高能液動錘超硬巖沖擊快速鉆進工藝研究

趙志強

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039)

2022年版《煤礦安全規(guī)程》確立了“以風(fēng)定產(chǎn)、先探后掘、先抽后采”的生產(chǎn)方針[1]，其中“先抽后采”的關(guān)鍵在于瓦斯抽排放孔的施工速度與質(zhì)量。煤礦井下穿層鉆孔施工時具有空間受限、工作環(huán)境復(fù)雜多變、鉆孔設(shè)計傾角變化大、鉆孔工程量大、鉆孔深度淺(大多數(shù)不超過120 m)、鉆進速度要求高、清水鉆進(無泥漿護孔)等特點，隨著煤礦開采深度與地質(zhì)條件的變化，硬巖、超硬巖層鉆孔施工所占比重越來越大。根據(jù)國家礦山安全監(jiān)察局2022年第68號文件最新要求，在突出煤層頂(底)板及鄰近煤層中掘進的巷道與突出煤層的法向距離小于10 m時，必須采取防突措施。以河南能源新安煤礦為例，設(shè)計16040上底板巖巷時，若按照底板巖巷距煤層大于10 m設(shè)計，將導(dǎo)致硬巖穿層孔工程量大大增加，而當(dāng)?shù)装鍘r巷設(shè)計在距煤層底板下方17 m時比將底板巖巷設(shè)計在距煤層底板下方8 m時，每排穿層鉆孔數(shù)量多2個，總工程量多143.6 m，整個巷道的超硬巖穿層孔工程量將大幅度提高。新安煤礦全井田發(fā)育有致密堅硬的硅質(zhì)泥巖(俗稱“鐵里石”)，為新安煤礦主要標(biāo)志層之一，經(jīng)X射線熒光光譜(XRF)定性半定量測試，鐵里石中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)46.1%，F(xiàn)e2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.18%，TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.47%，該巖石硬度極大(堅固性系數(shù)f=12～17，平均f=13)。

國內(nèi)各煤礦穿層鉆孔鉆遇硬巖時，多采用普通PDC鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進工藝，但受限于PDC復(fù)合片的性能與價格，其機械鉆速為0.5～2.0 m/h，鉆頭壽命小于15 m，嚴(yán)重制約著瓦斯抽排放孔施工速度。雖然風(fēng)動潛孔錘沖擊—回轉(zhuǎn)鉆進可提高施工速度，但受限于防爆空氣壓縮機的性能(最大風(fēng)壓不大于1.2 MPa)，無法發(fā)揮潛孔錘最佳性能，同時受制于井下的通風(fēng)條件，巷道粉塵污染極大，嚴(yán)重危害操作人員人身安全和健康，無法大規(guī)模推廣應(yīng)用。地質(zhì)勘查領(lǐng)域的低壓液動錘因其結(jié)構(gòu)、性能受限，無法滿足井下對鉆進速度的要求。從2019年開始，新安煤礦與中煤科工集團重慶研究院(以下簡稱“重慶研究院”)探索鐵里石硬巖穿層孔沖擊—回轉(zhuǎn)快速鉆進工藝，借鑒國外鐵礦山大規(guī)模應(yīng)用高壓水力沖擊器進行爆破孔施工的成功案例，重慶研究院開發(fā)設(shè)計一種新型孔底高壓、高能液動錘，提高其沖擊性能，以最小的設(shè)備損耗實現(xiàn)在超硬巖中更快的機械鉆速[2-7]。

1 高能液動錘沖擊—回轉(zhuǎn)鉆進工藝

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進工藝是結(jié)合了沖擊鉆進與回轉(zhuǎn)鉆進的一種復(fù)合式鉆進工藝，該工藝在孔外或近鉆頭部位增加一個持續(xù)產(chǎn)生沖擊的沖擊機構(gòu)(主要分為液壓鑿巖機、風(fēng)動潛孔錘、液動潛孔錘3類)，鉆頭在沖擊機構(gòu)連續(xù)沖擊與鉆機連續(xù)回轉(zhuǎn)的聯(lián)合作用下碎巖，沖擊機構(gòu)輸出的沖擊功使鉆頭接觸巖石的時間極短，瞬間應(yīng)力極高，更易使球齒應(yīng)力集中于巖石表面，也利于巖石表面的裂隙擴散與巖石的疲勞破碎，進而形成巖石體積破碎，同時鉆頭又不間斷回轉(zhuǎn)，改變了球齒的不同沖擊方向，更利于整個鉆頭覆蓋面硬巖的破碎?；剞D(zhuǎn)鉆進與沖擊—回轉(zhuǎn)鉆進工藝對比如圖1所示。

圖1 回轉(zhuǎn)鉆進與沖擊—回轉(zhuǎn)鉆進對比

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進是硬巖及超硬巖較高效的碎巖鉆進方式，適用于堅固性系數(shù)f≥10的巖石[8-15]?？椎讻_擊器是該工藝的核心鉆具，以液動沖擊器為例，其主要分為低壓液動錘、高能液動錘。地質(zhì)勘查領(lǐng)域的低壓液動錘，因受限于泵壓與結(jié)構(gòu)，其沖擊功、沖擊頻率偏低，在煤礦井下近水平孔或上仰孔鉆進時效率低，球齒頭磨損嚴(yán)重，無法滿足硬巖穿層孔工程施工需要[14-15]。重慶研究院結(jié)合低壓液動潛孔錘與重型液壓鑿巖機的結(jié)構(gòu)優(yōu)點，設(shè)計了一種高壓、高頻、大沖擊功的高能液動錘[16-20]，如圖2所示。

圖2 高能液動錘實物

相較于低壓液動錘，高能液動錘對高壓泵的泵壓、泵量、功率需求更大，但其沖擊性能提升明顯，沖擊頻率提高25%～150%，沖擊功提高74.2%～684.0%。低壓、高能液動錘性能參數(shù)對比見表1。高能液動錘更適宜施工煤礦井下的硬巖近水平孔或穿層孔。

表1 低壓、高能液動錘性能參數(shù)對比

目前，國內(nèi)外還未見將高能液動錘大規(guī)模應(yīng)用于煤礦硬巖瓦斯抽采孔工程的文獻(xiàn)報道，若想采用高能液動錘沖擊—回轉(zhuǎn)快速鉆進工藝施工硬巖地層鉆孔，還需進一步優(yōu)化鉆進規(guī)程參數(shù)，以提高其硬巖穿層孔施工效率。

2 沖擊—回轉(zhuǎn)鉆進規(guī)程參數(shù)優(yōu)化

沖擊—回轉(zhuǎn)鉆進規(guī)程參數(shù)主要有4個：鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵壓、泵量。地勘行業(yè)應(yīng)用小直徑低壓液動錘施工時，推薦的鉆進規(guī)程參數(shù)為“小鉆壓(小于1 t)、慢轉(zhuǎn)速(小于20 r/min)”，早期受限于泥漿泵的性能，對泵壓、泵量未做過多規(guī)定[14-15]。2019年10月至11月，重慶研究院在新安煤礦15130中部底板巖巷試驗時，高能液動錘參照低壓液動錘鉆進規(guī)程參數(shù)施工，其硬巖機械鉆速與?95 mm鉆頭壽命均未達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，經(jīng)過分析認(rèn)為鉆進規(guī)程參數(shù)不匹配導(dǎo)致高能液動錘未發(fā)揮最佳沖擊性能。為發(fā)揮高能液動錘的最佳沖擊性能，分別在2個典型硬巖礦區(qū)，即河南能源新安煤礦(2020年9月至10月)、中煤新集劉莊礦(2021年6月)進行高能液動錘沖擊—回轉(zhuǎn)鉆進試驗，利用單因素分析法對高能液動錘的硬巖快速鉆進工藝的鉆進規(guī)程參數(shù)進行優(yōu)化研究，篩選出最優(yōu)鉆進規(guī)程參數(shù)，以實現(xiàn)針對硬巖較高的機械鉆速。

2.1 鉆壓

對高能液動錘鉆頭施加一定的壓力，可以保證鉆頭球齒與巖石的緊密接觸，防止鉆頭在巖石表面反彈，改善沖擊功傳遞條件，使巖石在動載(沖擊功)、靜載(鉆壓)的聯(lián)合作用下產(chǎn)生破碎。適宜的鉆壓可以改善巖石表面的“破碎穴”與“體積破碎”的大小，提高碎巖效率[14-15]。鉆壓過小，球齒與巖石表面無法有效接觸，機械鉆速較慢；鉆壓過大，鉆頭球齒磨損加劇甚至發(fā)生斷裂，導(dǎo)致其壽命縮短。

煤礦井下穿層孔施工時，鉆機的推進力近乎等于鉆壓。在新安煤礦14250下部底板巖巷試驗時采用的是重慶研究院ZYWL-4000型煤礦用履帶式雙轉(zhuǎn)盤全液壓鉆機，其推進壓力從<1、1～2、2～3、>3 MPa變化(推進壓力1 MPa時，推進力為7.12 kN)，發(fā)現(xiàn)在鐵里石中鉆進時最優(yōu)推進壓力為2～3 MPa，此時鉆機機械鉆速與鉆頭壽命較好。推進壓力小于2 MPa時，機械效率較最優(yōu)推進壓力低30%～45%；推進壓力大于3 MPa時，鉆頭的硬質(zhì)合金邊齒磨損速度稍快，但有的邊齒、中間齒提前發(fā)生斷裂。

2.2 轉(zhuǎn)速

沖擊—回轉(zhuǎn)鉆進工藝中依靠沖擊破碎巖石，回轉(zhuǎn)剪切巖石之間的“巖脊”。其轉(zhuǎn)速要匹配液動錘的沖擊頻率，使鉆頭在最優(yōu)沖擊夾角的條件下工作[14-15]。在新安煤礦14250下部底板巖巷試驗時，ZYWL-4000型煤礦用履帶式雙轉(zhuǎn)盤全液壓鉆機的最低轉(zhuǎn)速約為50 r/min。同時因為鐵里石屬于強研磨性巖石，?95 mm鉆頭的球齒為硬質(zhì)合金，試驗時發(fā)現(xiàn)較低的轉(zhuǎn)速(50～60 r/min)，可以兼顧機械鉆速與硬質(zhì)合金鉆頭壽命。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于60 r/min時，鉆頭邊齒磨損速度過快，導(dǎo)致硬質(zhì)合金鉆頭保徑提前失效。

2.3 泵量

泵量大小直接影響高能液動錘的沖擊性能(沖擊頻率)，從而影響高能液動錘的鉆進效率。目前煤礦井下常用的高壓乳化液泵(或清水泵)為定量泵，流量大多為125、150、200、315、400 L/min等，考慮到高能液動錘的設(shè)計要求，在劉莊煤礦東三回風(fēng)石門與新安煤礦15130中部底板巖巷、14250下部底板巖巷試驗時，分別使用150、200、315 L/min的乳化液泵(或清水泵)，試驗結(jié)果表明：泵量315 L/min時高能液動錘的機械鉆速最快，但是液動錘的壽命最短；泵量150 L/min時高能液動錘機械鉆速最低，鉆頭壽命較短；泵量200 L/min時，高能液動錘的機械鉆速僅比泵量315 L/min時低約20%，但液動錘的壽命提高50%左右。

2.4 泵壓

增大泵壓可以顯著提高高能液動錘的沖擊性能(沖擊功、沖擊頻率)，高能液動錘的機械鉆速提升最明顯。在新安煤礦、劉莊煤礦試驗時，均采用乳化液泵，其最高壓力為31.5 MPa，但考慮高能液動錘、高壓鉆具與高壓管匯的安全，泵壓分別設(shè)置為10～13、13～14、>15 MPa。試驗結(jié)果表明：泵壓13～14 MPa時，高能液動錘的機械鉆速與壽命較均衡；泵壓10～13 MPa時，高能液動錘的機械鉆速最慢，鉆頭壽命也偏短；泵壓大于15 MPa時，活塞、鉆頭在高負(fù)荷條件下會承受過高的沖擊力，易產(chǎn)生疲勞破壞，進而影響高能液動錘與鉆頭的壽命。配套的?73 mm高壓鉆具在試驗過程中鉆具連接處未發(fā)生泄漏，滿足了硬巖沖擊—回轉(zhuǎn)鉆進工藝對泵壓的需求。

2021年6月在中煤新集劉莊煤礦東三回風(fēng)石門開展石英砂巖硬巖鉆進試驗，對優(yōu)化后的鉆進規(guī)程參數(shù)進行驗證。現(xiàn)場試驗時，綜合考慮高能液動錘與鉆頭壽命、超硬巖鉆進效率3個因素，最終確定高能液動錘超硬巖沖擊—回轉(zhuǎn)快速鉆進工藝的最優(yōu)鉆進規(guī)程參數(shù)如下：泵壓13～14 MPa、泵量200 L/min、鉆壓2～3 MPa、轉(zhuǎn)速50～60 r/min。同時，驗證最優(yōu)參數(shù)適用于不同的巖性。

3 硬巖快速鉆進試驗

2021年10月至12月，重慶研究院與新安煤礦共同在14250中部底板巖巷車場聯(lián)絡(luò)巷處，利用專用配套鉆進設(shè)備與采用優(yōu)化后的高能液動錘鉆進規(guī)程參數(shù)，進行高能液動錘鐵里石硬巖穿層孔快速鉆進試驗。

3.1 配套鉆具與設(shè)備

為實現(xiàn)高能液動錘硬巖沖擊—回轉(zhuǎn)快速鉆進，按照優(yōu)化的鉆進規(guī)程參數(shù)配置煤礦用履帶式雙轉(zhuǎn)盤全液壓鉆機、高壓乳化液泵、高壓反沖洗過濾站等，施工現(xiàn)場配套的鉆具與設(shè)備配置見表2。配套平面結(jié)構(gòu)與菠蘿頭結(jié)構(gòu)的鉆頭(見圖3)，從機械鉆速與壽命兩方面驗證最優(yōu)鉆頭結(jié)構(gòu)。

表2 高能液動錘硬巖施工配套的鉆具與設(shè)備

(a)平面球齒鉆頭 (b)菠蘿頭彈道齒鉆頭

3.2 試驗結(jié)果

1)試驗期間，在新安煤礦14250中部底板巖巷車場聯(lián)絡(luò)巷處共完成152個鉆孔，其中傾角大于60°的鉆孔87個，傾角大于80°的鉆孔26個(最深28 m)，累計完成鐵里石鉆孔工程量1 429.8 m。

2)鉆孔的平均機械鉆速42.76 m/h，平均鉆速17.69 m/h，其中最快機械鉆速76.18 m/h，較PDC鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進大幅度提升。

3)硬質(zhì)合金鉆頭平均鉆穿鐵里石84.1 m，其中平面球齒鉆頭的平均壽命為87.0 m，菠蘿頭彈道齒鉆頭的平均壽命為82.1 m，平面球齒鉆頭較菠蘿頭彈道齒鉆頭壽命提高5.90%。

3.3 鉆進工藝優(yōu)化

高能液動錘雖然在新安煤礦14250中部底板巖巷車場聯(lián)絡(luò)巷處取得了硬巖快速鉆進試驗的良好效果，但還需繼續(xù)優(yōu)化鉆進工藝細(xì)節(jié)：高能液動錘對水質(zhì)有嚴(yán)格要求(水質(zhì)過濾精度≤50 μm)，施工時多因工人未沖洗鉆具影響液動錘及鉆頭壽命，還需要加強工人操作培訓(xùn)；鉆機夾持器通孔直徑受限，液動錘外管無法直接通過，造成拆裝液動錘時工人勞動量大，也存在砸傷等安全隱患，需設(shè)計新型鉆機夾持器，使液動錘直接通過夾持器；高能液動錘的單根鉆桿耗時時間短，施工時頻繁啟動高壓乳化液泵(間隔1～3 min)，需增加高壓出口流體控制結(jié)構(gòu)，減少泵的啟動次數(shù)；還需進一步優(yōu)化鉆頭球齒材質(zhì)，提高鉆頭壽命。

4 結(jié)論

1)高能液動錘的沖擊性能不受鉆孔傾角影響，高能液動錘沖擊—回轉(zhuǎn)鉆進工藝可有效解決煤礦井下超硬巖穿層孔施工難題，其施工效率較PDC鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進工藝顯著提升。

2)經(jīng)現(xiàn)場施工試驗驗證，配套的專用高壓鉆具較好地滿足了高能液動錘超硬巖沖擊—回轉(zhuǎn)快速鉆進工藝需求，未發(fā)生鉆具連接處泄漏。

3)高能液動錘超硬巖沖擊—回轉(zhuǎn)快速鉆進工藝的鉆進規(guī)程參數(shù)不同于低壓液動錘，其最優(yōu)鉆進規(guī)程參數(shù)為：泵壓13～14 MPa、泵量200 L/min、鉆壓2～3 MPa、轉(zhuǎn)速50～60 r/min。

4)煤礦井下硬巖高能液動錘沖擊—回轉(zhuǎn)鉆進工藝需進一步完善、優(yōu)化成套鉆進設(shè)備(鉆機與高壓清水泵站)，以提高其綜合施工效率，降低工人的勞動強度。