集團(tuán)總工程師
正高級工程師
風(fēng)動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在大同煤田的應(yīng)用
the Application of the Technology Which is Driving Hammer to Drill Holes by Air in Coal Field of Datong
Summary: in order to improve the Drilling efficiency, the technique of The air drive Qian bore hammer is used at experiment hole of sitai mine 402 dish area Jurassic geologic strata construction.
Keyword: . the technique of the air drive Qian bore hammer drill..drilling technique parameter. continuum drill efficiency in one month and no continuum dril efficiency in one month. drilling hole quality.
摘要：為提高鉆探效率，引進(jìn)風(fēng)動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)，在四臺礦402盤區(qū)侏羅紀(jì)地層中施工試驗鉆孔。
關(guān)鍵詞：風(fēng)動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù). 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù). 鉆月效率及臺月效率. 鉆孔質(zhì)量
大同煤田屬雙紀(jì)煤田，由于上部侏羅紀(jì)煤田資源逐漸枯竭及采空區(qū)積水不斷增多，對下覆煤層安全開采構(gòu)成隱患，探測下部石炭紀(jì)資源及解決侏羅紀(jì)采空區(qū)積水的問題迫在眉睫；為此同煤集團(tuán)地質(zhì)處組織科研小組引進(jìn)風(fēng)動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)，在四臺礦402盤區(qū)施工探放水1# 、2#、及云崗406盤區(qū)4#鉆孔進(jìn)行試驗。
風(fēng)動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)與傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法不同的是在回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的基礎(chǔ)上加入垂向沖擊力；及在水平方向上研磨克取、在垂直方向上沖擊克取并以空氣做沖洗介質(zhì)的一種鉆進(jìn)方法。傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法在克取堅硬巖石時，效率底下加之多層采空區(qū)影響，經(jīng)常出現(xiàn)卡鉆、埋鉆現(xiàn)象而且需要大量用水（野外拉水很困難），每完成一個300米深的鉆孔，包括純鉆進(jìn)時間及輔助時間大約需要12天 ，而且鉆孔質(zhì)量相對較低，為克服傳統(tǒng)方法之不足，我們引進(jìn)了風(fēng)動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)。
一、地層
1地層介紹
a本區(qū)地層從上至下依次為第四系黃土、云崗群、大同組、永定莊組、山西組、太原組、本溪組、奧陶系、寒武系地層。本次試驗所經(jīng)過地層為第四系黃土、云崗群、大同組至12#煤層底，目的是探測上覆采空區(qū)積水
b本區(qū)巖性為粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖、碳質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)粉砂巖及K21 、K22、礫巖。
2煤層及采空區(qū)
煤層及采空區(qū)（表一）
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煤層號 |
2# |
3# |
4# |
7# |
12# |
|
深度 |
118.00 |
140.00 |
148.00 |
176.00 |
284.00 |
|
厚度 |
1.00 |
1.20 |
1.80 |
2.00 |
3.00 |
|
煤層 |
未空 |
采空 |
未空 |
采空 |
巷道 |
二.動力配備
設(shè)備
使用德國生產(chǎn)的XAHS416Md空壓機(jī)，用空氣做沖洗介質(zhì)。 4135柴油機(jī)驅(qū)動XU-5型鉆機(jī)及發(fā)電機(jī)；小型柴油機(jī)驅(qū)動泡沫泵。見動力配備（表二）
動力配備（表二）
|
參數(shù) |
Xy-5鉆機(jī) |
4135柴油機(jī) |
空壓機(jī) |
發(fā)電機(jī) |
泡沫柱塞泵 |
DG--1柴油機(jī) |
|
|
風(fēng)量 398l/s |
有效工作壓力12bar |
||||||
|
功率 |
40.0kw |
58.8 kw |
237.0kw |
12.0kw |
13kw |
14.9kw |
|
|
轉(zhuǎn)速 |
1000rpm |
1500rpm |
1300rpm |
1500rpm |
780rpm |
800rpm |
|
2、鉆具組合
主動鉆桿+?51鉆桿+ ? 73鉆挺+ ? 127潛孔錘。見鉆具組合示意圖1
三.鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)
1、不含水堅硬巖層
對于石英質(zhì)砂巖、K21 、K22、礫巖，采用 中轉(zhuǎn)速、中壓力、大風(fēng)量。
2、不含水普通砂巖
對于普通砂巖，如粗砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、碳質(zhì)泥巖等采用低轉(zhuǎn)速，底壓力、大風(fēng)量.。
3．含水堅硬巖層及含水普通巖層
對于含水地段可鉆性高的堅硬巖層,如k22 k21礫巖、石英質(zhì)砂巖及可鉆性較低的含水地段的普通巖層，如粗砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖、碳質(zhì)泥巖、碳質(zhì)粉砂巖等采用空氣加泡沫配合低轉(zhuǎn)速、低壓力、大風(fēng)量的鉆進(jìn)方法。由于高轉(zhuǎn)速、高壓力，進(jìn)尺快，巖粉多，加上水氣混合，容易造成附著鉆具及孔壁堵塞現(xiàn)象，出現(xiàn)卡鉆事故，所以在含水地層中鉆進(jìn)不宜使用高轉(zhuǎn)速、高壓力；另外泡沫泵壓力要大于空壓機(jī)壓力，確保泡沫劑到達(dá)孔底，有效攜帶巖粉。見（表三）
堅硬巖層及普通巖層鉆進(jìn)參數(shù)表（表三）
|
巖層 |
給進(jìn)壓力kg |
轉(zhuǎn)速rpm/min |
風(fēng)量l/s |
泡沫柱塞泵壓力bar |
|
不含水堅硬巖層 |
900 |
150 |
398 |
0 |
|
不含水普通巖層 |
850 |
150 |
398 |
0 |
|
含水堅硬巖層 |
750 |
75 |
398 |
13.5 |
|
含水普通巖層 |
750 |
75 |
398 |
13.5 |
四.鉆孔設(shè)計
1.鉆頭
使用EGSLAN生產(chǎn)的?146潛孔錘，?127潛孔錘，?89潛孔錘。
2.鉆孔結(jié)構(gòu)
采用?146潛孔錘鉆進(jìn)至5米，換徑?127潛孔錘至180米，然后換徑?89潛孔錘至260米12#層頂。
3.方法選擇
對于上部不含水地層直接采用空氣鉆進(jìn)攜帶巖粉，對于下部含水地層采用空氣鉆進(jìn)加泡沫攜帶巖粉。
4.鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖
402盤區(qū)探放水1#鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖2
五. 材料消耗
在侏羅系地層采用空氣鉆進(jìn)，對四臺1號、2號及云崗4號放水孔統(tǒng)計， 共消耗柴油2550kg，泡沫8.50kg;；鉆頭消耗為零。而使用普通金剛石鉆進(jìn)，在侏羅系地層中對大斗溝1號、2號、3號統(tǒng)計，拉水1176噸、柴油消耗1.7噸 、鉆頭消耗10個，其中?127金剛石三翼鉆頭2個，?108金剛石三翼鉆頭2個，? 89金剛石三翼鉆頭1個，?127金剛石筒狀鉆頭2個、?89金剛石筒狀鉆頭1個、金剛石打煤鉆頭2個。見表四
材料消耗對照表（表四）
|
孔號 |
孔深 m |
柴油 kg |
水 m3 |
消耗鉆頭（個） |
泡沫劑kg |
單位消耗油 L/m |
單位消耗水m3/m |
|
大斗夠1號 |
348.78 |
658 |
560 |
4 |
0 |
1.886 |
1.60 |
|
大斗夠2號 |
366.00 |
567 |
336 |
3 |
0 |
1.549 |
0.92 |
|
大斗夠3號 |
325.56 |
475 |
280 |
3 |
0 |
1.459 |
0.86 |
|
四臺1號 |
180.24 |
900 |
0 |
0 |
5 |
4.993 |
0 |
|
四臺2號 |
123.40 |
800 |
0 |
0 |
2 |
6.482 |
0 |
|
云崗放水4號 |
317.00 |
850 |
0 |
0 |
3.5 |
3.47 |
0 |
六.鉆孔質(zhì)量
對四臺1號、2號放水孔、云崗4號及大斗夠1號、2號、3號統(tǒng)計，風(fēng)動潛孔錘所施工的鉆孔，鉆孔垂直度及水平偏移誤差均小于大斗溝1號、2號、3號，這對于今后提高探放水孔、滅火孔及其他工程孔的精度有很大益處，值得在大同煤田所施工的工程孔中大力推廣。見（表五）
鉆孔孔斜統(tǒng)計表（表五）
|
其他
孔號
|
天頂角
|
方位角 |
深度（m） |
|
大斗溝1號 |
10’、30’、45’、55’、1019’、1035’、1056’、2000’
|
1880、1920、1970。、2060 |
0 、50、100、150、200、250、300、340、 |
|
大斗溝2號 |
0010’、0030’、0045’、1010’、1030’、1055’、2020’、2050’、2055’
|
10’、46’ 、2630、2670 |
50、100、150、200、250、300、350、360、 |
|
大斗溝3號 |
1030’，、0043’、1010’、1028’、1050’，、2022’、2050’ |
2450、2550、2720、2770、2820 |
0、50、100、150、200、250、300、320 |
|
四臺1號 |
11’、20’、35’、55’、1019’、1035’、1056’、200’
|
1880、1920、1970、2060 |
0 、50、100、150、 175 |
|
四臺2號 |
0024’、0084’、1027’、01039’、1007’、1052’、1078’、1045’ |
00、2600、2660、2840、2670、2850、3030、2840 |
0、20、40、60、70、80、100、 116 |
|
云崗4號放水 |
00.10’、00.54’’、00.44’、00.44’、0o.45’、10.29’、10 .38’、10.44’、10.35’、10.47’、10.42’、00.8’
|
1760、1760、1760、1830、2540、2690、2780、2810、2830、2900、3070、3290、 |
1.、20.、40.、60. 、80 、90. 、10. 、100. 110、120、130、140、150 |
七.鉆月效率及臺月效率
根據(jù)1992年對大同煤田侏羅紀(jì)地層統(tǒng)計，在侏羅系地層中，大同煤田92年以前硬質(zhì)合金鉆進(jìn)，臺月效率為280米/月，鉆月效率為560米/月；目前金剛石鉆進(jìn)臺月效率為1000米/月，鉆月效率1800米/月；使用風(fēng)動潛孔錘鉆進(jìn)，臺月效率可達(dá)1800米/月，鉆月效率可達(dá)19440米/月。 見（表六）
侏羅紀(jì)鉆孔鉆月效率及臺月效率統(tǒng)計表（表六）
|
孔號 |
臺月效率 m/month |
鉆月效率 m/month |
孔深 m |
|
大斗溝1號 |
804.76 |
5205.67 |
348.78 |
|
大斗溝2號 |
1220.00 |
5778.94 |
366.00 |
|
大斗溝3號 |
1220.85 |
5195.10 |
325.56 |
|
四臺1號 |
1802.40 |
9440.00 |
180.24 |
|
四臺2號 |
1322.14 |
8576.00 |
123.40 |
|
云崗4號放水 |
1300.28 |
7928.00 |
317.12 |
八.綜合評價
1.效率
通過對大斗溝1號、大斗溝2號、大斗溝3號、四臺1號、四臺2號、云崗4號鉆孔的材料消耗、鉆孔質(zhì)量、鉆月效率、臺月效率及經(jīng)濟(jì)效益統(tǒng)計分析，風(fēng)動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在其鉆進(jìn)過程中各項技術(shù)指標(biāo)均高于傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法，尤其在鉆進(jìn)速度上（及鉆月效率）體現(xiàn)出回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)無可比擬的優(yōu)越性，這對于施工緊急工程有很大益處，如緊急救援、搶險、滅火工程等；對于施工石炭二疊系鉆孔也有促進(jìn)作用,如鉆穿上部侏羅系地層時配合使用風(fēng)動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)可有效避免鉆孔坍塌造成的卡鉆、埋鉆事故，加快勘探進(jìn)度；同時也可解決野外拉水困難的問題。
2.增加設(shè)備服務(wù)年限
由于鉆進(jìn)效率的提高，降低了設(shè)備運轉(zhuǎn)時間，提高了鉆機(jī)易損零部件的使用壽命，如、滾動軸承、升降機(jī)制動閘、游星輪、卡瓦、離合器環(huán)等，以前滾動軸承最多使用7個月，而使用風(fēng)動潛孔錘鉆進(jìn)滾動軸承可提高到兩年。這對于增加純鉆進(jìn)時間，縮短輔助工作時間，提高鉆探效率有很大益處。
3. 增加經(jīng)濟(jì)效益
使用風(fēng)動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)與傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相比，臺月效率、鉆月效率、單位鉆頭消耗量、單位耗油量及設(shè)備檢修率、管材磨損率等大幅度降低，從而降低了鉆米成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。
4.減少工藝環(huán)節(jié)
傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝，在遇到節(jié)理發(fā)育，漏失嚴(yán)重、井壁不穩(wěn)定的地層時需要進(jìn)行護(hù)壁堵漏工藝；及下套管、使用泥漿、化學(xué)漿夜等 。由于風(fēng)動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)使用空氣做沖洗介質(zhì)，更有利于漏失地層或有采空區(qū)的地層中鉆進(jìn)，可有效的避免孔壁坍塌造成的埋鉆、卡鉆事故，從而減少工藝環(huán)節(jié)，降低鉆米成本。
5.存在問題
由于風(fēng)動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)使用空氣做沖洗介質(zhì)，所以地面灰塵較多，停止鉆進(jìn)時工作人員應(yīng)及時清理地面灰塵，以免附著在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，增加磨損；另外對人體的呼吸系統(tǒng)會產(chǎn)生不同程度的影響，工作人員正常工作時應(yīng)該帶防護(hù)面罩。
參考文獻(xiàn): 煤田地質(zhì)學(xué)
礦物巖石學(xué)
鉆探設(shè)備學(xué)
鉆探工藝學(xué)
鉆探管理規(guī)范
個人簡介：
滕東方，男44歲，地質(zhì)處生產(chǎn)科副科長、鉆探工程師
高宇平，男44歲，地質(zhì)處總工程師、教授級高級工程師
2008-8-6
備注：09年該項成果或同煤集團(tuán)科技成果一等獎
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