硬巖（f≥6）鉆孔施工成套技術(shù)

魏濤

【摘 要】淮南礦區(qū)煤層松軟，f值基本都在1以下，煤層瓦斯壓力大、瓦斯含量高，地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層瓦斯治理需施工大量的穿層鉆孔及頂板走向鉆孔。本文通過分析硬巖鉆孔施工存在的問題尋找解決這一問題的方案并確定其可實(shí)施性。

【關(guān)鍵詞】鉆孔；硬巖；成套技術(shù)

1 硬巖鉆孔施工存在的問題

淮南礦區(qū)煤層松軟，f值基本都在1以下，煤層瓦斯壓力大、瓦斯含量高，地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層瓦斯治理需施工大量的穿層鉆孔及頂板走向鉆孔。在穿層鉆孔施工時(shí)煤系地層巖性軟硬不均，硬巖跨度大、分布廣，如B11煤頂板、底板，B8煤頂板，部分礦井的A1煤頂板存在大量的堅(jiān)硬石英砂巖，部分地區(qū)石英砂巖厚度達(dá)20多米。傳統(tǒng)施工方法的鉆進(jìn)效率低下，小班進(jìn)尺甚至小于2m，大大影響了瓦斯治理工程進(jìn)度，對煤礦安全生產(chǎn)產(chǎn)生了重大不利影響。

2 解決的方案

1）積極開展自主創(chuàng)新，成立攻關(guān)小組。為解決硬巖鉆進(jìn)問題，勘探處成立了“硬巖（f≥6）鉆孔施工成套技術(shù)”攻關(guān)小組，與科研單位合作，積極開展創(chuàng)新攻關(guān)。

2）根據(jù)巖性分類指導(dǎo)。結(jié)合鉆探工藝的特點(diǎn)，針對不同巖層，分別采用不同的施工方案。f值<6的巖層采用常規(guī)鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的施工工藝，6≤f值<9的巖層采用高強(qiáng)度復(fù)合片鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的施工工藝， f值≥9的巖層采用風(fēng)動(dòng)或液動(dòng)潛孔錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝。

3 現(xiàn)場施工情況

3.1 高強(qiáng)度復(fù)合片鉆頭施工情況

3.1.1 鉆頭設(shè)計(jì)

根據(jù)地層特點(diǎn)，我們設(shè)計(jì)了兩種高強(qiáng)PDC鉆頭，與普通鉆頭相比，具有以下優(yōu)化特點(diǎn)：

（1）普通鉆頭體為鋼體式，高強(qiáng)PDC鉆頭采用胎體式，確保其耐磨性與強(qiáng)度。

（2）其切削具選用抗沖擊和耐磨性較好的面包型金剛石復(fù)合片，焊接形式由平面焊接轉(zhuǎn)化為包鑲焊接。

（3）其切削具采用分層布置，單個(gè)切削具跟巖石接觸受力的面積更加合理，鉆進(jìn)功率大。

3.1.2 配套鉆具

鉆機(jī)：采用全液壓鉆機(jī)，其功率應(yīng)在3200N·m及以上。

鉆桿：采用Φ63.5/73mm肋骨鉆桿或Φ73mm光鉆桿施工。

鉆頭：高強(qiáng)三翼或四翼PDC復(fù)合片鉆頭，鉆頭直徑Φ98～113mm。

3.1.3 現(xiàn)場實(shí)施

（1）基本情況

淮南礦區(qū)潘一礦21111（1）順槽底抽巷，此處共設(shè)計(jì)鉆孔2299個(gè)，總工程量約為9.2萬m，鉆孔傾角為29.5°～82°。施工巷道頂板距11-2煤層底板最小法距為28m，最大法距為46m，其巖性多為堅(jiān)硬的中粗砂巖、中砂巖或細(xì)砂巖，其細(xì)砂巖f值為8.5左右。

（2）普通鉆頭施工情況

采用普通鉆頭施工，三臺鉆機(jī)自2013年5月28日至11月10日，施工168天，總計(jì)施工621個(gè)鉆孔，工程量25772m，平均臺效1560m/臺·月，合計(jì)使用普通復(fù)合片鉆頭860個(gè)。

（3）高強(qiáng)PDC鉆頭施工情況

采用Φ98.4mm高強(qiáng)PDC鉆頭施工，三臺鉆機(jī)自2013年11月11日至2014年4月1日，施工142天，總計(jì)施工903個(gè)鉆孔，工程量37014m，平均臺效2650m/臺·月，合計(jì)使用高強(qiáng)PDC鉆頭133個(gè)。

3.1.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

（1）縮短了工期。如果采用普通鉆頭施工，三臺鉆機(jī)進(jìn)尺37014m需要241天，而目前只施工了142天，提前了99天，為瓦斯治理贏得了時(shí)間。

（2）降低了成本。采用普通鉆頭施工，按平均1200元/個(gè)計(jì)算，每米進(jìn)尺鉆頭費(fèi)用為：860×1200/25772=40.04元，如果施工37014m，則鉆頭費(fèi)用為148.22萬元。使用高強(qiáng)鉆頭，按平均5100元/個(gè)計(jì)算，總鉆頭費(fèi)用為：133×5100=67.83萬元，每米進(jìn)尺鉆頭費(fèi)用為：18.32元。使用高強(qiáng)鉆頭每米節(jié)省21.72元，總計(jì)節(jié)省了80.39萬元，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

3.2 風(fēng)動(dòng)潛孔錘試驗(yàn)情況

3.2.1 潛孔錘的結(jié)構(gòu)

空氣潛孔錘適用于鉆進(jìn)f值在9以上的巖層，如果f 值小，其碎巖效率低。潛孔錘一般由接頭、沖擊器缸體組件和鉆頭三大部分組成。

3.2.2 配套鉆具

（1）鉆機(jī)：ZDY3200S型液壓鉆機(jī)。鉆機(jī)輸出轉(zhuǎn)速在70～240 r/min。

（2）鉆具：Ф113mm復(fù)合片鉆頭、CIR-110mm風(fēng)動(dòng)潛孔錘、Ф63.5/73mm肋骨鉆桿。

（3）MLG21/10-132G埃爾特空壓機(jī)，其排氣壓力1 MPa，排氣量21 m3/min。

3.2.3 現(xiàn)場實(shí)施

（1）基本情況

淮南礦區(qū)張集礦（中央?yún)^(qū)）西翼暗主斜井法距7m揭B8煤鉆孔，B8煤頂板為石英砂巖，平均厚為5m，巖性堅(jiān)硬，普氏硬度系數(shù)f值為11.5。初始設(shè)計(jì)11×11個(gè)措施孔，5個(gè)效檢孔，總工程量5432.4m。由于巖石堅(jiān)硬，當(dāng)施工完17個(gè)孔后，礦方對措施鉆孔進(jìn)行了優(yōu)化，后設(shè)計(jì)7×7個(gè)措施孔，鉆孔傾角范圍：-40.7°～-5.9°，預(yù)計(jì)8煤見煤深度：9.3m～57.9m，止煤深度：14.2m～82.9m。

（2）參數(shù)確定

①風(fēng)壓：潛孔錘的設(shè)計(jì)壓力為0.63MPa，一般要求供風(fēng)壓大于設(shè)計(jì)壓力0.2～0.5MPa，通過試驗(yàn)，風(fēng)壓在0.9MPa以上進(jìn)尺較快，風(fēng)壓在0.8MPa左右時(shí)，進(jìn)尺較慢，而當(dāng)風(fēng)壓小于0.7MPa時(shí)，基本無進(jìn)尺。

②風(fēng)量：為保證鉆屑充分排出，一般潛孔錘鉆進(jìn)所需風(fēng)量要比其額定風(fēng)量大20%左右。當(dāng)鉆孔孔徑為Ф110mm時(shí)，潛孔錘最大風(fēng)量要求為12.7m3/min，而空壓機(jī)的額風(fēng)量為21m3/min，滿足施工要求。

③轉(zhuǎn)速：本次試驗(yàn)了三個(gè)轉(zhuǎn)速，分別是最低轉(zhuǎn)速70r/min，較高轉(zhuǎn)速90r/min及110r/min。從鉆頭磨損及進(jìn)尺情況看，最低轉(zhuǎn)速效果最好。

④鉆壓：潛孔錘的破碎原理主要是靠沖擊動(dòng)載作用下破碎巖石，鉆壓一般控制在0.7～1.0MPa比較合適，現(xiàn)場試驗(yàn)證明，當(dāng)孔深在50m以內(nèi)時(shí)，鉆壓控制在0.7MPa左右比較合適，當(dāng)孔較深時(shí)可適當(dāng)增大鉆壓，當(dāng)鉆壓大于1.2MPa時(shí)，施工效率明顯降低。

（3）施工情況

①剛開始使用Ф113mm復(fù)合片鉆頭施工了23個(gè)鉆孔，硬巖段每小班平均進(jìn)尺4.0m，部分鉆孔僅進(jìn)尺1.0m。兩臺鉆機(jī)施工12天，共計(jì)進(jìn)尺605.8m（其中硬巖段229m），綜合臺效757.2m/臺·月，消耗84個(gè)復(fù)合片鉆頭。

②后用CIR-110mm潛孔錘進(jìn)行施工48個(gè)鉆孔，硬巖段每小班平均施工20.0m，兩臺鉆機(jī)施工31天，其中掏穴為11天，純鉆進(jìn)時(shí)間為20天。共計(jì)進(jìn)尺2146m（其中硬巖段1101m），綜合臺效1609.5m/臺·月，共計(jì)消耗沖擊器11個(gè)、沖擊器錘頭74個(gè)。

3.2.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

（1）縮短了工期。如果采用復(fù)合片鉆頭施工，兩臺鉆機(jī)進(jìn)尺2146m（加掏穴）需要52天，而目前只施工了31天，提前了21天，為揭煤工作贏得了時(shí)間。

（2）降低了成本。如果后48個(gè)鉆孔采用復(fù)合片鉆頭施工，預(yù)計(jì)將消耗379個(gè)鉆頭，按平均1200元/個(gè)計(jì)算，鉆頭費(fèi)用為：1200×379=45.5萬元。而沖擊器850元/個(gè)，沖擊器錘頭348.58元/個(gè)，施工49個(gè)鉆孔實(shí)際花費(fèi)850×11+348.58×74=3.51萬元，預(yù)計(jì)節(jié)省41.99萬元，兩種不同的鉆進(jìn)方式比較，直接經(jīng)濟(jì)效益可觀。

4 取得的成果

1）初步形成了針對不同巖性采用不同的施工方案。即軟煤鉆進(jìn)施工工藝，f值<6、6≤f值<9及f值≥9的巖層施工工藝。

2）提高了f值≥6的硬巖鉆進(jìn)效率。6≤f值<9巖層鉆進(jìn)效率達(dá)2650m/臺·月左右，f值≥9的巖層鉆進(jìn)效率達(dá)1600m/臺·月左右。

3）縮短了施工工期，降低了鉆進(jìn)成本。

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