空气潜孔锤在矿区充填孔施工中的应用

张峰

(山东地矿集团有限公司，济南 250013)

1 项目概况

江苏某铁矿于1995年开工建设，一期矿井2001年9月正式竣工投产，一期工程设计年产能力300 吨/年，采用边生产边基建模式；二期工程矿体埋深多数集中在140～450 m之间，已探明的铁矿石储量1300万吨，占总储量的40%，平均品位52.66%，伴生铜、钴、金等贵重金属，开采价值较大。随着国内经济的迅猛发展，市场对钢铁的需求日益增大，铁矿石的开采量也随之加大，该铁矿的开采已逐步向深部迈进，但该矿区地下水资源丰富，巷道涌水明显，经监测，巷道涌水量最高时达1200 m3/h，对周边矿区开采造成困扰。

为保障铁矿安全开采，该铁矿委托我单位在矿区内施工充填钻孔2个。经了解，另一施工队伍前期采用常规钻进技术，出现了钻遇采空区、裂隙带泥浆液泄露问题，严重时，泥浆液有进无出，不但污染地下水，还造成孔壁坍塌，粘、附、卡钻等井内事故，甚至导致钻孔报废而延误工期，造成巨大经济损失。我单位施工技术人员反复研究，根据施工矿区地层特点，采用下套管护孔换径，矿区上部回填段及第四系层段拟采用回转钻进工艺，下部井段采用气动潜孔锤钻进工艺施工。

2 潜孔锤施工工艺特点

气动潜孔锤钻探施工，又称气动孔底冲击回转钻探。在这种钻探方法中，压缩空气既作为冲洗介质又作为气动能量。在钻头与钻杆间，连接一个风动潜孔锤，把通过钻杆输入的压缩空气的能量转化为机械冲击能，并用活塞冲击钻头实现孔底冲击碎岩。气动潜孔锤特点是冲击功大、回转速度低、轴向钻头压力低、碎岩效率高、钻头使用寿命长，适合钻探中硬以上岩层。与常规泥浆回转钻进工艺相比，具有钻进效率高，施工周期短，无地层污染等优点，广泛适用于基岩水井、页岩气、地热资源勘查、矿山采空区和建筑基础施工等领域。

3 钻孔设计及质量要求

3.1 地层情况

0～3.0 m为混凝土地面，3.0～6.0 m为回填层，6.0～40.0 m为第四系地层，40.0～410.0 m为斜长角闪岩。

3.2 地质设计

设计井型为垂直井型，三级井身结构，套管完井。根据前期地质资料，设计井深210 m。

(2)二开：孔径406.4 mm；穿过第四系，入基岩5 m，深约45 m，下入∅377 mm×8 mm螺旋钢管，水泥封固。

(3)三开：气动潜孔锤施工；孔径325.0 mm；钻至目的层位，深约410 m，下入∅194 mm充填管。

3.3 技术要求

①所有钻孔井斜不能超过1%；②全孔下套管，无缝钢管对接采用焊接，内壁要求光滑；③下套管后要求对孔壁与管壁之间进行水泥充填，孔底不得有漏水现象；④施工完毕后，钻屑和污水现场清理干净，场地恢复。

4 施工工艺

矿区上部回填段及第四系层段(40 m)拟采用回转钻进工艺，采用泥浆护壁牙轮钻头钻进，下入∅426 mm×8 mm、∅377 mm×8 mm螺旋钢管护壁，下部井段采用∅325 mm气动潜孔锤钻进工艺施工。

4.1 钻进技术参数

4.1.1 牙轮钻进

钻压和转速既决定着钻头破碎岩石的效率，又影响到钻头牙齿、轴承的磨损。软地层，钻头以剪切作用为主，一般采用高转速、低钻压；中硬地层，钻头产生剪切、冲击、压碎综合作用，一般采用中等转速和中、高钻压；硬地层，钻头以压碎、冲击为主，一般采用较高钻压、低转速。

4.1.2 气动潜孔锤钻进

主轴转速10～20 r/min，钻压25～27 kN，送风量60 m3/min。

4.2 钻具组合

4.2.1 牙轮钻进钻具组合

∅133 mm主动钻杆+∅127 mm钻杆+∅203 mm钻铤+牙轮钻头。

4.2.2 气动潜孔锤钻具组合

∅133 mm主动钻杆+∅127 mm钻杆+∅203 mm钻铤(+∅159 mm钻铤)+空气潜孔锤。

治疗技术内容：包括关节活动技术、肌力训练、关节松动术、牵伸技术、平衡协调训练、神经发育疗法、神经肌肉本体感觉促进疗法、运动再学习疗法等。

4.3 钻进技术方法

4.3.1 牙轮钻进

(1)地基要平整牢固，设备安装就位时保证“三点一线”，确保施工过程中不发生倾斜、移位等现象。

(2)钻进过程中要精心操纵，平稳送钻，不能加压启动转盘。井下出现起蹩跳钻现象时及时起钻检查牙轮钻头。连续产生憋跳钻时，若地面设备无问题，应立即起钻，避免掉牙轮。

(3)钻进中操作要平稳，送钻要均匀，严禁猛提猛放、溜钻和镦钻。

(4)如发现钻头无进尺，泵压明显升高或降低，机械转速突然下降，扭矩增大等现象时，若地面设备无问题，应起钻检查。

4.3.2 气动潜孔锤钻进

(1)钻具下入孔内启动空压机后称重，把钻压仪清零，缓慢转动钻具加压，此时钻压仪显示的数值即为钻孔工作钻压，钻压为钻铤重量的30%，潜孔锤正常工作后即为正常钻进。

(2)开孔用导向及人工扶正钻进，转速15～20 r/min，送风量为33 m3/min，加入钻铤后用钻铤重量的40%以内控制钻进，即钻铤重量20 kN，钻进压力不超过8 kN(以钻压表称重为准)，以此类推。钻铤重量超过70 kN后转入正常钻进。

(3)钻进过程中，随时关注进尺情况和钻具声音，若钻进中钻速突然降低或不进尺，且气压猛增，尽快将钻具提离孔底，防止发生埋钻和其他事故的发生。在钻进过程中随时观察排渣口排渣情况是否正常，根据排出的岩渣和地层柱状图了解地层情况，以判断工作是否正常。

(4)保持钻具内孔清洁，防止潜孔锤活塞卡住而不能工作，防止内缸套和活塞过快磨损。

(5)钻具接近井底0.5 m时送风，待风返回井口后，再开动钻机转动钻具，扫到井底，潜孔锤工作正常后按正常参数钻进。

(6)加钻杆时把钻具提离孔底，主动钻杆出井口后方可停风、加钻杆。

(7)每回次结束，要及时检查潜孔锤螺纹连接及钻头卡销等关键部位，以防潜孔锤零部件脱落井内。

5 施工过程及结果

1号钻孔0～40 m用泥浆护壁牙轮钻头钻进，40～410 m采用回转钻机配合空气潜孔锤钻进，钻进410.56 m，顺利通过采空区空巷和漏失层，最大井斜角<0.8°，孔斜完全达到设计要求，显示出空气潜孔锤施工钻孔垂直度高、孔斜稳定的特点。

此次施工总计用时17 d，钻进用时大约8 d，其他用时9 d，钻进用时占总用时的47%，纯钻月效率为1539.6 m(下套管、固井、修设备及等料时间排除在外)，实际钻月效率为724.5 m。前期另一施工队伍采用回转工艺钻进，平均每天进尺为12.8 m，钻进410 m需用32 d，纯钻月效率只有384.3 m。以上数据充分显示出空气潜孔锤效率高的特点，比常规钻进时效提高了3～4倍，是一种效率高、周期短的钻进方法，属于在矿山采空区进行钻探的一种行之有效的方法。

6 施工经验总结

6.1 施工注意事项

①该孔施工深度较深，产生岩粉排放较多，为满足施工要求适时采用三通并联两台压风机，满足气流上返速度，增加风量，以提高排渣能力。②随着孔深的增加，为使得钻孔内岩粉排放干净，可采用泡沫钻进，即泡沫钻进时，先送风，再泵入泡沫溶液剂，能够有效提高岩粉排放能力。③加钻杆后，先探明井底内残渣，如超过0.5 m时，要先送风清渣，然后再正常钻进。④钻深超过100 m后，随时观察返上来的岩屑数量，确定岩粉全部返出后，方可进尺，以防井壁储存过多岩屑，造成埋钻事故。

6.2 改进意见

①由于潜孔锤的工作原理和锤头的特殊结构，决定了钻孔孔壁不是圆整光滑的，当钻进速度快而转速又高时，更容易出现这种现象，要合理控制进尺和转速的关系，根据情况使用扩孔器。②检修潜孔锤时，一定要重点检修止逆阀，要保证配合间隙适中，活动灵活。止逆阀活动不灵活，会造成岩粉倒灌入潜孔锤，使之不能工作。必须保证空压机在较低风压中工作，环空风速得以提高，孔内岩屑才能彻底清理干净。③本次所用的TSJ-600型钻机在空气潜孔锤钻进施工中辅助时间较长，不能准确控制钻进参数，工作可靠性较差，今后可与全液压动力头钻机配合使用，可进一步提高钻进效率，减少孔内事故的发生。