新型應(yīng)急救援鉆孔鉆頭現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

賴小林

（深圳市城市公共安全技術(shù)研究院有限公司，廣東 深圳518038）

鉆孔救援能及時(shí)讓被困人員獲得通風(fēng)和給養(yǎng)，可大大降低事故傷亡。目前，鉆孔救援普遍采用正循環(huán)空氣鉆進(jìn)，該技術(shù)具有鉆進(jìn)速度快、鉆孔直徑大、定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。如2010年智利圣何塞銅礦事故救援中采用該技術(shù)打通3個(gè)救援通道[1]。然而，在鉆機(jī)遇地層破碎、裂縫發(fā)育等復(fù)雜地層時(shí)，正循環(huán)空氣鉆進(jìn)存在氣體難以有效循環(huán)、復(fù)雜事故頻發(fā)等問題[2-3]。筆者在鉆頭結(jié)構(gòu)中引入柯恩達(dá)附壁原理，設(shè)計(jì)了一種新型強(qiáng)力抽吸式反循環(huán)鉆頭，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了其可行性。

1 強(qiáng)力抽吸式反循環(huán)鉆頭原理及特點(diǎn)

當(dāng)氣流從普通噴嘴高速噴出時(shí)，氣流將沿噴出的方向流動(dòng)。但如果氣流從柯恩達(dá)噴嘴（即噴嘴出口設(shè)計(jì)成具有一定曲率的凸面）高速噴出，由于流體與凸面之間存在表面摩擦作用，流體由外向內(nèi)存在速度差，產(chǎn)生壓力梯度，在凸面附近產(chǎn)生低壓區(qū)，促使流體產(chǎn)生附壁作用而沿凸面流動(dòng)。同時(shí)在壓差作用下，周圍的流體不斷地向凸面附近流動(dòng)，并與高速運(yùn)動(dòng)的附壁流體進(jìn)行能量交換，繼而被附壁流體卷吸帶走。鑒于柯恩達(dá)附壁效應(yīng)的基本原理，在反循環(huán)鉆頭設(shè)計(jì)中引入柯恩達(dá)噴嘴結(jié)構(gòu)，改變氣體噴出的流動(dòng)方向，可以形成較大的真空區(qū)和較高的真空度，對(duì)孔底產(chǎn)生較強(qiáng)的抽吸作用，大幅度提高反循環(huán)形成能力，如圖1所示。

圖1 柯恩達(dá)效應(yīng)及柯恩達(dá)噴嘴

強(qiáng)力抽吸式反循環(huán)鉆頭如圖2所示，主要由鉆頭體和內(nèi)置管2部分組成。鉆頭體與常規(guī)反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)相似，側(cè)壁上開設(shè)有內(nèi)噴射孔和底噴孔，鉆頭底部開設(shè)有擴(kuò)壓槽，不同之處在于鉆頭體中心通道底部設(shè)計(jì)有臺(tái)肩，用于與內(nèi)置管相互配合組成環(huán)狀噴嘴。內(nèi)置管的外壁與鉆頭本體內(nèi)腔的內(nèi)壁之間形成環(huán)形空間，內(nèi)置管的內(nèi)腔為鉆頭中心通道，內(nèi)置管下端的內(nèi)側(cè)壁為柯恩達(dá)弧形面，弧形面與鉆頭體臺(tái)肩之間形成環(huán)狀噴嘴，壓縮空氣流向見箭頭標(biāo)示。

圖2 強(qiáng)力抽吸式反循環(huán)鉆頭

在潛孔錘正常沖擊鉆進(jìn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)潛孔錘活塞做功后的一部分氣體由鉆頭底噴孔高速噴出，然后攜帶巖屑經(jīng)擴(kuò)壓槽進(jìn)入中心通道，另一部分氣體進(jìn)入鉆頭本體側(cè)壁上的內(nèi)噴射孔，然后沿環(huán)形空間下行至環(huán)狀噴嘴，由于氣體的附壁效應(yīng)，高速氣流將沿內(nèi)置管下端的弧形面內(nèi)側(cè)壁附壁流動(dòng)。在高速氣流的卷吸作用下，周圍的氣體不斷地向弧形面流動(dòng)，并在其附近形成較大的負(fù)壓區(qū)，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的抽吸力，大幅度改善鉆進(jìn)過程中反循環(huán)的形成效果。

對(duì)強(qiáng)力抽吸式反循環(huán)鉆頭內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在鉆頭的中心通道內(nèi)，新鉆頭的空氣流速明顯高于內(nèi)噴孔引射式反循環(huán)鉆頭，且沒有氣流混合干擾現(xiàn)象。相同條件下新鉆頭內(nèi)部最大負(fù)壓值達(dá)到20kPa，在鉆頭的中心線上和孔底位置，新鉆頭形成的負(fù)壓值遠(yuǎn)大于內(nèi)噴孔引射式反循環(huán)鉆頭。同等條件下，新鉆頭環(huán)空邊界抽吸氣體的質(zhì)量流量為0.039kg/s，比普通內(nèi)噴孔引射式鉆頭提高了約1.5倍[4]。從數(shù)值模擬的結(jié)果來看，新設(shè)計(jì)的強(qiáng)力抽吸式反循環(huán)鉆頭優(yōu)于普通反循環(huán)鉆頭，其實(shí)際使用效果在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中加以驗(yàn)證。

2 強(qiáng)力抽吸式反循環(huán)鉆頭現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)礦區(qū)情況

試驗(yàn)區(qū)屬新疆塔城地區(qū)和布克賽爾縣管轄，與外界交通條件較好，塔城地區(qū)和布克賽爾縣的318省道從工作區(qū)南側(cè)通過，與克拉瑪依市有217國道相通，交通方便。區(qū)內(nèi)主要的巖石為火山巖，巖性多為酸性和中基性，強(qiáng)度較大，硬度多為硬、堅(jiān)硬等級(jí)，研磨性較強(qiáng)。除輝長巖和凝灰?guī)r外，其余巖石可鉆性均在7級(jí)以上，其中微晶質(zhì)花崗斑巖、閃長巖、正長斑巖可鉆性等級(jí)在8～10級(jí)，石英斑巖可鉆性等級(jí)達(dá)到了10～12級(jí)，屬較高等級(jí)。

2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)鉆孔設(shè)計(jì)深度60m，采用二級(jí)鉆孔結(jié)構(gòu)，即：一開采用Φ160mm鉆頭鉆進(jìn)至基巖后，下入Φ146mm套管4.4m隔離上部松散地層；二開采用Φ115mm鉆頭鉆進(jìn)至60m。鉆孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)鉆孔結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 鉆進(jìn)原理和鉆具組合

試驗(yàn)鉆孔采用空氣反循環(huán)中心取樣鉆進(jìn)方法。空氣反循環(huán)中心取樣鉆進(jìn)原理：將壓縮空氣通過雙壁鉆桿環(huán)狀間隙送入孔底鉆具，使?jié)摽族N鉆具做功進(jìn)而破碎巖層，巖屑從中心通道連續(xù)返出，這種鉆進(jìn)方法適于破碎漏失地層和較硬地層。鉆進(jìn)原理如圖4所示。

圖4 空氣反循環(huán)鉆進(jìn)原理示意圖

開孔鉆具組合：Ф101.6mm雙壁鉆桿+SPMF355潛孔錘+Ф160mm潛孔錘頭。

正常鉆進(jìn)鉆具組合：Ф101.6mm雙壁鉆桿+潛孔錘+Ф115mm新型錘頭。

2.2.3 鉆進(jìn)參數(shù)

風(fēng)量與風(fēng)壓：影響潛孔錘沖擊功和沖擊頻率的主要因素是風(fēng)壓和風(fēng)量，風(fēng)壓隨輸入風(fēng)量的變化而變化。在確定條件下，風(fēng)量與風(fēng)壓也保持一定的關(guān)系。實(shí)際鉆進(jìn)中，鉆速與風(fēng)壓、風(fēng)量成正比，供風(fēng)量增大，風(fēng)壓升高，潛孔錘的沖擊能量增高，鉆進(jìn)效率隨之提高。根據(jù)2014年在該礦區(qū)的試驗(yàn)情況，孔深在100m以內(nèi)時(shí)使用低風(fēng)壓，約為2MPa。

鉆壓：從沖擊碎巖原理來看，巖石主要是靠沖擊動(dòng)載作用下破碎的，因此潛孔錘鉆進(jìn)效率的高低主要是取決于沖擊功的大小和沖擊頻率的多少，而鉆壓是保證沖擊功充分發(fā)揮作用的輔助力，過大過小都會(huì)影響鉆進(jìn)正常進(jìn)行，過大則會(huì)引起鉆具的振動(dòng)，鉆頭過早的磨損，合金齒掉落，回轉(zhuǎn)困難；過小將會(huì)影響沖擊功的有效傳遞。氣動(dòng)潛孔錘推薦鉆壓3920～8820N。

轉(zhuǎn)速：潛孔錘鉆進(jìn)是一種慢回轉(zhuǎn)的鉆進(jìn)方法，合理的轉(zhuǎn)速選擇對(duì)鉆頭壽命乃至鉆進(jìn)成本至關(guān)重要。它主要與沖擊器所產(chǎn)生的沖擊功大小、沖擊頻率、鉆頭的形式以及所鉆巖石的物理機(jī)械性質(zhì)有關(guān)。要求破碎下來的巖屑及時(shí)被空氣清除，潛孔錘鉆進(jìn)無切削和剪切作用，所以無需過快的線速度。

對(duì)于潛孔錘鉆進(jìn)最優(yōu)鉆頭回轉(zhuǎn)速度，應(yīng)以獲得有效的鉆速、平穩(wěn)的操作和經(jīng)濟(jì)的鉆頭壽命作為一般要求，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用的轉(zhuǎn)速為20～40r/min。

2.3 試驗(yàn)情況及結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)施工情況如圖5所示。鉆進(jìn)覆蓋層3.8m，潛孔錘工作正常，施工現(xiàn)場(chǎng)粉塵較多，施工人員全部使用防塵口罩，之后下入Φ146mm套管3.8m。下完套管后使用Ф115mm潛孔錘鉆進(jìn)至60.8m。在該段孔深鉆進(jìn)過程中，空壓機(jī)風(fēng)壓使用低壓，壓力約為1.5MPa，轉(zhuǎn)速約為30r/min，鉆進(jìn)單根鉆桿（3.00m）最快使用約10min，純鉆時(shí)間557min。詳細(xì)鉆進(jìn)情況如表1所示。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3 結(jié)論

使用新型強(qiáng)力抽吸式反循環(huán)鉆頭在新疆塔城地區(qū)和布克賽爾縣火山巖地層最快單根鉆進(jìn)速度為18m/h，平均鉆進(jìn)速度為6.14m/h。該地區(qū)在試驗(yàn)區(qū)使用金剛石繩索取心鉆進(jìn)方法施工，鉆進(jìn)平均效率為1.58～1.98m/h，使用空氣潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)速度為常規(guī)泥漿鉆進(jìn)的3.1～3.9倍。本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了強(qiáng)力抽吸式反循環(huán)鉆頭的可行性，為應(yīng)急救援鉆孔提供了一種新的技術(shù)手段，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。