氣動潛孔錘工藝可行性研究

曹雷強，吳紅兵

（五礦礦業(yè)（邯鄲）礦山工程有限公司，河北 邯鄲 056000）

1 氣動潛孔錘工藝可行性研究

與回轉(zhuǎn)鉆進的研磨和切削原理不同，空氣潛孔錘鉆進原理是通過潛孔錘將壓縮機產(chǎn)生的壓縮空氣的能量轉(zhuǎn)換成對巖石進行破碎的沖擊能量。當(dāng)沖擊功達到破碎巖石所需要的能量時，產(chǎn)生體積破碎；并利用工作后的氣體將巖屑排出孔外，實現(xiàn)鉆進。理想鉆進效果的基本參數(shù)包括鉆壓、風(fēng)壓、風(fēng)量和轉(zhuǎn)速等。

（1）鉆壓?？諝鉂摽族N碎巖的三種力為：沖擊力、回轉(zhuǎn)力和靜壓力（鉆壓）。在全面鉆進過程中，潛孔錘的單位面積的壓力值一般在30N/cm2～80N/cm2；在軟至中硬巖層中推薦值為78N/cm2～199N/cm2；另外壓力值選擇還應(yīng)將鉆機性能、鉆具匹配情況，鉆進方式及所選用的沖擊器的規(guī)格型號進行綜合考慮。這樣，可以最大限度地減少鉆具的磨損，達到最佳的鉆進效果。通過多次對比實驗，在李樓鏡鐵礦中鉆機鉆壓需達到220N/cm2，其鉆進效率達到最高。

（2）轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速是為了改變錘頭合金的沖擊破巖位置，避免破碎重復(fù)。影響轉(zhuǎn)速高低的主要因素有：規(guī)格大小、沖擊器的額定沖擊頻率以及巖層的物理機械特性，過高的轉(zhuǎn)速可能會造成鉆頭的嚴重磨損及鉆進效率的降低。所以，需將合理的轉(zhuǎn)速保證在最優(yōu)沖擊間隔范圍內(nèi)。確定最優(yōu)的沖擊間隔，一般采用二次沖擊間隔的轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)速、最優(yōu)轉(zhuǎn)角和沖擊頻率三者的關(guān)系表示如下式：A=n 260/f（度）

式中：A——最優(yōu)轉(zhuǎn)角（度）；n——鉆具轉(zhuǎn)速（r/min）；f——沖擊頻率（次/min）。

本次使用的是ND55A型沖擊器，頻率為25HZ，也就是1500次/min，通過公式計算出轉(zhuǎn)速為63r/min，而在長期的施工過程中，通過在安徽開發(fā)礦業(yè)所屬地層施工切井爆破孔的應(yīng)用中，最終確定鉆速選擇在30轉(zhuǎn)/分～50轉(zhuǎn)/分是比較合理的，對于硬巖層選用低轉(zhuǎn)速，對于軟巖層選用較高轉(zhuǎn)速。

（3）風(fēng)速和風(fēng)量?？諝忏@進中耗氣量可以通過清除孔內(nèi)巖屑的最低上返速度及氣動潛孔沖擊器的性能參數(shù)來確定。氣動潛孔沖擊器的性能參數(shù)極其重要，是因為在進行大口徑潛孔錘鉆進時，所用鉆桿外徑鉆孔直徑和鉆孔直徑有很大差別時，容易出現(xiàn)潛孔錘風(fēng)量不足以及排渣效果不理想的問題。為保證一定的環(huán)空上返風(fēng)速能清除和攜帶孔底巖屑，應(yīng)選擇合適的供風(fēng)量。一般，全面鉆進時，上返速度V=20m/s～25m/s；取芯鉆進時，上返速度V=10m/s～15m/s。計算合理的供風(fēng)量，計算公式如下：Q=47.1K1K2(D2-d2)V

式中：Q——鉆進時所需空氣量m3/min；K1——孔深損耗系數(shù)，孔深100m～200m以內(nèi)取1.0～1.1；K2——孔內(nèi)涌水系數(shù)取K2=1.5；D——鉆孔直徑（m）；d——鉆桿外徑（m）；V——環(huán)狀間隙氣流上返速度。

切割井施工確定潛孔鉆進鉆桿外徑為φ89mm，施工孔徑為φ140mm，深度25m的切割井鉆孔，潛孔錘壓力降為20Kg，運用上述公式可得出所需風(fēng)量最小為17m3/min，供風(fēng)壓力最小為17Kg/cm2的空壓機。

2 設(shè)備選型

根據(jù)上述確定的氣動潛孔錘鉆進工藝參數(shù)，通過多方考察確定湖南有色最新開發(fā)的新型礦用鉆機CS150D型潛孔鉆機系，該機結(jié)合我國地下礦山采礦的工藝特點，采用液壓集成技術(shù)，使鉆機功能模塊清晰、性能先進可靠，采用全液壓驅(qū)動的液壓系統(tǒng)，根據(jù)巖石情況和鉆進深度無級調(diào)整，調(diào)節(jié)和控制方便，大幅度提高了回轉(zhuǎn)和推進等主要工作機構(gòu)的驅(qū)動能力、平穩(wěn)度和抗過載能力，綜合利用了國內(nèi)外同類產(chǎn)品的優(yōu)點。

3 鉆進施工

鉆孔施工順序，按設(shè)計要求順序施工；核對鉆孔位置，滿足要求后，才允許開鉆。

（1）開孔。必須先開水閥，后開氣閥；啟動回轉(zhuǎn)頭，控制回轉(zhuǎn)頭慢速低壓或浮動推進，當(dāng)鉆頭鉆孔至一定深度時（500mm～800mm），操作“推進”手柄反提回轉(zhuǎn)頭，再多次操作推進-反提，進行排渣，渣排干凈后，再次校正鉆進傾角后，繼續(xù)鉆進，至一定深度再排渣。如此操作，直到鉆頭深入孔內(nèi)1.5m至2m，開孔步驟完成。

（2）鉆進。開孔完成后，進入鉆進步驟，鉆進與開孔操作相同鉆進作業(yè)前，應(yīng)先操作“上卡+”按鈕適當(dāng)夾緊鉆桿，使上爪處于扶桿狀態(tài)，以穩(wěn)定鉆桿，防止孔偏，達到導(dǎo)正目的。鉆進時，密切注意設(shè)備工作情況，并根據(jù)需要及時調(diào)整推進壓力以避免夾鉆等故障。待鉆桿全部鉆入即進入接桿步驟，同時做好鉆探進尺記錄。

（3）接桿。當(dāng)一根鉆桿全部鉆入孔內(nèi)，需接另一根鉆桿，以繼續(xù)穿鑿作業(yè)，直至鉆孔到預(yù)定深度。卸開鉆桿螺紋前必須將卸桿器及周邊清理干凈，避免雜物進入氣路，損壞沖擊器；整個接卸桿過程中，密切注意各個動作情況，避免雜物進入氣路以及因操作不到位等原因引發(fā)的安全事故；上鉆桿前，各鉆桿連接螺紋處必需抹黃油。

（4）移孔。將導(dǎo)軌提起，準(zhǔn)備移孔，檢查供氣、供水管路以及鉆進控制箱連接線在設(shè)備移位時是否會拉斷或被擠壓，在移位時停止給鉆機供氣、供水；鉆孔過程中若周圍未開始鉆的孔，被巖粉覆蓋而不能確定孔位時，應(yīng)重新標(biāo)定鉆孔孔口坐標(biāo)后再施工。鉆孔過程中要進行孔位偏斜的實時監(jiān)測，要嚴格按照施工要求進行施工，確?？孜黄甭蕽M足要求。

4 試驗效率分析

在實際施工過程中，根據(jù)現(xiàn)場實際條件，進行孔位布置修改及孔徑變更，實驗共計65個，具體明細見下表。

表1 鉆孔實驗參數(shù)一覽表

使用CS150D鉆機施工比升降機施工每天節(jié)省人工成本6人，6天可節(jié)省36人的工資支出；1條25m深的切井需放15炮，CS150施工只需放4炮，合計裝藥量CS150D比升降機節(jié)約不少；施工效率CS150比升降機提前5天完成，又節(jié)約了20人的工資支出；按照井下作業(yè)每人單班工資200元計算，一條切割井可節(jié)約人工成本近12000元，施工效率提高33%。

5 結(jié)論

通過研究使用CS150潛孔鉆機，采用氣動潛孔錘工藝在安徽開發(fā)礦業(yè)使用切割井鉆孔爆破成井工藝，具有效率高、成本低、安全可靠等多種優(yōu)點，具有很大的應(yīng)用推廣價值。①理想的鉆進效果的基本參數(shù)包括鉆壓、風(fēng)壓、風(fēng)量和轉(zhuǎn)速等。通過多次對比實驗，在李樓鏡鐵礦中鉆機鉆壓需達到220N/cm2，鉆速選擇在30轉(zhuǎn)/分～50轉(zhuǎn)/分，空氣壓力1.6mpa，風(fēng)量最小為17m3/min，供風(fēng)壓力最小為17Kg/cm2，其鉆進效率達到最高。②通過實驗，對施工過程過程中的開鉆前準(zhǔn)備、開孔、接桿、卸桿、停機、移動等施工步驟確定了相關(guān)保證措施，為切割井鉆孔施工提供了施工技術(shù)保障。③利用CS150潛孔鉆機施工切割井與傳統(tǒng)方法進行了對比，CS150潛孔鉆機施工切割井成本低、效率能夠提高33%。