高建波

（陜西省一九四煤田地質(zhì)有限公司，陜西 銅川 727000）

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各類工程技術(shù)水平實(shí)現(xiàn)了不斷提升。在我國社會發(fā)展過程中，對于能源資源的需求不斷擴(kuò)大，進(jìn)而促進(jìn)了礦山開采規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，同時，隨著工程開采從粗放式向集約式發(fā)展，在礦井下大口徑孔填充施工中，利用氣動潛孔錘鉆進(jìn)的先進(jìn)技術(shù)，改善礦山尾砂排放，提高資源回收利用率，從而滿足綠色礦山建設(shè)需求，促進(jìn)礦山的可持續(xù)發(fā)展。就目前而言，我國在大口徑孔施工中設(shè)備的應(yīng)用主要以立軸式回轉(zhuǎn)或者是水井轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)為主，其在實(shí)際填充施工中的進(jìn)度較為緩慢，并且需要的成本相對較大，尤其是在礦井下施工中，由于設(shè)備較大會為施工帶來很多困難。基于此，本文以某礦井下大口徑孔施工項(xiàng)目為例，分析了在具體施工中應(yīng)用氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用效果。

1 氣動潛孔錘鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)

（1）技術(shù)原理。氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)的主要應(yīng)用原理是以高壓氣體對沖擊活塞產(chǎn)生作用，促使其進(jìn)行往返運(yùn)動，從而對鉆頭產(chǎn)生一定的沖擊力，為其提供工作動力，進(jìn)而對巖石進(jìn)行沖擊破碎，同時，利用沖擊器在活動中排除的壓縮空氣，實(shí)現(xiàn)冷卻鉆頭和清除巖屑的作用。

（2）對鉆機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。一般來說，在進(jìn)行大口徑孔施工過程中，其施工設(shè)備的選用多數(shù)是水井轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)，其在地面施工大口徑鉆孔具有良好的施工效果。但是，在礦井下大口徑孔的孔徑一般較大，并且在礦井下硐室內(nèi)的空間卻較為狹小，這種水井轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)的體積較大，并且不具有良好的解題性能，要想實(shí)現(xiàn)從井下巷道向井下硐室的運(yùn)輸是沒有辦法的。在實(shí)際運(yùn)用中，較為常用的一種水井轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)是XFC300型號的設(shè)備，通過對設(shè)備參數(shù)及技術(shù)性能進(jìn)行分析對比，發(fā)現(xiàn)XY-6B型鉆機(jī)在各方面都與之相近，而這一型的鉆機(jī)具有良好的解體性能，且體量相對較小，能夠?qū)崿F(xiàn)從井下巷道的運(yùn)輸。因此，鉆進(jìn)的優(yōu)化改進(jìn)可以由XFC300型鉆機(jī)改變?yōu)閄Y-6B型鉆機(jī)。

（3）鉆塔的選型以及優(yōu)化設(shè)計(jì)。礦井下大口徑孔施工中，井下硐室的空間相對較為狹窄，并且硐室的設(shè)計(jì)高度還需要充分根據(jù)圍巖的自穩(wěn)能力來確定，從而最大限度的降低硐室塌方的安全隱患。同時，通過對充填管重量的測算可得，400m的充填管的總重量將會大于25t。因此，在施工中如果需要下入大于400m的填充管時，對于鉆塔的選擇，其天車的最大承載力應(yīng)當(dāng)大于25t。除此之外，還需要注意的是，根據(jù)施工工藝要求，鉆塔塔身的總高度和底座的面積也需要滿足實(shí)際需求。

2 研究施工項(xiàng)目工程概況

2.1 工程概況

以位于H省的某銅鐵礦區(qū)井下大口徑孔施工項(xiàng)目為例，大口徑充填孔深為300m垂直充填孔，終孔口徑為245mm，孔斜度1%，成孔后，下入168mm的厚壁鋼管，采用水泥砂漿固井。礦井下的巷道斷面的大小約為2m*2m，鉆窩高11m，頂部面積為2m*2m，底部面積為8m*8m，井下具有良好的通風(fēng)條件，并且常溫保持在22攝氏度左右。

2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

礦區(qū)具有典型的矽卡巖銅鐵礦床，礦井圍巖主要是三疊系大理巖以及白云質(zhì)大理巖，大口徑孔周邊的巖層較為完成，裂隙發(fā)育。礦區(qū)水文地質(zhì)條件相對簡單，沒有斷層、溶洞以及大裂隙等不利影響因素，采礦區(qū)以及坑道使得地下水有條件實(shí)現(xiàn)了連通，使得局部呈現(xiàn)裂隙水發(fā)育。在鉆孔施工中，由于礦井巖石為主要為大理巖，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，因此鉆孔結(jié)構(gòu)采用二開鉆孔結(jié)構(gòu)。先由尺寸為311mm的鉆頭進(jìn)行1m鉆深，套管尺寸為300mm，套管深度為1m；然后進(jìn)行二開鉆孔，鉆頭尺寸為254mm，鉆孔深度為300m。

2.3 鉆進(jìn)工藝參數(shù)

（1）鉆壓。氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，與傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工工藝不同，其技術(shù)原理是通過氣動潛孔錘的沖擊功以及沖擊頻率，從而對巖石產(chǎn)生力的作用，擊碎巖石。在其工作過程中，鉆機(jī)輸出的鉆壓只能為保證鉆頭不會回彈，以及使鉆頭和巖石保持適當(dāng)?shù)慕佑|距離，實(shí)現(xiàn)沖擊過程中能量傳遞的改善。而隨著鉆孔逐漸深入，機(jī)具的重量就能夠滿足鉆機(jī)輸出鉆壓的要求，越往深入，還需要制定一些減壓措施，從而保證鉆頭不會在工作過程中被過度磨損。同時需要注意的是，鉆壓也不能太小，否則會導(dǎo)致沖擊力不足，影響鉆孔進(jìn)度。因此，在實(shí)際施工中，對鉆壓進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，最終確定鉆壓為3kN，從而保證能夠達(dá)到最大的機(jī)械轉(zhuǎn)速。

（2）轉(zhuǎn)速。氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在應(yīng)用過程中，主要采用沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工，其重點(diǎn)雖然在沖擊，在回轉(zhuǎn)同樣十分重要，是為了改變鉆頭的沖擊位置，防止在巖石同一部位的重復(fù)破碎。如果回轉(zhuǎn)速度過高，則會導(dǎo)致鉆頭的快速磨損，同時也會不斷增加回轉(zhuǎn)扭矩，對鉆機(jī)設(shè)備造成一定程度上的損害。因此，氣動潛孔錘鉆進(jìn)的轉(zhuǎn)速確定，需要充分考慮鉆頭的規(guī)格、巖石的硬度及可鉆性、沖擊器的性能等，在本次項(xiàng)目中應(yīng)用的XY-6B鉆機(jī)由于其最低正轉(zhuǎn)速較高，因此要通過變頻器降低轉(zhuǎn)速，最終將最低轉(zhuǎn)速控制在了15-40r/min。

（3）泵量。在實(shí)際施工中，為了為鉆進(jìn)提供良好的外部條件，在施工中采用了泡沫鉆進(jìn)的方式。泡沫鉆進(jìn)主要是利用泡沫較高的清除巖粉巖屑的能力，以便于在施工中及時清理巖屑。這主要是由于泡沫具有較高的懸浮性能，以及良好的剪切稀釋性質(zhì)和觸變性。將泡沫的質(zhì)量和性質(zhì)通過水文、地質(zhì)條件以及鉆進(jìn)條件對添加劑的摻量、泵量進(jìn)行調(diào)整。

（4）風(fēng)壓及供風(fēng)量。由于采用的是泡沫鉆井，泡沫又是氣液混合的物質(zhì)，其對巖粉巖屑的清除主要是通過自身攜帶，因此在上返的過程中，泡沫本身及其攜帶物所產(chǎn)生的流動阻力較大，在實(shí)際施工過程中，對風(fēng)壓的要求更高。施工中需要利用空壓機(jī)為鉆孔供風(fēng)，增強(qiáng)孔內(nèi)的風(fēng)壓。根據(jù)鉆孔鉆進(jìn)的深度不同，供風(fēng)量由23m3/min逐漸增加至45m3/min，同時也需要根據(jù)供風(fēng)量的不同，逐步增加泡沫的濃度，從而更好的對孔內(nèi)的巖粉巖屑進(jìn)行清除，保證鉆進(jìn)具有良好的外部條件。

3 應(yīng)用效果分析

（1）鉆進(jìn)效率分析。本次工程項(xiàng)目施工中，采用了氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了礦井下大口徑孔施工，對300m垂直充填孔進(jìn)行了泡沫鉆進(jìn)施工。為更好的對鉆進(jìn)效率進(jìn)行分析，本文采用了對比方法，在同礦區(qū)的300m垂直充填孔中采用空氣鉆進(jìn)和泡沫鉆進(jìn)組合形式施工工程作為比較對象。具體結(jié)論為，在空氣鉆進(jìn)與泡沫鉆進(jìn)共同施工的大孔徑充填孔中，鉆進(jìn)總耗時為58.9h，總臺時為672h，其中空氣鉆進(jìn)的平均鉆速為5.31m/h，泡沫鉆進(jìn)的平均鉆速為5.27m/h，最終的臺月效率為333.2m/臺月；而通過氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)，采用泡沫鉆進(jìn)的鉆進(jìn)總耗時為52.27h，總臺時為168h，平均鉆速達(dá)到5.95m/h，臺月效率更是高達(dá)1332m/臺月。這充分表明了氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)中，泡沫鉆進(jìn)能夠極大的提高鉆進(jìn)效率，提升臺月效率，從而促進(jìn)工程項(xiàng)目施工的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）整體施工效率分析。在采用傳統(tǒng)施工工法進(jìn)行施工時，往往需要的鉆探設(shè)備與機(jī)具較為大型、復(fù)雜，且傳統(tǒng)的施工工藝多為采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，以小口徑成孔、大口徑擴(kuò)孔為主要的鉆孔結(jié)構(gòu)，需要較長的鉆孔完工工期。而采用氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)，對鉆探設(shè)備與機(jī)具進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要采用沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的施工工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)一徑成井的鉆孔結(jié)構(gòu)，極大的縮短鉆孔完工工期，同時還有效的減輕了施工勞動強(qiáng)度。

4 總結(jié)

綜上所述，在氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于礦井下大口徑孔施工過程中，根據(jù)實(shí)際施工中的井下硐室施工環(huán)境，通過對鉆機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，對鉆塔進(jìn)行合理選型以及優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大限度的對井下硐室的施工發(fā)揮有利影響作用。同時，本文還以某礦井下大口徑充填孔施工項(xiàng)目為例，探索了氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在實(shí)際施工中的相關(guān)工藝參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整應(yīng)用，分析了此項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中的應(yīng)用優(yōu)勢。從而得出，氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在礦井下大口徑孔施工中的應(yīng)用具有明顯的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益。