硬巖（f≥6）鉆孔施工成套技術

魏濤

【摘 要】淮南礦區煤層松軟，f值基本都在1以下，煤層瓦斯壓力大、瓦斯含量高，地質條件復雜，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施性。

【關鍵詞】鉆孔；硬巖；成套技術

1 硬巖鉆孔施工存在的問題

淮南礦區煤層松軟，f值基本都在1以下，煤層瓦斯壓力大、瓦斯含量高，地質條件復雜，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硬石英砂巖，部分地區石英砂巖厚度達20多米。傳統施工方法的鉆進效率低下，小班進尺甚至小于2m，大大影響了瓦斯治理工程進度，對煤礦安全生產產生了重大不利影響。

2 解決的方案

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

2）根據巖性分類指導。結合鉆探工藝的特點，針對不同巖層，分別采用不同的施工方案。f值<6的巖層采用常規鉆頭回轉鉆進的施工工藝，6≤f值<9的巖層采用高強度復合片鉆頭回轉鉆進的施工工藝， f值≥9的巖層采用風動或液動潛孔錘沖擊回轉鉆進工藝。

3 現場施工情況

3.1 高強度復合片鉆頭施工情況

3.1.1 鉆頭設計

根據地層特點，我們設計了兩種高強PDC鉆頭，與普通鉆頭相比，具有以下優化特點：

（1）普通鉆頭體為鋼體式，高強PDC鉆頭采用胎體式，確保其耐磨性與強度。

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

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

3.1.2 配套鉆具

鉆機：采用全液壓鉆機，其功率應在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：高強三翼或四翼PDC復合片鉆頭，鉆頭直徑Φ98～113mm。

3.1.3 現場實施

（1）基本情況

淮南礦區潘一礦21111（1）順槽底抽巷，此處共設計鉆孔2299個，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，其巖性多為堅硬的中粗砂巖、中砂巖或細砂巖，其細砂巖f值為8.5左右。

（2）普通鉆頭施工情況

采用普通鉆頭施工，三臺鉆機自2013年5月28日至11月10日，施工168天，總計施工621個鉆孔，工程量25772m，平均臺效1560m/臺·月，合計使用普通復合片鉆頭860個。

（3）高強PDC鉆頭施工情況

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

3.1.4 經濟效益分析

（1）縮短了工期。如果采用普通鉆頭施工，三臺鉆機進尺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間。

（2）降低了成本。采用普通鉆頭施工，按平均1200元/個計算，每米進尺鉆頭費用為：860×1200/25772=40.04元，如果施工37014m，則鉆頭費用為148.22萬元。使用高強鉆頭，按平均5100元/個計算，總鉆頭費用為：133×5100=67.83萬元，每米進尺鉆頭費用為：18.32元。使用高強鉆頭每米節省21.72元，總計節省了80.39萬元，經濟效益可觀。

3.2 風動潛孔錘試驗情況

3.2.1 潛孔錘的結構

空氣潛孔錘適用于鉆進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：ZDY3200S型液壓鉆機。鉆機輸出轉速在70～240 r/min。

（2）鉆具：Ф113mm復合片鉆頭、CIR-110mm風動潛孔錘、Ф63.5/73mm肋骨鉆桿。

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

3.2.3 現場實施

（1）基本情況

淮南礦區張集礦（中央區）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，巖性堅硬，普氏硬度系數f值為11.5。初始設計11×11個措施孔，5個效檢孔，總工程量5432.4m。由于巖石堅硬，當施工完17個孔后，礦方對措施鉆孔進行了優化，后設計7×7個措施孔，鉆孔傾角范圍：-40.7°～-5.9°，預計8煤見煤深度：9.3m～57.9m，止煤深度：14.2m～82.9m。

（2）參數確定

①風壓：潛孔錘的設計壓力為0.63MPa，一般要求供風壓大于設計壓力0.2～0.5MPa，通過試驗，風壓在0.9MPa以上進尺較快，風壓在0.8MPa左右時，進尺較慢，而當風壓小于0.7MPa時，基本無進尺。

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

③轉速：本次試驗了三個轉速，分別是最低轉速70r/min，較高轉速90r/min及110r/min。從鉆頭磨損及進尺情況看，最低轉速效果最好。

④鉆壓：潛孔錘的破碎原理主要是靠沖擊動載作用下破碎巖石，鉆壓一般控制在0.7～1.0MPa比較合適，現場試驗證明，當孔深在50m以內時，鉆壓控制在0.7MPa左右比較合適，當孔較深時可適當增大鉆壓，當鉆壓大于1.2MPa時，施工效率明顯降低。

（3）施工情況

①剛開始使用Ф113mm復合片鉆頭施工了23個鉆孔，硬巖段每小班平均進尺4.0m，部分鉆孔僅進尺1.0m。兩臺鉆機施工12天，共計進尺605.8m（其中硬巖段229m），綜合臺效757.2m/臺·月，消耗84個復合片鉆頭。

②后用CIR-110mm潛孔錘進行施工48個鉆孔，硬巖段每小班平均施工20.0m，兩臺鉆機施工31天，其中掏穴為11天，純鉆進時間為20天。共計進尺2146m（其中硬巖段1101m），綜合臺效1609.5m/臺·月，共計消耗沖擊器11個、沖擊器錘頭74個。

3.2.4 經濟效益分析

（1）縮短了工期。如果采用復合片鉆頭施工，兩臺鉆機進尺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間。

（2）降低了成本。如果后48個鉆孔采用復合片鉆頭施工，預計將消耗379個鉆頭，按平均1200元/個計算，鉆頭費用為：1200×379=45.5萬元。而沖擊器850元/個，沖擊器錘頭348.58元/個，施工49個鉆孔實際花費850×11+348.58×74=3.51萬元，預計節省41.99萬元，兩種不同的鉆進方式比較，直接經濟效益可觀。

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的硬巖鉆進效率。6≤f值<9巖層鉆進效率達2650m/臺·月左右，f值≥9的巖層鉆進效率達1600m/臺·月左右。

3）縮短了施工工期，降低了鉆進成本。

[責任編輯：楊玉潔]