趙江鵬 劉建林 趙建國(guó)(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

礦山大口徑鉆孔是指一種與井下巷道、硐室等構(gòu)筑物相連通的地面鉆孔，終孔直徑一般介于φ300～ 1 300 mm，深度介于100～800 m，廣泛應(yīng)用于礦山建設(shè)、安全和生產(chǎn)等領(lǐng)域。根據(jù)鉆孔用途，可分為救援逃生孔、瓦斯管道孔、排水孔、電纜孔、降溫管道孔、投料孔等多種類(lèi)型[1-6]。目前，礦山大口徑鉆孔施工大多采用大直徑牙輪鉆頭、泥漿正循環(huán)的常規(guī)鉆進(jìn)工藝方法[1,5,7]。大量工程實(shí)踐表明：由于鉆孔口徑大，尤其是在硬巖孔段鉆進(jìn)時(shí)，上述常規(guī)鉆進(jìn)工藝方法存在碎巖效率低、排渣困難的實(shí)際問(wèn)題，鉆進(jìn)速度慢，鉆孔的施工工期往往比較長(zhǎng)。

為解決大口徑鉆孔硬巖鉆進(jìn)難題，近幾年國(guó)內(nèi)相關(guān)公司研究人員研究與試驗(yàn)了多種大口徑空氣鉆進(jìn)工藝技術(shù)。河南煤田地質(zhì)局研究了大口徑氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)[7]，在口徑445 mm、760 mm的鉆孔施工中，機(jī)械鉆速0.2～1.61 m/h，鉆孔深度達(dá)484.56 m；該技術(shù)減少了孔底重復(fù)破碎，鉆進(jìn)效率得到一定程度的提高，但是鉆頭仍以切削碎巖方式為主，且孔底壓力較大，壓持效應(yīng)未得到顯著改善。寧煤環(huán)安公司試驗(yàn)了φ450 mm、φ660 mm 2種規(guī)格的集束式潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)[8]，最高機(jī)械鉆速達(dá)9 m/h，鉆孔深度至70 m；該技術(shù)孔底碎巖效率高，但是大口徑空氣正循環(huán)排渣需要注入大量壓縮空氣，施工成本高，應(yīng)用于百米以深鉆孔經(jīng)濟(jì)性差，推廣應(yīng)用難度較大。另外，下排渣擴(kuò)孔技術(shù)因其鉆進(jìn)效率高、施工成本低，在礦山大口徑鉆孔施工中得到較為廣泛的應(yīng)用[1,2,5,9-10]，可分為回拉擴(kuò)孔式、正打擴(kuò)孔式2種類(lèi)型。其中，陜西煤田地質(zhì)局開(kāi)發(fā)的集束式潛孔錘回拉擴(kuò)孔技術(shù)，利用φ690 mm集束式潛孔錘進(jìn)行擴(kuò)孔，最高機(jī)械鉆速可達(dá)10 m/h，鉆孔深度至335 m[9]，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益；神華集團(tuán)某礦設(shè)計(jì)了多個(gè)大口徑鉆孔，施工時(shí)采用φ660 mm集束式潛孔錘正打擴(kuò)孔技術(shù)，機(jī)械鉆速4～5 m/h，采用φ850 mm鑲齒滾刀鉆頭回拉擴(kuò)孔技術(shù)，機(jī)械鉆速3～4 m/h[2]；然而，下排渣擴(kuò)孔技術(shù)的推廣應(yīng)用有著嚴(yán)格的適用條件：一是目標(biāo)孔底需掘有井下巷道，且具備井下出渣條件；二是鉆遇地層結(jié)構(gòu)完整，地層富水性較弱[1,5,9-10]。

大口徑反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)是利用空氣潛孔錘提高碎巖效率，利用雙壁鉆桿工藝解決排渣難題。該技術(shù)鉆進(jìn)效率較高、地層適應(yīng)性較強(qiáng)，吉林大學(xué)、中煤科工集團(tuán)公司等單位近幾年加大力度開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)研究工作[11-17]。目前大直徑反循環(huán)潛孔錘有φ711 mm、φ660 mm、φ580 mm、φ445 mm、φ311 mm等多種規(guī)格，機(jī)械鉆速1.2～6 m/h，鉆進(jìn)效率高，鉆進(jìn)深度達(dá)到295 m。下面重點(diǎn)介紹大口徑反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)及其研究進(jìn)展。

1 建立反循環(huán)的基本條件

壓縮空氣到達(dá)孔底，冷卻鉆頭、攜帶巖屑后，上返至地面有2條通道(如圖1)：1條是鉆頭與孔壁、鉆桿與孔壁形成的環(huán)狀間隙共同構(gòu)成的上返通道，屬于正循環(huán)通道；另1條是鉆頭內(nèi)通道、雙壁鉆桿內(nèi)管中心通道構(gòu)成的上返通道，為反循環(huán)通道。為保障壓縮空氣上返時(shí)能夠順利進(jìn)入反循環(huán)通道，即建立起并維持住鉆進(jìn)過(guò)程中所需的反循環(huán)通道，則需滿(mǎn)足下式的基本壓力(阻力)條件：

P21+P22≤P11+P12，

(1)

式中，P11為孔底壓縮空氣在鉆頭與鉆孔壁形成的環(huán)狀間隙產(chǎn)生的壓力損失；P12為孔底壓縮空氣在鉆桿與鉆孔壁形成的環(huán)狀間隙產(chǎn)生的壓力損失；P21為孔底壓縮空氣在鉆頭底部、內(nèi)部通道產(chǎn)生的壓力損失；P22為孔底壓縮空氣在內(nèi)管產(chǎn)生的壓力損失。

圖1 反循環(huán)基本原理Fig.1 Basic principle of reverse circulation

2 實(shí)現(xiàn)反循環(huán)的技術(shù)途徑

密封方法是保障能夠建立反循環(huán)的關(guān)鍵，目前主要有引射器式、多層橡膠片式、孔底孔口聯(lián)合式等幾種密封方法。

2.1 引射器式密封方法

引射器原理是指高壓流體由噴嘴高速?lài)姵鰰r(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈卷吸作用，從而能夠?qū)娮斐隹谥車(chē)牡蛪毫黧w卷吸進(jìn)混合室內(nèi)，然后逐漸形成均勻的混合流體。殷琨教授等[11-13]根據(jù)多噴嘴引射器原理研制的大直徑引射器式反循環(huán)鉆頭有效降低了鉆頭底部的壓降P21，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。利用φ445 mm、φ660 mm 2種規(guī)格的大直徑反循環(huán)鉆頭，配套貫通式潛孔錘和φ140/90 mm雙壁鉆桿，經(jīng)試驗(yàn)，在注氣量60 m3/min，轉(zhuǎn)速4.5～8 r/min工況下，注氣壓力為1.6～1.8 MPa，鉆進(jìn)深度至50.8 m，平均鉆進(jìn)效率4.5 m/h[11]。

圖2 大直徑引射器式反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)原理Fig.2 Structure principle of large diameter reverse circulation ejector-drill1—內(nèi)噴孔；2—貫通孔；3—底噴孔；4—排渣孔；5—擴(kuò)壓槽

2.2 多層橡膠片式密封方法

多層橡膠片式密封方法的特點(diǎn)是橡膠片外徑略大于鉆孔(或鉆頭)直徑，通過(guò)橡膠片的封隔作用增大了環(huán)狀間隙壓力損失P12，促使孔底壓縮空氣由正反循環(huán)轉(zhuǎn)換接頭的側(cè)部斜孔進(jìn)入雙壁鉆桿內(nèi)管中心通道，上返至地面，見(jiàn)圖3。

“十二五”期間，為提高我國(guó)應(yīng)對(duì)礦山重大災(zāi)害事故的救援能力，重點(diǎn)建設(shè)了7支國(guó)家礦山應(yīng)急救援隊(duì)。救援隊(duì)全部配套了此類(lèi)型大口徑反循環(huán)鉆具系統(tǒng)，主要包括φ711 mm大直徑潛孔錘、正反循環(huán)轉(zhuǎn)換接頭、多層橡膠密封器、扶正器、φ219/152 mm雙壁鉆桿等。2015年12月25日，山東平邑某石膏礦巷道發(fā)生坍塌事故，在地面鉆孔救援期間，淮南救援隊(duì)曾使用該類(lèi)型鉆具系統(tǒng)施工5#大口徑逃生孔。在注氣量70 m3/min，轉(zhuǎn)速10～15 r/min條件下，注氣壓力為1.5～1.6 MPa，鉆進(jìn)深度至170 m，平均鉆進(jìn)效率4 m/h。

圖3 多層橡膠密封式反循環(huán)鉆進(jìn)原理Fig.3 Multi-layer rubber seal principle of reverse circulation drilling1—雙壁鉆桿；2—正反循環(huán)轉(zhuǎn)換接頭；3—多層橡膠密封器；4—空氣潛孔錘

2.3 孔底孔口聯(lián)合式密封方法

上述2種密封方法共同特點(diǎn)是孔底密封結(jié)構(gòu)與鉆孔之間間隙小，在坍塌掉塊地層易出現(xiàn)孔內(nèi)埋鉆事故，因此提出了孔底孔口聯(lián)合式的密封方法。該方法增大了孔底密封結(jié)構(gòu)與孔壁的間隙，為滿(mǎn)足建立反循環(huán)的需求，同時(shí)在孔口設(shè)計(jì)安裝有密封裝置。因孔口密封裝置與套管、鉆孔、雙壁鉆桿可構(gòu)成一有限密閉空間(見(jiàn)圖4)，當(dāng)氣體壓力達(dá)到一定程度時(shí)，即能夠迫使孔底壓縮空氣由排渣通道、雙壁鉆桿內(nèi)管中心通道返出至地面。

圖4 孔底孔口聯(lián)合式密封方法Fig.4 Double sealing method at bottom and entrance of drilling hole1—?dú)夂凶樱?—雙壁鉆桿；3—孔口密封裝置；4—土層段套管；5—鉆孔；6—鉆頭；7—鉆頭密封機(jī)構(gòu)

趙江鵬等[14-15]試制了φ710/311 mm規(guī)格的大直徑反循環(huán)鉆頭、孔口密封裝置，配套φ127/70 mm雙壁鉆桿，在注氣量30 m3/min條件下，鉆孔深度達(dá)到85 m，平均鉆進(jìn)效率2.1 m/h。

3 大口徑反循環(huán)鉆進(jìn)配套裝置的設(shè)計(jì)

以孔底孔口聯(lián)合式密封方法為設(shè)計(jì)原則，在以往研究基礎(chǔ)上，選型φ178/113 mm大規(guī)格雙壁鉆桿，設(shè)計(jì)了φ580/311 mm、φ311 mm 2種規(guī)格的大直徑反循環(huán)潛孔錘以及孔口密封裝置。

3.1 φ580/311 mm集束式反循環(huán)潛孔錘

φ580/311 mm集束式反循環(huán)潛孔錘(見(jiàn)圖5)是由3個(gè)常規(guī)正循環(huán)潛孔錘在同一圓周面上均布捆綁組合而成，由上至下分別是雙壁接頭、配氣室、導(dǎo)氣管、中心管、常規(guī)正循環(huán)潛孔錘、排渣管、底部密封盤(pán)以及導(dǎo)向頭等。其中，雙壁接頭可與φ178/113 mm大規(guī)格雙壁鉆桿螺紋連接；配氣室可將壓縮空氣通過(guò)導(dǎo)氣管注入常規(guī)正循環(huán)潛孔錘，使其高效破碎巖石；排渣管是孔底產(chǎn)生的巖粉(屑)、廢氣以及水的排出通道，它與雙壁鉆桿內(nèi)管中心通道相通；底部密封盤(pán)主要是將孔底大顆粒巖粉(屑)與鉆孔環(huán)空兩者進(jìn)行有效封隔，其側(cè)部表面設(shè)置的耐磨帶可修正孔壁起保徑作用；導(dǎo)向頭下部可連接φ311 mm鉆頭，防止擴(kuò)孔中偏離鉆孔原軌跡[16-17]。

圖5 φ580/311 mm集束式反循環(huán)潛孔錘Fig.5 φ580/311 mm reverse circulation cluster hammer1—底部密封盤(pán);2—排渣管;3—常規(guī)正循環(huán)潛孔錘;4—配氣室;5—導(dǎo)向頭;6—中心管;7—導(dǎo)氣管;8—雙壁接頭

3.2 φ311 mm單體式反循環(huán)潛孔錘

φ311 mm單體式反循環(huán)潛孔錘(見(jiàn)圖6)由常規(guī)空氣潛孔錘、封堵器、正反循環(huán)轉(zhuǎn)換接頭等組成。該常規(guī)空氣潛孔錘為311 mm規(guī)格鉆頭，12吋沖擊器；封堵器外徑298 mm，外側(cè)面設(shè)有耐磨帶；正反循環(huán)轉(zhuǎn)換接頭下端連接常規(guī)空氣潛孔錘，上端連接φ178/113 mm大規(guī)格雙壁鉆桿。

3.3 孔口密封裝置

孔口密封裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮鉆機(jī)孔口工作臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、雙壁鉆桿外形特征、大直徑反循環(huán)潛孔錘下入方式、以及鉆進(jìn)工藝參數(shù)等影響因素，在原孔口密封裝置[14，16]實(shí)踐基礎(chǔ)上，經(jīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)成上、下分體式結(jié)構(gòu)，下部為底座，以法蘭方式與鉆孔套管連接；

圖6 φ311 mm單體式反循環(huán)潛孔錘Fig.6 φ311 mm reverse circulation DTH hammer1—常規(guī)空氣潛孔錘;2—封堵器;3—正反循環(huán)轉(zhuǎn)換接頭

上部主要由錐形膠芯、錐形膠芯外殼體、插接結(jié)構(gòu)外殼體組成，插接結(jié)構(gòu)設(shè)置有2道“O”型密封圈；上、下結(jié)構(gòu)采用插接式連接，并由2個(gè)卡環(huán)式法蘭固定，見(jiàn)圖7。

圖7 插接式孔口密封裝置結(jié)構(gòu)Fig.7 Plug-in connect structure of entrance sealing device1—錐形膠芯外殼體；2—插接結(jié)構(gòu)外殼體；3—卡環(huán)式法蘭；4—底座；5—錐形膠芯；6—鉆孔套管

4 大口徑反循環(huán)鉆進(jìn)試驗(yàn)

4.1 φ580/311 mm集束式反循環(huán)潛孔錘應(yīng)用效果

鉆遇地層的巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、及細(xì)粒砂巖、粉砂巖。鉆具組合為φ580/311 mm集束式反循環(huán)潛孔錘+φ178/113 mm大規(guī)格雙壁鉆桿。主要鉆進(jìn)參數(shù)：注氣量35 m3/min，轉(zhuǎn)速35 r/min，注氣壓力1.1～1.2 MPa，鉆進(jìn)深度至284 m。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果：反循環(huán)鉆進(jìn)排渣效果好(見(jiàn)圖8(a))，鉆進(jìn)效率高，據(jù)統(tǒng)計(jì)機(jī)械鉆速2.31～6.0 m/h，平均機(jī)械鉆速3.41 m/h。與同條件下牙輪擴(kuò)孔鉆頭平均機(jī)械鉆速0.8 m/h相比，效率提高了3.2倍；與φ710/311 mm擴(kuò)孔用集束式反循環(huán)潛孔錘平均機(jī)械鉆速2.1 m/h相比，效率提高了60%，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

4.2 φ311 mm單體式反循環(huán)潛孔錘應(yīng)用效果

鉆遇地層的巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、煤、及細(xì)粒砂巖、粉砂巖。鉆具組合為φ311 mm單體式反循環(huán)潛孔錘+φ178/113 mm大規(guī)格雙壁鉆桿。主要鉆進(jìn)參數(shù)：注氣量35 m3/min，轉(zhuǎn)速20～35 r/min，注氣壓力1.1～1.3 MPa，鉆進(jìn)深度至295 m。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果：反循環(huán)鉆進(jìn)排渣效果好(見(jiàn)圖8)，據(jù)統(tǒng)計(jì)機(jī)械鉆速1.88～6.0 m/h，平均機(jī)械鉆速3.14 m/h。與同條件下φ311 mm牙輪鉆頭泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)效率1.3 m/h相比，提高了1.4倍，取得良好的試驗(yàn)效果。

圖8 反循環(huán)排渣效果與返出的巖屑顆粒Fig.8 Residue discharge effect of reverse circulation and the carrying debris particles

5 結(jié) 論

(1)目前礦山大口徑鉆孔施工多采用泥漿正循環(huán)工藝排渣、牙輪鉆頭碎巖，存在鉆進(jìn)效率較低的實(shí)際問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，國(guó)內(nèi)研究了大口徑氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)、大口徑潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)、下排渣擴(kuò)孔鉆進(jìn)等工藝方法，取得了一定的成效。尤其是下排渣擴(kuò)孔鉆進(jìn)工藝的應(yīng)用較為廣泛，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益，然而對(duì)于地層結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)復(fù)雜的工況條件，大口徑反循環(huán)鉆進(jìn)工藝適用性更強(qiáng)。

(2)以孔底孔口聯(lián)合式密封方法為設(shè)計(jì)思想，研制了φ311 mm、φ580/311 mm 2種規(guī)格大直徑反循環(huán)潛孔錘、插接式孔口密封裝置，配套φ178/113 mm大規(guī)格雙壁鉆桿，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：該鉆進(jìn)工藝碎巖效率高、反循環(huán)排渣效果好，是一種高效的鉆進(jìn)工藝方法。

(3)實(shí)踐表明：孔底孔口聯(lián)合式密封的大口徑反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)在孔深295 m時(shí)注氣壓力仍未超過(guò)1.2 MPa，對(duì)于600 m以深鉆孔，理論計(jì)算注氣壓力仍不會(huì)超過(guò)3 MPa，亦即在無(wú)需氣體增壓機(jī)的情況下，也能夠滿(mǎn)足絕大多數(shù)礦山大口徑鉆孔施工的深度要求，因此，該技術(shù)在礦山鉆孔救援、瓦斯抽采治理、以及其他工程用途的礦山大口徑鉆孔中具有良好的推廣應(yīng)用前景。

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