矿山大口径钻孔循环钻进技术研究

赵江鹏 刘建林 赵建国(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

矿山大口径钻孔是指一种与井下巷道、硐室等构筑物相连通的地面钻孔，终孔直径一般介于φ300～ 1 300 mm，深度介于100～800 m，广泛应用于矿山建设、安全和生产等领域。根据钻孔用途，可分为救援逃生孔、瓦斯管道孔、排水孔、电缆孔、降温管道孔、投料孔等多种类型[1-6]。目前，矿山大口径钻孔施工大多采用大直径牙轮钻头、泥浆正循环的常规钻进工艺方法[1,5,7]。大量工程实践表明：由于钻孔口径大，尤其是在硬岩孔段钻进时，上述常规钻进工艺方法存在碎岩效率低、排渣困难的实际问题，钻进速度慢，钻孔的施工工期往往比较长。

为解决大口径钻孔硬岩钻进难题，近几年国内相关公司研究人员研究与试验了多种大口径空气钻进工艺技术。河南煤田地质局研究了大口径气举反循环钻进技术[7]，在口径445 mm、760 mm的钻孔施工中，机械钻速0.2～1.61 m/h，钻孔深度达484.56 m；该技术减少了孔底重复破碎，钻进效率得到一定程度的提高，但是钻头仍以切削碎岩方式为主，且孔底压力较大，压持效应未得到显著改善。宁煤环安公司试验了φ450 mm、φ660 mm 2种规格的集束式潜孔锤正循环钻进技术[8]，最高机械钻速达9 m/h，钻孔深度至70 m；该技术孔底碎岩效率高，但是大口径空气正循环排渣需要注入大量压缩空气，施工成本高，应用于百米以深钻孔经济性差，推广应用难度较大。另外，下排渣扩孔技术因其钻进效率高、施工成本低，在矿山大口径钻孔施工中得到较为广泛的应用[1,2,5,9-10]，可分为回拉扩孔式、正打扩孔式2种类型。其中，陕西煤田地质局开发的集束式潜孔锤回拉扩孔技术，利用φ690 mm集束式潜孔锤进行扩孔，最高机械钻速可达10 m/h，钻孔深度至335 m[9]，取得良好的经济效益；神华集团某矿设计了多个大口径钻孔，施工时采用φ660 mm集束式潜孔锤正打扩孔技术，机械钻速4～5 m/h，采用φ850 mm镶齿滚刀钻头回拉扩孔技术，机械钻速3～4 m/h[2]；然而，下排渣扩孔技术的推广应用有着严格的适用条件：一是目标孔底需掘有井下巷道，且具备井下出渣条件；二是钻遇地层结构完整，地层富水性较弱[1,5,9-10]。

大口径反循环钻进技术是利用空气潜孔锤提高碎岩效率，利用双壁钻杆工艺解决排渣难题。该技术钻进效率较高、地层适应性较强，吉林大学、中煤科工集团公司等单位近几年加大力度开展了相关试验研究工作[11-17]。目前大直径反循环潜孔锤有φ711 mm、φ660 mm、φ580 mm、φ445 mm、φ311 mm等多种规格，机械钻速1.2～6 m/h，钻进效率高，钻进深度达到295 m。下面重点介绍大口径反循环钻进技术及其研究进展。

1 建立反循环的基本条件

压缩空气到达孔底，冷却钻头、携带岩屑后，上返至地面有2条通道(如图1)：1条是钻头与孔壁、钻杆与孔壁形成的环状间隙共同构成的上返通道，属于正循环通道；另1条是钻头内通道、双壁钻杆内管中心通道构成的上返通道，为反循环通道。为保障压缩空气上返时能够顺利进入反循环通道，即建立起并维持住钻进过程中所需的反循环通道，则需满足下式的基本压力(阻力)条件：

P21+P22≤P11+P12，

(1)

式中，P11为孔底压缩空气在钻头与钻孔壁形成的环状间隙产生的压力损失；P12为孔底压缩空气在钻杆与钻孔壁形成的环状间隙产生的压力损失；P21为孔底压缩空气在钻头底部、内部通道产生的压力损失；P22为孔底压缩空气在内管产生的压力损失。

图1 反循环基本原理Fig.1 Basic principle of reverse circulation

2 实现反循环的技术途径

密封方法是保障能够建立反循环的关键，目前主要有引射器式、多层橡胶片式、孔底孔口联合式等几种密封方法。

2.1 引射器式密封方法

引射器原理是指高压流体由喷嘴高速喷出时会产生强烈卷吸作用，从而能够将喷嘴出口周围的低压流体卷吸进混合室内，然后逐渐形成均匀的混合流体。殷琨教授等[11-13]根据多喷嘴引射器原理研制的大直径引射器式反循环钻头有效降低了钻头底部的压降P21，其结构原理如图2所示。利用φ445 mm、φ660 mm 2种规格的大直径反循环钻头，配套贯通式潜孔锤和φ140/90 mm双壁钻杆，经试验，在注气量60 m3/min，转速4.5～8 r/min工况下，注气压力为1.6～1.8 MPa，钻进深度至50.8 m，平均钻进效率4.5 m/h[11]。

图2 大直径引射器式反循环钻头结构原理Fig.2 Structure principle of large diameter reverse circulation ejector-drill1—内喷孔；2—贯通孔；3—底喷孔；4—排渣孔；5—扩压槽

2.2 多层橡胶片式密封方法

多层橡胶片式密封方法的特点是橡胶片外径略大于钻孔(或钻头)直径，通过橡胶片的封隔作用增大了环状间隙压力损失P12，促使孔底压缩空气由正反循环转换接头的侧部斜孔进入双壁钻杆内管中心通道，上返至地面，见图3。

“十二五”期间，为提高我国应对矿山重大灾害事故的救援能力，重点建设了7支国家矿山应急救援队。救援队全部配套了此类型大口径反循环钻具系统，主要包括φ711 mm大直径潜孔锤、正反循环转换接头、多层橡胶密封器、扶正器、φ219/152 mm双壁钻杆等。2015年12月25日，山东平邑某石膏矿巷道发生坍塌事故，在地面钻孔救援期间，淮南救援队曾使用该类型钻具系统施工5#大口径逃生孔。在注气量70 m3/min，转速10～15 r/min条件下，注气压力为1.5～1.6 MPa，钻进深度至170 m，平均钻进效率4 m/h。

图3 多层橡胶密封式反循环钻进原理Fig.3 Multi-layer rubber seal principle of reverse circulation drilling1—双壁钻杆；2—正反循环转换接头；3—多层橡胶密封器；4—空气潜孔锤

2.3 孔底孔口联合式密封方法

上述2种密封方法共同特点是孔底密封结构与钻孔之间间隙小，在坍塌掉块地层易出现孔内埋钻事故，因此提出了孔底孔口联合式的密封方法。该方法增大了孔底密封结构与孔壁的间隙，为满足建立反循环的需求，同时在孔口设计安装有密封装置。因孔口密封装置与套管、钻孔、双壁钻杆可构成一有限密闭空间(见图4)，当气体压力达到一定程度时，即能够迫使孔底压缩空气由排渣通道、双壁钻杆内管中心通道返出至地面。

图4 孔底孔口联合式密封方法Fig.4 Double sealing method at bottom and entrance of drilling hole1—气盒子；2—双壁钻杆；3—孔口密封装置；4—土层段套管；5—钻孔；6—钻头；7—钻头密封机构

赵江鹏等[14-15]试制了φ710/311 mm规格的大直径反循环钻头、孔口密封装置，配套φ127/70 mm双壁钻杆，在注气量30 m3/min条件下，钻孔深度达到85 m，平均钻进效率2.1 m/h。

3 大口径反循环钻进配套装置的设计

以孔底孔口联合式密封方法为设计原则，在以往研究基础上，选型φ178/113 mm大规格双壁钻杆，设计了φ580/311 mm、φ311 mm 2种规格的大直径反循环潜孔锤以及孔口密封装置。

3.1 φ580/311 mm集束式反循环潜孔锤

φ580/311 mm集束式反循环潜孔锤(见图5)是由3个常规正循环潜孔锤在同一圆周面上均布捆绑组合而成，由上至下分别是双壁接头、配气室、导气管、中心管、常规正循环潜孔锤、排渣管、底部密封盘以及导向头等。其中，双壁接头可与φ178/113 mm大规格双壁钻杆螺纹连接；配气室可将压缩空气通过导气管注入常规正循环潜孔锤，使其高效破碎岩石；排渣管是孔底产生的岩粉(屑)、废气以及水的排出通道，它与双壁钻杆内管中心通道相通；底部密封盘主要是将孔底大颗粒岩粉(屑)与钻孔环空两者进行有效封隔，其侧部表面设置的耐磨带可修正孔壁起保径作用；导向头下部可连接φ311 mm钻头，防止扩孔中偏离钻孔原轨迹[16-17]。

图5 φ580/311 mm集束式反循环潜孔锤Fig.5 φ580/311 mm reverse circulation cluster hammer1—底部密封盘;2—排渣管;3—常规正循环潜孔锤;4—配气室;5—导向头;6—中心管;7—导气管;8—双壁接头

3.2 φ311 mm单体式反循环潜孔锤

φ311 mm单体式反循环潜孔锤(见图6)由常规空气潜孔锤、封堵器、正反循环转换接头等组成。该常规空气潜孔锤为311 mm规格钻头，12吋冲击器；封堵器外径298 mm，外侧面设有耐磨带；正反循环转换接头下端连接常规空气潜孔锤，上端连接φ178/113 mm大规格双壁钻杆。

3.3 孔口密封装置

孔口密封装置的设计应综合考虑钻机孔口工作台结构特点、双壁钻杆外形特征、大直径反循环潜孔锤下入方式、以及钻进工艺参数等影响因素，在原孔口密封装置[14，16]实践基础上，经改进设计成上、下分体式结构，下部为底座，以法兰方式与钻孔套管连接；

图6 φ311 mm单体式反循环潜孔锤Fig.6 φ311 mm reverse circulation DTH hammer1—常规空气潜孔锤;2—封堵器;3—正反循环转换接头

上部主要由锥形胶芯、锥形胶芯外壳体、插接结构外壳体组成，插接结构设置有2道“O”型密封圈；上、下结构采用插接式连接，并由2个卡环式法兰固定，见图7。

图7 插接式孔口密封装置结构Fig.7 Plug-in connect structure of entrance sealing device1—锥形胶芯外壳体；2—插接结构外壳体；3—卡环式法兰；4—底座；5—锥形胶芯；6—钻孔套管

4 大口径反循环钻进试验

4.1 φ580/311 mm集束式反循环潜孔锤应用效果

钻遇地层的岩性主要为泥岩、砂质泥岩、及细粒砂岩、粉砂岩。钻具组合为φ580/311 mm集束式反循环潜孔锤+φ178/113 mm大规格双壁钻杆。主要钻进参数：注气量35 m3/min，转速35 r/min，注气压力1.1～1.2 MPa，钻进深度至284 m。

现场应用结果：反循环钻进排渣效果好(见图8(a))，钻进效率高，据统计机械钻速2.31～6.0 m/h，平均机械钻速3.41 m/h。与同条件下牙轮扩孔钻头平均机械钻速0.8 m/h相比，效率提高了3.2倍；与φ710/311 mm扩孔用集束式反循环潜孔锤平均机械钻速2.1 m/h相比，效率提高了60%，达到了预期目标。

4.2 φ311 mm单体式反循环潜孔锤应用效果

钻遇地层的岩性主要为泥岩、砂质泥岩、煤、及细粒砂岩、粉砂岩。钻具组合为φ311 mm单体式反循环潜孔锤+φ178/113 mm大规格双壁钻杆。主要钻进参数：注气量35 m3/min，转速20～35 r/min，注气压力1.1～1.3 MPa，钻进深度至295 m。

现场应用结果：反循环钻进排渣效果好(见图8)，据统计机械钻速1.88～6.0 m/h，平均机械钻速3.14 m/h。与同条件下φ311 mm牙轮钻头泥浆正循环钻进效率1.3 m/h相比，提高了1.4倍，取得良好的试验效果。

图8 反循环排渣效果与返出的岩屑颗粒Fig.8 Residue discharge effect of reverse circulation and the carrying debris particles

5 结 论

(1)目前矿山大口径钻孔施工多采用泥浆正循环工艺排渣、牙轮钻头碎岩，存在钻进效率较低的实际问题。针对该问题，国内研究了大口径气举反循环钻进、大口径潜孔锤正循环钻进、下排渣扩孔钻进等工艺方法，取得了一定的成效。尤其是下排渣扩孔钻进工艺的应用较为广泛，产生了良好的经济效益，然而对于地层结构、水文地质复杂的工况条件，大口径反循环钻进工艺适用性更强。

(2)以孔底孔口联合式密封方法为设计思想，研制了φ311 mm、φ580/311 mm 2种规格大直径反循环潜孔锤、插接式孔口密封装置，配套φ178/113 mm大规格双壁钻杆，经现场试验表明：该钻进工艺碎岩效率高、反循环排渣效果好，是一种高效的钻进工艺方法。

(3)实践表明：孔底孔口联合式密封的大口径反循环钻进技术在孔深295 m时注气压力仍未超过1.2 MPa，对于600 m以深钻孔，理论计算注气压力仍不会超过3 MPa，亦即在无需气体增压机的情况下，也能够满足绝大多数矿山大口径钻孔施工的深度要求，因此，该技术在矿山钻孔救援、瓦斯抽采治理、以及其他工程用途的矿山大口径钻孔中具有良好的推广应用前景。

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