m，止煤深度：14.2m～82.9m。

（2）参数确定

①风压：潜孔锤的设计压力为0.63MPa，一般要求供风压大于设计压力0.2～0.5MPa，通过试验，风压在0.9MPa以上进尺较快，风压在0.8MPa左右时，进尺较慢，而当风压小于0.7MPa时，基本无进尺。

②风量：为保证钻屑充分排出，一般潜孔锤钻进所需风量要比其额定风量大20%左右。当钻孔孔径为Ф110mm时，潜孔锤最大风量要求为12.7m3/min，而空压机的额风量为21m3/min，满足施工要求。

③转速：本次试验了三个转速，分别是最低转速70r/min，较高转速90r/min及110r/min。从钻头磨损及进尺情况看，最低转速效果最好。

④钻压：潜孔锤的破碎原理主要是靠冲击动载作用下破碎岩石，钻压一般控制在0.7～1.0MPa比较合适，现场试验证明，当孔深在50m以内时，钻压控制在0.7MPa左右比较合适，当孔较深时可适当增大钻压，当钻压大于1.2MPa时，施工效率明显降低。

（3）施工情况

①刚开始使用Ф113mm复合片钻头施工了23个钻孔，硬岩段每小班平均进尺4.0m，部分钻孔仅进尺1.0m。两台钻机施工12天，共计进尺605.8m（其中硬岩段229m），综合台效757.2m/台·月，消耗84个复合片钻头。

②后用CIR-110mm潜孔锤进行施工48个钻孔，硬岩段每小班平均施工20.0m，两台钻机施工31天，其中掏穴为11天，纯钻进时间为20天。共计进尺2146m（其中硬岩段1101m），综合台效1609.5m/台·月，共计消耗冲击器11个、冲击器锤头74个。

3.2.4 经济效益分析

（1）缩短了工期。如果采用复合片钻头施工，两台钻机进尺2146m（加掏穴）需要52天，而目前只施工了31天，提前了21天，为揭煤工作赢得了时间。

（2）降低了成本。如果后48个钻孔采用复合片钻头施工，预计将消耗379个钻头，按平均1200元/个计算，钻头费用为：1200×379=45.5万元。而冲击器850元/个，冲击器锤头348.58元/个，施工49个钻孔实际花费850×11+348.58×74=3.51万元，预计节省41.99万元，两种不同的钻进方式比较，直接经济效益可观。

4 取得的成果

1）初步形成了针对不同岩性采用不同的施工方案。即软煤钻进施工工艺，f值<6、6≤f值<9及f值≥9的岩层施工工艺。

2）提高了f值≥6的硬岩钻进效率。6≤f值<9岩层钻进效率达2650m/台·月左右，f值≥9的岩层钻进效率达1600m/台·月左右。

3）缩短了施工工期，降低了钻进成本。

[责任编辑：杨玉洁]