馮起贈(zèng)，秦如雷，許本沖，和國(guó)磊，趙建勃

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000;2.西安探礦機(jī)械廠，陜西 西安 710089)

在煤田礦山等場(chǎng)所常常需要施工通風(fēng)井、物資輸送井或救援井等非常規(guī)通道。在地下巷道之間的豎直或傾斜聯(lián)絡(luò)通道、煤倉(cāng)、暗井等工程，由于無(wú)法像地面施工井筒那樣布置鉆機(jī)、鉆塔等大量設(shè)備，一般要采用反井施工法，即鉆機(jī)反打的方法成孔。

1 反井施工工藝簡(jiǎn)介

1.1 常規(guī)反井施工工藝

目前煤田礦山領(lǐng)域施工通風(fēng)井、物資井等通道時(shí)，基本均采用反井專(zhuān)用鉆機(jī)鉆進(jìn)。只有少數(shù)情況下，如礦山救援，才會(huì)應(yīng)用全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)進(jìn)行快速鉆進(jìn)。

常規(guī)反井專(zhuān)用鉆機(jī)采用電機(jī)帶動(dòng)液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)水龍頭，并利用液壓動(dòng)力將扭矩傳遞給鉆具系統(tǒng)，帶動(dòng)鉆桿及鉆頭旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)孔鉆頭或擴(kuò)孔鉆頭上的滾刀在鉆壓的作用下，沿井底巖石工作面進(jìn)行切削碎巖。反井鉆機(jī)一般采用泥漿正循環(huán)工藝，進(jìn)行反擴(kuò)鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)用滾刀式擴(kuò)孔鉆頭。反井鉆機(jī)中應(yīng)用較廣泛的是中煤科工集團(tuán)西安研究院設(shè)計(jì)的LM系列鉆機(jī)。

常規(guī)反井施工法如圖1所示[1];滾刀擴(kuò)孔鉆頭見(jiàn)圖2。

圖1 反井施工示意圖

圖2 各種反井?dāng)U孔鉆頭

反井施工的一般工藝流程為[2]:

(1)前期進(jìn)場(chǎng)準(zhǔn)備，包括專(zhuān)用供電線(xiàn)纜鋪設(shè)、鉆機(jī)基礎(chǔ)澆筑等;

(2)應(yīng)用反井專(zhuān)用鉆機(jī)進(jìn)行導(dǎo)孔施工，導(dǎo)孔孔徑根據(jù)終孔要求確定;

(3)根據(jù)終孔直徑要求確定擴(kuò)孔次數(shù)，選用合適鉆具;

(4)在巷道內(nèi)換上反井專(zhuān)用的滾刀鉆頭;(5)回拖擴(kuò)孔;

(6)井筒施工完成，鉆機(jī)撤場(chǎng)。

常規(guī)的反井施工方法較為簡(jiǎn)單，所用鉆機(jī)鉆具均經(jīng)過(guò)了多年的實(shí)踐檢驗(yàn)，安全性好。但是有一個(gè)問(wèn)題較為突出，即鉆進(jìn)效率低下，施工成本高。一般施工單位應(yīng)用常規(guī)反井鉆機(jī)施工300 m直徑為700 mm的煤礦通風(fēng)井工期大約為30天，其中鉆機(jī)專(zhuān)用基礎(chǔ)施工、泥漿池施工以及專(zhuān)用供電線(xiàn)路前期鋪設(shè)與后期拆除占用了工期的1/2。而且反井專(zhuān)用鉆機(jī)鉆進(jìn)工藝單一，一般只能使用泥漿正循環(huán)工藝，鉆進(jìn)效率較低，安全與高效無(wú)法兼得。

1.2 集束式潛孔錘反井工藝

集束式潛孔錘反井工藝是將普通潛孔錘反向安裝，并通過(guò)一定的配氣機(jī)構(gòu)對(duì)潛孔錘供氣，使單個(gè)錘體之間工作互不影響，而組合起來(lái)的一種反式施工鉆頭，一般結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3[3]。集束式潛孔錘反井施工與常規(guī)反井施工基本相同，主要區(qū)別在于集束式潛孔錘施工鉆進(jìn)速度快、可一次反擴(kuò)成孔，不需冷卻水等。集束潛孔錘工作時(shí)，錘體中氣流流向見(jiàn)圖3。

圖3 反井專(zhuān)用集束式潛孔錘

集束式潛孔錘反井工藝與常規(guī)反井施工工藝以及常規(guī)大直徑潛孔錘鉆進(jìn)工藝有著很大區(qū)別，因而對(duì)鉆機(jī)的要求也不相同，在施工中要根據(jù)具體條件選擇合適的鉆機(jī)，這樣才能把各種工藝的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來(lái)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和集束式潛孔錘反井施工經(jīng)驗(yàn)，將這3種工藝對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)的具體要求羅列于表1[4～6]。

表1 鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)比

2 SDC1500型全液壓車(chē)裝鉆機(jī)的主要特點(diǎn)

SDC1500型全液壓鉆機(jī)是我所研制的主要用于大口徑水井、煤層氣抽采井、淺層油氣井、礦山救援井等鉆井施工的車(chē)載鉆機(jī)?？刹捎媚酀{鉆進(jìn)、空氣鉆進(jìn)、氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)、跟管鉆進(jìn)等鉆進(jìn)工藝，針對(duì)不同地層采用不同鉆進(jìn)工藝達(dá)到快速鉆進(jìn)的目的。該鉆機(jī)轉(zhuǎn)速0～130 r/min無(wú)級(jí)可調(diào)，扭矩0～16 kN·m無(wú)級(jí)可調(diào)，提升速度0～0.6 m/s無(wú)級(jí)可調(diào)，提升力0～600 kN無(wú)級(jí)可調(diào)，非常適用于全新工藝探索類(lèi)的工程施工。該鉆機(jī)配備空氣管路、泥漿管路和泡沫管路，管路之間可通過(guò)三通閥門(mén)切換，在工作中方便不同鉆進(jìn)工藝的轉(zhuǎn)換。設(shè)置有輔助液壓動(dòng)力鉗、液壓卸扣鉗、氣動(dòng)卡瓦、傳扭提引器等輔助工具，方便提下各種鉆具，可做到最快單根鉆具提下時(shí)間1 min，平均1.3 min左右。鉆機(jī)外形見(jiàn)圖4。

圖4 SDC1500型全液壓車(chē)裝鉆機(jī)

鉆機(jī)主要參數(shù)為:提升力0～700 kN;扭矩0～16000 N·m;提升速度0～0.6 m/s;轉(zhuǎn)速0～130 r/min;動(dòng)力頭行程14 m;最大鉆孔直徑711 mm。

3 全液壓車(chē)裝鉆機(jī)配套集束式潛孔錘反井施工工藝

3.1 工程概述

在陜西煤田地質(zhì)局139隊(duì)承接的位于內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾煤田西南部黃玉川煤礦大直徑排水井工程中，該隊(duì)技術(shù)人員大膽創(chuàng)新，提出了一種應(yīng)用“全液壓多功能鉆機(jī)配套反井專(zhuān)用集束式潛孔錘”的新型反井施工工藝。

該工藝設(shè)計(jì)施工順序?yàn)?首先應(yīng)用刮刀鉆頭開(kāi)孔，在孔口下入孔口套管導(dǎo)正，之后應(yīng)用氣動(dòng)潛孔錘打先導(dǎo)孔，最后應(yīng)用集束式氣動(dòng)潛孔錘反打擴(kuò)孔，鉆孔施工完畢進(jìn)行孔內(nèi)清渣及支護(hù)。

該工藝具有以下優(yōu)勢(shì):

(1)鉆進(jìn)均采用空氣沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，施工效率較泥漿正循環(huán)工藝能夠提高40%以上;

(2)車(chē)裝全液壓鉆機(jī)無(wú)需鋪設(shè)基礎(chǔ)、集束潛孔錘沖擊功率高，可以一次反擴(kuò)成孔;

(3)車(chē)裝全液壓鉆機(jī)可配套9.7 m長(zhǎng)鉆桿，可減少施工輔助時(shí)間，提高純鉆效率;

(4)施工過(guò)程全程在井上地面完成，操作安全、作業(yè)環(huán)境好。

3.2 配備設(shè)備

施工氣源由2臺(tái)壽力900XH型空壓機(jī)提供。該空壓機(jī)公稱(chēng)容積流量25.5 m3/min，額定排氣壓力2.41 MPa，額定功率280 kW。

由于采用空氣沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝，本次反井施工沒(méi)有開(kāi)挖泥漿池等輔助設(shè)施。其中700 mm反井專(zhuān)用集束式潛孔錘是為配合反井施工最新研制，首次應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)施工。集束式潛孔錘分2種，一種由3個(gè)8 in氣動(dòng)潛孔錘組成，另一種由5個(gè)8 in氣動(dòng)潛孔錘組成，沖擊功最大可達(dá)500 J。

3.3 施工情況

本反井項(xiàng)目所在地為黃玉川煤礦主井東側(cè)100 m處，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)鉆遇地層較為軟弱。本井設(shè)計(jì)終孔直徑700 mm，終孔深度340 m，預(yù)計(jì)工期35天，主要用于臨時(shí)通風(fēng)、排水和緊急情況下的快速救援通道。

SDC1500型車(chē)裝鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)前無(wú)需鋪裝基礎(chǔ)，無(wú)需開(kāi)挖泥漿池。鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)后進(jìn)行了3天的鉆具配合試驗(yàn)和操作培訓(xùn)。于2013年8月9日正式開(kāi)工鉆進(jìn)先導(dǎo)孔，8月20日更換集束式潛孔錘開(kāi)始進(jìn)行反井施工，集束式潛孔錘于8月22日凌晨2點(diǎn)出地面，標(biāo)志著本次反井工程順利完工。本次施工共用時(shí)13天，較預(yù)計(jì)工期提高60%(節(jié)約22天)以上。圖5、圖6為施工現(xiàn)場(chǎng)。

圖5 鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)就位

圖6 集束錘擴(kuò)孔結(jié)束

由于初次應(yīng)用全液壓多功能鉆機(jī)配套反井專(zhuān)用集束式潛孔錘組合形式，施工初期無(wú)法確定合理的鉆進(jìn)參數(shù)，因此在施工中不斷地進(jìn)行摸索。反井?dāng)U孔時(shí)根據(jù)錘體、空壓機(jī)和鉆機(jī)不同的參數(shù)，設(shè)置了幾組不同的試驗(yàn)參數(shù)，以選擇最佳鉆進(jìn)參數(shù)組合。在選取空壓機(jī)參數(shù)時(shí)，首選了低壓供氣以保證不引起錘體共振和破壞巷道內(nèi)工作環(huán)境。不同試驗(yàn)組別鉆進(jìn)參數(shù)及應(yīng)用效果見(jiàn)表2。

根據(jù)選取的幾組試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況，確定了應(yīng)用5頭式集束錘，單臺(tái)空壓機(jī)工作狀態(tài)選定為25.5 m3@0.85 MPa(此處為單臺(tái)空壓機(jī)的參數(shù)，實(shí)際施工是2臺(tái)空壓機(jī)，所用參數(shù)即為表2中的第五組數(shù)據(jù))，鉆機(jī)提升力略大于G+2 t的鉆進(jìn)工藝(G為鉆具總重，本次施工鉆具長(zhǎng)340 m，采用127 mm石油鉆桿，單根長(zhǎng)約9 m，單根質(zhì)量0.3 t;集束錘質(zhì)量2 t，鉆具總質(zhì)量13 t)，此時(shí)潛孔錘引起鉆機(jī)的共振較小，同時(shí)鉆進(jìn)效率較高。

4 施工效果及結(jié)論

(1)鉆機(jī)滿(mǎn)足精確控制的要求(轉(zhuǎn)速精確控制，無(wú)級(jí)可調(diào)與地層和鉆機(jī)參數(shù)匹配;提升力精確可控，無(wú)級(jí)可調(diào)與地層和鉆機(jī)參數(shù)匹配;提升速度精確可控，無(wú)級(jí)可調(diào)與地層和鉆機(jī)參數(shù)匹配)。

表2 鉆進(jìn)參數(shù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

(2)鉆機(jī)設(shè)有可調(diào)緩沖機(jī)構(gòu)，防止大功率沖擊對(duì)鉆機(jī)的損壞，試驗(yàn)證明采用高壓氮?dú)饩彌_機(jī)構(gòu)用用效果很好，滿(mǎn)足大沖擊功潛孔錘施工要求。

(3)先導(dǎo)孔施工注意控制鉆進(jìn)速度，以10～20 m/h為好，嚴(yán)防快打造成井斜。

(4)液壓鉆機(jī)配套集束潛孔錘反井工藝是新工藝，在鉆具結(jié)構(gòu)、鉆具配套上有進(jìn)一步的探索空間。

(5)潛孔錘反井工藝可用于多層巷道孔施工，避免工人的井下勞作。

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