气动潜孔锤钻进技术在矿井下大口径孔施工的应用研究

高建波

（陕西省一九四煤田地质有限公司，陕西 铜川 727000）

随着社会经济的发展，各类工程技术水平实现了不断提升。在我国社会发展过程中，对于能源资源的需求不断扩大，进而促进了矿山开采规模的进一步扩大，同时，随着工程开采从粗放式向集约式发展，在矿井下大口径孔填充施工中，利用气动潜孔锤钻进的先进技术，改善矿山尾砂排放，提高资源回收利用率，从而满足绿色矿山建设需求，促进矿山的可持续发展。就目前而言，我国在大口径孔施工中设备的应用主要以立轴式回转或者是水井转盘式钻机为主，其在实际填充施工中的进度较为缓慢，并且需要的成本相对较大，尤其是在矿井下施工中，由于设备较大会为施工带来很多困难。基于此，本文以某矿井下大口径孔施工项目为例，分析了在具体施工中应用气动潜孔锤钻进技术的应用效果。

1 气动潜孔锤钻进关键技术

（1）技术原理。气动潜孔锤钻进技术的主要应用原理是以高压气体对冲击活塞产生作用，促使其进行往返运动，从而对钻头产生一定的冲击力，为其提供工作动力，进而对岩石进行冲击破碎，同时，利用冲击器在活动中排除的压缩空气，实现冷却钻头和清除岩屑的作用。

（2）对钻机进行优化改进。一般来说，在进行大口径孔施工过程中，其施工设备的选用多数是水井转盘式钻机，其在地面施工大口径钻孔具有良好的施工效果。但是，在矿井下大口径孔的孔径一般较大，并且在矿井下硐室内的空间却较为狭小，这种水井转盘式钻机的体积较大，并且不具有良好的解题性能，要想实现从井下巷道向井下硐室的运输是没有办法的。在实际运用中，较为常用的一种水井转盘式钻机是XFC300型号的设备，通过对设备参数及技术性能进行分析对比，发现XY-6B型钻机在各方面都与之相近，而这一型的钻机具有良好的解体性能，且体量相对较小，能够实现从井下巷道的运输。因此，钻进的优化改进可以由XFC300型钻机改变为XY-6B型钻机。

（3）钻塔的选型以及优化设计。矿井下大口径孔施工中，井下硐室的空间相对较为狭窄，并且硐室的设计高度还需要充分根据围岩的自稳能力来确定，从而最大限度的降低硐室塌方的安全隐患。同时，通过对充填管重量的测算可得，400m的充填管的总重量将会大于25t。因此，在施工中如果需要下入大于400m的填充管时，对于钻塔的选择，其天车的最大承载力应当大于25t。除此之外，还需要注意的是，根据施工工艺要求，钻塔塔身的总高度和底座的面积也需要满足实际需求。

2 研究施工项目工程概况

2.1 工程概况

以位于H省的某铜铁矿区井下大口径孔施工项目为例，大口径充填孔深为300m垂直充填孔，终孔口径为245mm，孔斜度1%，成孔后，下入168mm的厚壁钢管，采用水泥砂浆固井。矿井下的巷道断面的大小约为2m*2m，钻窝高11m，顶部面积为2m*2m，底部面积为8m*8m，井下具有良好的通风条件，并且常温保持在22摄氏度左右。

2.2 钻孔结构

矿区具有典型的矽卡岩铜铁矿床，矿井围岩主要是三叠系大理岩以及白云质大理岩，大口径孔周边的岩层较为完成，裂隙发育。矿区水文地质条件相对简单，没有断层、溶洞以及大裂隙等不利影响因素，采矿区以及坑道使得地下水有条件实现了连通，使得局部呈现裂隙水发育。在钻孔施工中，由于矿井岩石为主要为大理岩，具有较强的稳定性，因此钻孔结构采用二开钻孔结构。先由尺寸为311mm的钻头进行1m钻深，套管尺寸为300mm，套管深度为1m；然后进行二开钻孔，钻头尺寸为254mm，钻孔深度为300m。

2.3 钻进工艺参数

（1）钻压。气动潜孔锤钻进技术在实际应用中，与传统的回转钻进施工工艺不同，其技术原理是通过气动潜孔锤的冲击功以及冲击频率，从而对岩石产生力的作用，击碎岩石。在其工作过程中，钻机输出的钻压只能为保证钻头不会回弹，以及使钻头和岩石保持适当的接触距离，实现冲击过程中能量传递的改善。而随着钻孔逐渐深入，机具的重量就能够满足钻机输出钻压的要求，越往深入，还需要制定一些减压措施，从而保证钻头不会在工作过程中被过度磨损。同时需要注意的是，钻压也不能太小，否则会导致冲击力不足，影响钻孔进度。因此，在实际施工中，对钻压进行反复试验，最终确定钻压为3kN，从而保证能够达到最大的机械转速。

（2）转速。气动潜孔锤钻进技术在应用过程中，主要采用冲击回转钻进施工，其重点虽然在冲击，在回转同样十分重要，是为了改变钻头的冲击位置，防止在岩石同一部位的重复破碎。如果回转速度过高，则会导致钻头的快速磨损，同时也会不断增加回转扭矩，对钻机设备造成一定程度上的损害。因此，气动潜孔锤钻进的转速确定，需要充分考虑钻头的规格、岩石的硬度及可钻性、冲击器的性能等，在本次项目中应用的XY-6B钻机由于其最低正转速较高，因此要通过变频器降低转速，最终将最低转速控制在了15-40r/min。

（3）泵量。在实际施工中，为了为钻进提供良好的外部条件，在施工中采用了泡沫钻进的方式。泡沫钻进主要是利用泡沫较高的清除岩粉岩屑的能力，以便于在施工中及时清理岩屑。这主要是由于泡沫具有较高的悬浮性能，以及良好的剪切稀释性质和触变性。将泡沫的质量和性质通过水文、地质条件以及钻进条件对添加剂的掺量、泵量进行调整。

（4）风压及供风量。由于采用的是泡沫钻井，泡沫又是气液混合的物质，其对岩粉岩屑的清除主要是通过自身携带，因此在上返的过程中，泡沫本身及其携带物所产生的流动阻力较大，在实际施工过程中，对风压的要求更高。施工中需要利用空压机为钻孔供风，增强孔内的风压。根据钻孔钻进的深度不同，供风量由23m3/min逐渐增加至45m3/min，同时也需要根据供风量的不同，逐步增加泡沫的浓度，从而更好的对孔内的岩粉岩屑进行清除，保证钻进具有良好的外部条件。

3 应用效果分析

（1）钻进效率分析。本次工程项目施工中，采用了气动潜孔锤钻进技术进行了矿井下大口径孔施工，对300m垂直充填孔进行了泡沫钻进施工。为更好的对钻进效率进行分析，本文采用了对比方法，在同矿区的300m垂直充填孔中采用空气钻进和泡沫钻进组合形式施工工程作为比较对象。具体结论为，在空气钻进与泡沫钻进共同施工的大孔径充填孔中，钻进总耗时为58.9h，总台时为672h，其中空气钻进的平均钻速为5.31m/h，泡沫钻进的平均钻速为5.27m/h，最终的台月效率为333.2m/台月；而通过气动潜孔锤钻进技术，采用泡沫钻进的钻进总耗时为52.27h，总台时为168h，平均钻速达到5.95m/h，台月效率更是高达1332m/台月。这充分表明了气动潜孔锤钻进技术中，泡沫钻进能够极大的提高钻进效率，提升台月效率，从而促进工程项目施工的经济效益。

（2）整体施工效率分析。在采用传统施工工法进行施工时，往往需要的钻探设备与机具较为大型、复杂，且传统的施工工艺多为采用回转钻进，以小口径成孔、大口径扩孔为主要的钻孔结构，需要较长的钻孔完工工期。而采用气动潜孔锤钻进技术，对钻探设备与机具进行了优化设计，主要采用冲击回转钻进的施工工艺，能够实现一径成井的钻孔结构，极大的缩短钻孔完工工期，同时还有效的减轻了施工劳动强度。

4 总结

综上所述，在气动潜孔锤钻进技术应用于矿井下大口径孔施工过程中，根据实际施工中的井下硐室施工环境，通过对钻机进行优化改进，对钻塔进行合理选型以及优化设计，最大限度的对井下硐室的施工发挥有利影响作用。同时，本文还以某矿井下大口径充填孔施工项目为例，探索了气动潜孔锤钻进技术在实际施工中的相关工艺参数的优化调整应用，分析了此项技术在实际应用过程中的应用优势。从而得出，气动潜孔锤钻进技术在矿井下大口径孔施工中的应用具有明显的优势，能够实现较好的经济效益。