趙俊峰，金 新，童 碧，魏宏超，劉德貴，豆旭謙，張獻振

(1．淮南礦業(yè)集團地質(zhì)勘探工程處，安徽 淮南232052;2．中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安710077)

目前，我國煤礦井下鉆進施工多采用回轉(zhuǎn)鉆進的方法［1］，在淮南等礦區(qū)由于煤質(zhì)較軟，煤層成孔難度大，煤層巷道掘進與揭煤多采用空氣介質(zhì)或氣水混合介質(zhì)進行回轉(zhuǎn)鉆進的穿層鉆孔方式，解決瓦斯抽采問題。在施工中多鉆遇硬巖或軟硬交錯地層，其鉆進效率低、鉆頭壽命短、鉆孔周期長、成本高，且鉆孔容易產(chǎn)生偏斜。而常規(guī)氣動潛孔錘施工造成的嚴重粉塵污染，使得其在狹小煤層礦巷道內(nèi)的應用受到限制。因此，以清水為沖洗介質(zhì)，將沖擊鉆進與回轉(zhuǎn)切削鉆進結合，在合理改進鉆頭結構的基礎上，延長了鉆頭使用壽命，提高了鉆進效率，擴寬了沖擊回轉(zhuǎn)鉆進工藝的應用范圍。

1 工藝原理

在地質(zhì)巖心鉆探中，針對堅硬變質(zhì)巖層，采用小口徑液動潛孔錘與金剛石鉆頭(孕鑲金剛)結合，在回轉(zhuǎn)速度不變的條件下，通過軸向振動力，提高金剛石顆粒的嵌入深度，從而達到提高進尺效率的目的。針對煤系地層中，煤層頂?shù)装宥酁槌练e巖層，其硬度較變質(zhì)巖與巖漿巖小，若采用金剛石鉆頭施工，進尺緩慢，不能達到高效施工的目的。因此，在液動潛孔錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆進技術中，在巖石塑性大不適合氣動潛孔錘施工的條件下，選用液動潛孔錘與抗沖擊的高強PDC鉆頭結合，以回轉(zhuǎn)切削為主，通過高頻率液動沖擊力增加鉆頭上的復合片在堅硬巖石中的切入深度，從而達到提高鉆進效率的目的。

2 液動潛孔錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆進技術配套設備

2．1 液動潛孔錘

液動潛孔錘是利用泥漿泵供給液壓能，直接驅(qū)動液動潛孔錘內(nèi)的沖錘上下往復運動，并連續(xù)不斷地對鉆頭施加沖擊荷載，是解決堅硬巖層和某些復雜巖層鉆探效率低、鉆孔質(zhì)量差的有效鉆具。由于煤礦井下瓦斯抽放鉆孔孔徑小，采用的液動潛孔錘口徑較小，其沖擊功較小，僅為同種規(guī)格型號氣動潛孔錘的14% ～60%，因此主要以回轉(zhuǎn)切削為主，通過合理控制鉆進過程中的鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵量等參數(shù)提高其鉆進效率。

根據(jù)金剛石復合片抗沖擊性能與鉆孔結構，選用了SZX73型液動潛孔錘(見圖1)性能參數(shù)為:鉆具外徑73 mm，鉆孔直徑75～85 mm，沖錘行程20～25 mm，自由行程6～10 mm，工作泵量90～150 L/min，工作壓力0.8 ～3.0 MPa，沖擊頻率25 ～45 Hz，沖擊功15～70 J，長度1000 mm，質(zhì)量25 kg。

圖1 YZX73型液動潛孔錘

2．2 鉆機

由于煤礦井下空間條件限制，在礦井下應用的鉆機應具有體積小、運輸靈活、適用性強的優(yōu)點。結合穿層瓦斯抽采孔設計與施工的要求與特點，選用中煤科工集團西安研究院有限公司研制生產(chǎn)的ZDY3200S型鉆機(見圖2)能夠滿足應用要求，其技術參數(shù)為:鉆孔深度350/100 m，終孔直徑150/200 mm，鉆桿直徑63．5/73 mm，鉆孔傾角0°～ ±90°，回轉(zhuǎn)速度50 ～175 r/min，最大扭矩3200 N·m，給進能力112 kN，起拔能力77 kN，功率37 kW，主機質(zhì)量1180 kg，主機外形尺寸(長 ×寬 ×高)2．30 m ×1．10 m ×1．65 m。

圖2 ZDY3200S型鉆機

2．3 泥漿泵

根據(jù)SZX73液動潛孔錘工作壓力與工作泵量，選用3NB－320型往復式泥漿泵，其流量與壓力滿足施工要求，其主要參數(shù)如表1所示。

2．4 鉆頭設計與優(yōu)型

表1 3NB－320型往復式泥漿泵參數(shù)

在鉆頭設計時，考慮到巖石相對較硬及液動潛孔錘的沖擊，為增加鉆頭使用壽命與鉆進速度，復合片選擇抗沖擊性能與耐磨性均較好的弧面金剛石復合片，并增大復合片的切削角。設計參數(shù)見表2，實物外觀如圖3、圖4所示。

表2 PDC鉆頭參數(shù)

3 工程試驗與分析

3．1 試驗地點地質(zhì)概況

試驗地點選擇在淮南礦業(yè)集團潘一煤礦21111(1)東翼膠帶機大巷，施工上仰穿煤瓦斯抽放鉆孔，施工鉆孔需要穿越7.5 m厚的泥質(zhì)膠結石英砂巖，其抗壓強度為36.45 MPa，堅固系數(shù)3.65，屬于低粘結強度、高研磨性巖石［2］，該層位約占鉆孔總長度的20%，在試驗前采用普通回轉(zhuǎn)鉆進，鉆頭消耗量大，平均鉆頭壽命僅為50 m，成本較高。

3．2 試驗情況與結果

通過潘一煤礦21111(1)東翼膠帶機大巷第92組與第106組2組22個鉆孔施工，部分鉆孔參數(shù)如表3所示，對液動潛孔錘與普通三翼內(nèi)凹鉆頭、三翼圓弧和四翼平底PDC鉆頭的組合進行了試驗，試驗工藝參數(shù)與結果如表4、表5所示。

表3 部分試驗鉆孔參數(shù)

表4 施工工藝參數(shù)

表5 各類鉆頭試驗效果統(tǒng)計

3．3 試驗分析

通過對3種鉆具組合效率對比，可以看出“三翼圓弧鉆頭+液動錘”組合與“四翼平底鉆頭+液動錘”組合平均進尺效率優(yōu)于普通三翼內(nèi)凹鉆頭組合，鉆進效率分別提高84%、23%，其鉆頭進尺壽命是普通三翼內(nèi)凹鉆頭的近5倍。

(1)該試驗區(qū)巖石具有較高研磨性，且具有較好的塑性，單獨采用三翼內(nèi)凹鉆頭，其鉆頭較容易磨損導致鉆進效率急劇下降;采用高強抗沖擊PDC復合片在滿足液動潛孔錘沖擊要求的同時，鉆頭抗研磨性大大提高，從而鉆頭進尺壽命提高明顯。

(2)回轉(zhuǎn)沖擊鉆具組合，采用回轉(zhuǎn)沖擊方式，沖擊能提高了鉆頭切入巖石深度，在鉆進參數(shù)(轉(zhuǎn)速、給進壓力、泵量)相同的條件下，單位時間內(nèi)鉆頭切削量提高，從而鉆進效率大大增加。

(3)在轉(zhuǎn)速、給進壓力、泵量相同的條件下，四翼平底鉆頭組合回轉(zhuǎn)壓力與泵壓均較高，從結構上可以看出平底設計增加了鉆進阻力，巖粉排泄不順暢，造成重復切削，因而效率低于三翼圓弧PDC鉆頭組合。

4 結語

試驗表明，液動潛孔錘鉆進工藝在煤礦井下鉆探中具有一定優(yōu)勢，本次試驗選用的鉆機、鉆具與液動潛孔錘具有良好的配伍性。

在煤礦井下穿層鉆孔中，小口徑液動潛孔錘應用正常，通過與高強PDC鉆頭組合，提高了鉆進施工效率，同時針對液動潛孔錘設計的PDC鉆頭具有較高的進尺壽命。

回轉(zhuǎn)沖擊復合鉆進方式，對研磨性強、塑性強的巖石具有較好的效果，優(yōu)于單純回轉(zhuǎn)鉆進方式。鉆頭的結構設計影響鉆屑的排除效率，從而較大程度上影響鉆進效率，圓弧形鉆頭設計優(yōu)于平面設計，雖然平底PDC鉆頭具有較好的保直性，由于外出刃較小，導致鉆進壓力相對較大，是影響鉆進效率的主要因素之一。

對于兩種效果較好的鉆具組合方式，還需要進一步進行優(yōu)化鉆頭結構設計和液動錘排量優(yōu)化，保證降低鉆進壓力，進一步提高鉆進效率。

液動潛孔錘可采用清水為沖洗介質(zhì)，鉆孔孔口無粉塵污染，噪聲污染小，較為適合空間狹小的煤礦井下巷道施工，在煤礦井下施工中具有良好應用推廣前景。

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