空氣潛孔錘與繩索取心鉆進技術(shù)在煤下鋁礦區(qū)的實踐

康善修

摘要：就煤下鋁土礦施工難題，介紹了空氣潛孔錘與金剛石繩索取心鉆進配套設備、工器具，鉆進方法、施工效果。

關(guān)鍵詞：煤礦采空；塌陷變形區(qū)；煤下鋁；

1、概述

以鋁為主的有色金屬工業(yè)是河南省的支柱產(chǎn)業(yè)之一，河南先后建設有鄭州、焦作、豫西三大氧化鋁基地。但長期的大規(guī)模開采使河南省鋁土礦資源優(yōu)勢正在喪失，鋁土礦資源保障能力不足，已成為河南省鋁工業(yè)持續(xù)發(fā)展的約束和瓶頸。隨著深部找礦的推進，事實表明河南省鋁土礦在部分煤層下部，仍有較大的找礦潛力，根據(jù)河南省鋁土礦的分布規(guī)律和礦體特征，通過進一步加強煤礦之下鋁土礦地質(zhì)勘查工作，即將找礦深度加深，河南省煤下鋁土礦的勘查將會取得更多新增儲量成果，對促進河南有色工業(yè)發(fā)展和中原經(jīng)濟區(qū)建設意義重大。

2、煤下鋁礦區(qū)施工難題

在豫西某煤下鋁土礦整裝勘查施工過程中，勘查鉆孔將穿越大面積層厚不等的煤礦采空區(qū)及塌陷變形區(qū)復雜地層，這是煤下鋁土礦鉆探施工的難題。

施工證實，礦區(qū)內(nèi)煤系地層傳統(tǒng)鉆進存在微及中等的天然漏失，這種天然漏失多發(fā)生在砂巖、頁巖、灰?guī)r和煤層的層間，這是因為地質(zhì)構(gòu)造、地層裂隙造成的；煤礦開采形成煤礦采空區(qū)、采空塌陷區(qū)、地表變形區(qū)等采動影響區(qū)，采動區(qū)內(nèi)巖體受采動影響，地表移動和變形、地層被拉裂、搓碎，巖層原生結(jié)構(gòu)被破壞，豎向破斷裂隙和離層裂隙發(fā)育，煤礦開采后引發(fā)的地層破壞，對上覆地層地質(zhì)體及裂隙的破壞有強烈的疊加作用，這種采空破壞的疊加作用給傳統(tǒng)鉆進施工造成了多種困難，表現(xiàn)為嚴重漏失、坍塌、掉塊、孔內(nèi)事故多。主要技術(shù)難題有：

（1）因礦區(qū)屬于嚴重缺水區(qū)且鉆孔多孔段高強度漏失，現(xiàn)有的護壁堵漏技術(shù)難以奏效。

（2）鉆孔多鉆遇煤礦采空區(qū)，鉆孔坍塌掉塊嚴重，井內(nèi)事故頻繁發(fā)生，傳統(tǒng)事故預防措施難以確保正常施工。

（3）鉆探施工進度慢、事故多、報廢多、成本高，嚴重制約煤下鋁整裝勘查項目進度。

由于存在上述施工技術(shù)難題，尋求新的高效的鉆進技術(shù)方法替代傳統(tǒng)鉆進，實現(xiàn)煤下鋁鉆探效率和進度突破已刻不容緩。

3、煤下鋁礦區(qū)潛孔錘與繩索取心鉆進實踐

利用礦區(qū)地質(zhì)方面認可上部煤系地層可以不取心而下部礦段必須取心的要求，把鉆孔分為不取心段和取心段兩部分，上部不取心段鉆探的難點是煤礦采動區(qū)復雜地層鉆進，下部取心段鉆探的難點是采取率和效率，上部施工是成孔的關(guān)鍵，這為采用潛孔錘全面快速鉆進提供了基礎，下部是施工的目的，為采用金剛石繩索取心鉆進提供了條件，上下部的統(tǒng)一是施工追求的結(jié)果，采用空氣潛孔錘和繩索取心金剛石“二合一”鉆進技術(shù)可以解決煤下鋁礦區(qū)的快速鉆進及質(zhì)量問題。

空氣潛孔錘和繩索取心鉆進都是相對成熟的技術(shù)，把空氣潛孔錘全面鉆進和繩索取心結(jié)合，“二合一”鉆進煤下鋁土礦復雜地層是鉆探創(chuàng)新，具有鉆進效率高、孔內(nèi)事故少、適應性強、成孔質(zhì)量好、勞動強度低等優(yōu)點。

3.1 空氣潛孔錘與繩索取心鉆進主要配套設備與工器具

進行繩索取心、空氣潛孔錘鉆進的設備與工器具有：鉆機、空壓機、鉆桿、空氣潛孔錘、泥漿泵及附屬設施等，空壓機是空氣潛孔錘鉆進技術(shù)的關(guān)鍵設備。

（1）鉆機及泥漿泵（泡沫泵）。鉆機是鉆探施工的主要設備，鉆機采用進口全液壓CS1000P6動力頭鉆機，該型鉆機轉(zhuǎn)速范圍較寬，即滿足金剛石繩索取心鉆進對中高轉(zhuǎn)速的需要，也適用空氣潛孔錘鉆進對其低轉(zhuǎn)速的要求，相比立軸鉆機不僅可減少回次倒桿時間，操作方便；配套的液壓泥漿泵可無級調(diào)節(jié)泵量，即滿足在泡沫鉆進時做泡沫泵使用，也滿足金剛石繩索取心鉆進時使用，其配備的液壓攪拌機，輕便小巧，方便制配各類沖洗液，該機一機兩用，適用于空氣+泡沫潛孔錘和金剛石繩索取心兩種工藝方法鉆進，相比立軸鉆機具有先進性。

（2）空壓機。空壓機是空氣潛孔錘鉆進的重要動力源，其能力大小、情況好壞直接影響著潛孔錘性能的發(fā)揮，并和鉆進效率和施工孔深有直接關(guān)系，因此在進行空壓機選型時其風量和風壓，需要根據(jù)所施工鉆孔的口徑和孔深，并結(jié)合所用潛孔錘的性能參數(shù)，有無地下水等因素進行綜合考慮確定。本礦區(qū)施工所用空壓機型號為SF-20/25型。

（3）鉆桿。選用新的繩索取心重索Φ71×5mm鉆桿，定尺長3m，接頭尺寸58×74mm 。該鉆桿輕便，密封性好，既作繩索取心鉆桿，也作空氣潛孔錘鉆桿，一套鉆桿，用于兩種鉆進方法，減少現(xiàn)場物資占用量，省錢且方便搬遷運移。

（4）潛孔錘。空氣潛孔錘選用SPM930潛孔錘為正循環(huán)中壓潛孔錘，外徑為Φ90mm，另一級用SPM80XD正循環(huán)低壓潛孔錘，外徑為Φ74mm，做鋪助使用。該型潛孔錘結(jié)構(gòu)較簡單且廉價。

3.2空氣潛孔錘鉆進方法

空氣潛孔錘鉆進以空氣做動力，鉆屑隨廢氣呈干顆粒或粉狀排出，高壓廢氣對孔壁影響較小，避免了泥漿水分子對煤礦采動區(qū)復雜地層的侵潤破壞，減少了鉆具上下對孔壁的抽吸擾動，避免了地層的遇水漏失、坍塌、掉塊等問題，加之錘頭的錘擊擠壓作用保證了孔壁穩(wěn)定。因此空氣潛孔錘鉆進具有鉆進效率高，鉆孔事故少的特點。

空氣潛孔錘鉆進原理是：空壓機產(chǎn)生高壓空氣，以高壓管匯連接水龍頭，通過鉆桿、鉆挺、進入潛孔錘鉆具產(chǎn)生沖擊力，擊打鉆頭破碎巖石，廢氣及巖屑在一定的風速條件下通過孔壁間隙排至地面。廢氣及巖屑通過集塵器外排，可改善現(xiàn)場環(huán)境條件?？諝鉂摽族N鉆進，鉆機動力頭的作用主要是提供夾持力和回轉(zhuǎn)扭矩，并給鉆具加壓和起拔。

空氣潛孔錘鉆進是以沖擊體積破碎巖石，回轉(zhuǎn)只為改變最優(yōu)角和修磨孔壁，而常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進是切削與磨削破碎巖石，這是潛孔錘較常規(guī)鉆進效率高的原因。

3.4鉆進效果

在煤礦采動區(qū)復雜地層，驗證了空氣潛孔錘鉆進技術(shù)的高效性、先進性并取得良好效果。以采空區(qū)地下空間位置的不同，空氣潛孔錘鉆進應用深度為50-311m，所施工鉆孔的深度為123～525.50m，最高時效13m/h，一般時效7.73m/h，平均時效為8.44m/h。平均臺效1423.22m。

同礦區(qū)5個普通鉆進典型鉆孔最高時效為1.66m/h，最低為1.21m/h，平均時效為1.44m/h，臺月效率最高為332.80m。

空氣潛孔錘鉆進比普通鉆進平均時效可提高5.86倍。潛孔錘單孔最低臺效比普通鉆進單孔最高臺效提高3.19倍。

空氣潛孔錘鉆進技術(shù)與金剛石繩索取心相結(jié)合，使煤下鋁土礦區(qū)復雜地層成孔時間大為縮短，取得了良好的應用效果。

4.結(jié)語

（1）空氣潛孔錘鉆進相比普通鉆進是一種高效鉆進方法。空氣潛孔錘鉆進技術(shù)較好的解決了煤礦采空區(qū)、塌陷變形區(qū)等采動區(qū)復雜地層嚴重漏失、坍塌、事故多施工技術(shù)難題。

（2）套管隔離采動區(qū)復雜地層后，采用金剛石繩索取心鉆進煤礦之下鋁土礦地層，具有采取率高，鉆孔質(zhì)量好，勞動強度低的特點。

（3）空氣潛孔錘+金剛石繩索取心 “二合一”鉆進技術(shù)目前是煤礦采動區(qū)鋁土礦復雜地層快速鉆進的最佳工藝技術(shù)辦法。該工藝與套管護壁技術(shù)方法相結(jié)合，實現(xiàn)了煤下鋁采動區(qū)快速鉆探的技術(shù)突破，對煤下鋁鉆探快速施工具有重要借鑒意義。

參考文獻：

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