礦山大口徑鉆孔循環(huán)鉆進技術(shù)研究

趙江鵬 劉建林 趙建國(中煤科工集團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)鉆進工藝方法[1,5,7]。大量工程實踐表明：由于鉆孔口徑大，尤其是在硬巖孔段鉆進時，上述常規(guī)鉆進工藝方法存在碎巖效率低、排渣困難的實際問題，鉆進速度慢，鉆孔的施工工期往往比較長。

為解決大口徑鉆孔硬巖鉆進難題，近幾年國內(nèi)相關(guān)公司研究人員研究與試驗了多種大口徑空氣鉆進工藝技術(shù)。河南煤田地質(zhì)局研究了大口徑氣舉反循環(huán)鉆進技術(shù)[7]，在口徑445 mm、760 mm的鉆孔施工中，機械鉆速0.2～1.61 m/h，鉆孔深度達484.56 m；該技術(shù)減少了孔底重復(fù)破碎，鉆進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)安公司試驗了φ450 mm、φ660 mm 2種規(guī)格的集束式潛孔錘正循環(huán)鉆進技術(shù)[8]，最高機械鉆速達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)濟性差，推廣應(yīng)用難度較大。另外，下排渣擴孔技術(shù)因其鉆進效率高、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]，可分為回拉擴孔式、正打擴孔式2種類型。其中，陜西煤田地質(zhì)局開發(fā)的集束式潛孔錘回拉擴孔技術(shù)，利用φ690 mm集束式潛孔錘進行擴孔，最高機械鉆速可達10 m/h，鉆孔深度至335 m[9]，取得良好的經(jīng)濟效益；神華集團某礦設(shè)計了多個大口徑鉆孔，施工時采用φ660 mm集束式潛孔錘正打擴孔技術(shù)，機械鉆速4～5 m/h，采用φ850 mm鑲齒滾刀鉆頭回拉擴孔技術(shù)，機械鉆速3～4 m/h[2]；然而，下排渣擴孔技術(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)鉆進效率較高、地層適應(yīng)性較強，吉林大學(xué)、中煤科工集團公司等單位近幾年加大力度開展了相關(guān)試驗研究工作[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，機械鉆速1.2～6 m/h，鉆進效率高，鉆進深度達到295 m。下面重點介紹大口徑反循環(huán)鉆進技術(shù)及其研究進展。

1 建立反循環(huán)的基本條件

壓縮空氣到達孔底，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能夠順利進入反循環(huán)通道，即建立起并維持住鉆進過程中所需的反循環(huán)通道，則需滿足下式的基本壓力(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噴出時會產(chǎn)生強烈卷吸作用，從而能夠?qū)娮斐隹谥車牡蛪毫黧w卷吸進混合室內(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，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，鉆進深度至50.8 m，平均鉆進效率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是橡膠片外徑略大于鉆孔(或鉆頭)直徑，通過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)部斜孔進入雙壁鉆桿內(nèi)管中心通道，上返至地面，見圖3。

“十二五”期間，為提高我國應(yīng)對礦山重大災(zāi)害事故的救援能力，重點建設(shè)了7支國家礦山應(yīng)急救援隊。救援隊全部配套了此類型大口徑反循環(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，淮南救援隊曾使用該類型鉆具系統(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，鉆進深度至170 m，平均鉆進效率4 m/h。

圖3 多層橡膠密封式反循環(huán)鉆進原理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，為滿足建立反循環(huán)的需求，同時在孔口設(shè)計安裝有密封裝置。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(見圖4)，當(dāng)氣體壓力達到一定程度時，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—氣盒子；2—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，鉆孔深度達到85 m，平均鉆進效率2.1 m/h。

3 大口徑反循環(huán)鉆進配套裝置的設(shè)計

以孔底孔口聯(lián)合式密封方法為設(shè)計原則，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(見圖5)是由3個常規(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；底部密封盤主要是將孔底大顆粒巖粉(屑)與鉆孔環(huán)空兩者進行有效封隔，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;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)計應(yīng)綜合考慮鉆機孔口工作臺結(jié)構(gòu)特點、雙壁鉆桿外形特征、大直徑反循環(huán)潛孔錘下入方式、以及鉆進工藝參數(shù)等影響因素，在原孔口密封裝置[14，16]實踐基礎(chǔ)上，經(jīng)改進設(shè)計成上、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個卡環(huán)式法蘭固定，見圖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)鉆進試驗

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，鉆進深度至284 m。

現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果：反循環(huán)鉆進排渣效果好(見圖8(a))，鉆進效率高，據(jù)統(tǒng)計機械鉆速2.31～6.0 m/h，平均機械鉆速3.41 m/h。與同條件下牙輪擴孔鉆頭平均機械鉆速0.8 m/h相比，效率提高了3.2倍；與φ710/311 mm擴孔用集束式反循環(huán)潛孔錘平均機械鉆速2.1 m/h相比，效率提高了60%，達到了預(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，鉆進深度至295 m。

現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果：反循環(huán)鉆進排渣效果好(見圖8)，據(jù)統(tǒng)計機械鉆速1.88～6.0 m/h，平均機械鉆速3.14 m/h。與同條件下φ311 mm牙輪鉆頭泥漿正循環(huán)鉆進效率1.3 m/h相比，提高了1.4倍，取得良好的試驗效果。

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，存在鉆進效率較低的實際問題。針對該問題，國內(nèi)研究了大口徑氣舉反循環(huán)鉆進、大口徑潛孔錘正循環(huán)鉆進、下排渣擴孔鉆進等工藝方法，取得了一定的成效。尤其是下排渣擴孔鉆進工藝的應(yīng)用較為廣泛，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益，然而對于地層結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)復(fù)雜的工況條件，大口徑反循環(huán)鉆進工藝適用性更強。

(2)以孔底孔口聯(lián)合式密封方法為設(shè)計思想，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)場試驗表明：該鉆進工藝碎巖效率高、反循環(huán)排渣效果好，是一種高效的鉆進工藝方法。

(3)實踐表明：孔底孔口聯(lián)合式密封的大口徑反循環(huán)鉆進技術(shù)在孔深295 m時注氣壓力仍未超過1.2 MPa，對于600 m以深鉆孔，理論計算注氣壓力仍不會超過3 MPa，亦即在無需氣體增壓機的情況下，也能夠滿足絕大多數(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。

[1] 周 兢.煤礦大口徑工程井鉆井技術(shù)研究[J].中國煤炭地質(zhì),2016,28(1)：58-62.

Zhou Jing.Study on coalmine large diameter engineering well drilling[J].Coal Geology of China,2016，28(1):58-62.

[2] 楊引娥.煤礦送料孔、通風(fēng)孔及救援孔鉆進技術(shù)[J].探礦工程：巖土鉆掘工程,2013,40(3)：60-65.

Yang Yin′e.Drilling technologies of feeding hole,ventilation hole and rescue hole in coal mine[J].Exploration Engineering(Rock & Solid Drilling and Tunneling),2013,40(3)：60-65.

[3] 袁 亮.淮南礦區(qū)礦井降溫研究與實踐[J].采礦與安全工程學(xué)報，2007，24(3)：298-301.

Yuan Liang.Theoretical analysis and practical application of coal mine cooling in Huainan Mining Area[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2007,24(3)：298-301.

[4] 緱延民.煤礦大口徑保溫井保溫套管結(jié)構(gòu)設(shè)計及下套管技術(shù)[J].探礦工程：巖土鉆掘工程，2012，39：63-66.

Gou Yanmin.Structure design of insulation case for large diameter insulating well in coalmine and the casing technology[J].Exploration Engineering：Rock & Solid Drilling and Tunneling，2012，39:63-66.

[5] 楊富春.超大口徑鉆孔施工技術(shù)[J].探礦工程：巖土鉆掘工程，2014，41(4)：25-30.

Yang Fuchun.Super large diameter drilling technology[J].Exploration Engineering：Rock & Solid Drilling and Tunneling，2014，41(4)：25-30.

[6] 王志堅.礦山鉆孔救援技術(shù)的研究與務(wù)實思考[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2011，7(1)：5-9.

Wang Zhijian.Considering and researching of drilling technology in mine rescue[J].Journal of Safety Science and Technology，2011，7(1)：5-9.

[7] 張小連，熊 亮，熊菊秋，等.大直徑工程井氣舉反循環(huán)鉆進施工常見問題與改進對策[J].中國煤炭地質(zhì)，2015，27(10)：49-52.

Zhang Xiaolian,Xiong Liang,Xiong Juqiu,et al.Common problems and improving measures in large diameter engineering well air-lift reverse circulation drilling[J].Coal Geology of China，2015,27(10)：49-52.

[8] 高啟瑜,曹主軍，張 強，等.大直徑集束式潛孔錘正循環(huán)快速擴孔鉆進技術(shù)試驗[J].探礦工程:巖土鉆掘工程，2015，42(9)：38-41.

Gao Qiyu,Cao Zhujun,Zhang Qiang,et al.Tests of circulation rapid reaming technology by large diameter cluster DTH hammer[J].Exploration Engineering:Rock & Solid Drilling and Tunneling，2015,42(9)：38-41.

[9] 劉文革，曹繼玉，劉春明.集束式反井氣動潛孔錘鉆進工藝在大口徑煤礦排水孔施工中的應(yīng)用[J].中國煤炭地質(zhì)，2015，27(3)：49-52.

Liu Wenge,Cao Jiyu,Liu Chunming.Application of clustered reverse circulation pneumatic DTH hammer technology in large diameter coal mine drainage borehole operation[J].Coal Geology of China,2015,27(3)：49-52.

[10] 劉志強.大直徑反井鉆機及反井鉆進技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36(11)：1-3.

Liu Zhiqiang.Large dianeter raise boring machine and raise boring technology[J].Coal Science and Technology,2008,36(11)：1-3.

[11] 甘 心,殷 琨,何江福,等.救援井用大直徑貫通式潛孔錘及鉆頭的研制[J].吉林大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版，2015，45(5)：1844-1851.

Gan Xin，Yin Kun，He Jiangfu，et al.The development and test on a large diameter hollow-through DTH air hammer and drill bit used in rescue well[J].Journal of Jilin University:Engineering Science Edition,2015,45(5)：1844-1851.

[12] 王清巖，呂紅權(quán)，高 翼，等.旋挖鉆機嵌巖樁施工用反循環(huán)潛孔錘鉆具研究[J].工程機械，2013，44(10)：14-18.

Wang Qinyan,Lv Hongquan,Gao Yi,et al.Research on reverse circulating DTH hammer of rotary drilling rig in rock-socketed pile holes drilling[J].Construction Machinery,2013,44(10)：14-18.

[13] 劉建林，殷 琨.SGQ-320型氣體鉆井用貫通式潛孔錘的研制[J].石油鉆探技術(shù)，2012，40(1)：114-115.

Liu Jianlin,Yin Kun.Development of SGQ-320 type reverse circulation DTH hammer used in Gas Drilling[J].Petroleum Drilling Techniques,2012,40(1)：114-115.

[14] 趙江鵬.大直徑反循環(huán)潛孔錘的密封方法與試驗研究[J].探礦工程：巖土鉆掘工程，2015，42(12)：61-63.

Zhao Jiangpeng.Sealing method for large-diameter reverse circulation DTH and the experimental study[J].Exploration Engineering：Rock & Solid Drilling and Tunneling，2015，42(12)：61-63.

[15] 趙江鵬.大直徑集束式潛孔錘反循環(huán)鉆進方法先導(dǎo)性試驗[J].金屬礦山，2015(10)：121-124.

Zhao Jiangpeng.A pilot test for large diameter cluster DTH reverse circulation drilling technology[J].Metal Mine，2015(10):121-124.

[16] 王四一，趙江鵬.大直徑集束式潛孔錘反循環(huán)鉆進技術(shù)研究[J].中州煤炭，2016(6):119-122.

Wang Siyi，Zhao Jiangpeng.Research on reverse circulation drilling technique of large-diameter cluster DTH hammer[J].Zhongzhou Coal,2016(6):119-122.

[17] 石智軍，趙江鵬，陸鴻濤，等．煤礦區(qū)大直徑垂直定向孔快速鉆進關(guān)鍵技術(shù)與裝備[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2016，44(9):13-18.

Shi Zhijun,Zhao Jiangpeng,Lu Hongtao，et al.Key technology and equipment of rapid drilling for large diameter vertical directional borehole in mine area[J].Coal Science and Technology，2016,44(9):13-18.