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高能液动锤超硬岩快速钻进成套装备与技术

2024-01-11 169 上传者：管理员

摘要：当煤矿井下瓦斯抽放孔钻孔施工中遇到f≥12的岩层时，采用PDC钻头的回转切削效率极低。为解决煤矿井下硬岩钻进的技术难题，提出了煤矿井下高能液动锤的成套配置方案。采用该技术方案开展了井下钻孔试验。试验结果表明，在石英砂岩(10≤f≤12)中，机械钻速18.63～32.84 m/h；在硅质泥岩（12≤f≤17）中，平均机械钻速21.91 m/h。为煤矿井下硬岩钻进提供了一种新技术，可提高煤矿硬岩钻进效率。

关键词：
冲击碎岩
瓦斯抽放孔
硬岩钻进
高能液动锤
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随着煤矿开采深度的增加，煤矿生产相关的钻孔（包括瓦斯抽放孔、探放水孔、炮眼孔等）施工钻遇硬岩的比例越来越高。现有的煤矿钻孔多采用PDC钻头回转切削，当钻遇f≥12的岩层时，该钻孔方式钻进效率低、钻头寿命短，严重制约了钻孔的施工速度。以河南新安煤田为例，该地区大部分矿井存在硅质泥岩（12≤f≤17）地层，地层SiO2含量大于45%，采用现有的PDC钻头钻进速度较慢，部分地区的机械钻速甚至只有0.5 m/h,PDC钻头进尺寿命小于15 m。特别是按新的要求增加了抽采巷道安全距离以后，该地区瓦斯抽放孔需要施工的硅质泥岩工程量大幅度增加，抽放钻孔的施工速度已制约整个矿区的生产进度，严重影响了采掘工作。为了提高硬岩钻进速度，多采用以冲击钻进进行岩石体积破碎替代常规的回转切削。而冲击钻进用潜孔锤有气动锤和液动锤2种，其中气动锤以空气驱动活塞做功冲击岩石和排渣，会产生大量的粉尘污染，在井下坑道钻进中会对人和设备造成较大的伤害，所以不适应井下工作环境要求。地勘行业用液动锤多为低压液动锤，其冲击功小和冲击频率低，无法满足煤矿坑道钻进对钻速的需求。而高能液动锤较常规的低压液动锤单次冲击功更高，冲击频率更快，其机械钻速在f≥13的地层较PDC回转钻进可提高6倍以上。再结合相配套的专用钻机和高压泵站等装备成套使用，可进一步提高综合钻进效率，解决硬岩和超硬岩钻速慢、PDC钻头消耗快的难题。

1、高能液动锤快速钻进成套装备

高能液动锤快速钻进成套装备由高能液动锤、履带式液压钻机、履带式清水泵车、反冲洗过滤站、高压钻杆及其他附件组成，如图1所示。装备利用泵提供高压水驱动高能液动锤活塞往复运动，产生高频、大冲击功载荷反复撞击钻头，进而破碎硬岩。

图1高能液动锤快速钻进成套装备示意图

高能液动锤与气动锤、低压液动锤的性能对比如表1所示。高风压气动潜孔锤冲击功较大，但其冲击频率低，且无高压的矿用防爆空压机与其匹配使用，再加上施工过程中产生大量的粉尘污染，并不适合井下密闭空间的钻孔施工。高能液动锤如图2所示。

表1 3种锤性能参数对比

图2高能液动锤

高能液动锤单次冲击功不小于150 J，为低压液动锤的1.6倍以上；冲击频率不小于50 Hz，为低压液动锤的1.6倍以上，为气动锤的2.8倍以上，其足够的冲击功和超高的冲击频率更适合井下的硬岩快速钻进。

履带式液压钻机采用大开口夹持器，能快速地装卸液动冲击器，缩短了开孔辅助时间，工人劳动强度低，更加安全可靠。钻机集成流量和水压检测，便于精确控制钻进参数。清水泵站集加压、过滤、存储、行走等功能一体，同时采用低压过滤（精度50μm），保证为液动锤输送工作动力。

2、高能液动锤钻孔施工工艺技术

常规的回转切削钻进依靠钻机提供推进力将PDC切削刃压入岩石，同时钻机提供足够的旋转力将切入的岩石剥离，动力头保持高速的旋转带动PDC钻头不停的切削成孔。所以PDC钻头的钻进速度主要受推进力和转速的影响，对钻机的功率有较大的要求。切削和冲击碎岩示意图如图3所示。

图3切削和冲击碎岩示意图

采用高能液动锤进行钻孔施工，有别于常规的回转钻进，主要依靠高压水驱动液动锤进行高频的脉动冲击碎岩，影响其钻进速度的最主要因素是高压泵的流量和压力。高能液动锤冲击频率和驱动流量的关系如图4(a）所示，随着流量的增加会使得液动锤冲击频率逐渐增加，增加到一定程度后会趋于平缓，最佳的工作频率为50～60 Hz。当液动锤内部零件磨损后，会导致泄流增大，要驱动液动锤达到同样的冲击频率则需要更大的流量。液动锤工作压降和驱动流量的关系如图4(b）所示，随着驱动流量的增加，液动锤工作压降会增大，活塞运动速度加快的同时，其单次冲击功会随之增加，如图4(c）所示。

图4液动锤工作特性曲线图

钻机推进力是为了保证液动锤所用的球齿钻头能够紧贴岩石不产生反弹，所以需要的推进力相对常规回转钻进力低，过高的推进力会加速球齿钻头的磨损，影响钻头寿命；过低的推进力会导致球齿钻头不能持续有效地接触岩石，影响钻进速度。

钻机动力头的旋转是为了改变球齿钻头冲击的位置，其转速需要与液动锤碎岩的频率相匹配，过高的转速会导致碎岩不充分的同时加速球齿钻头的磨损；过低的转速会导致岩石重复破碎，影响钻进效率。

根据剪切破碎理论，岩石受半径为r的球齿冲击产生体积破碎形成AOB体积破碎坑，破碎坑锥顶角为2β,β根据岩石的软硬存在一定的变化，一般为60°～70°。冲击裂隙形状如图5所示。

图5冲击裂隙形状图

冲击坑AOB的直径

式中h———球齿压入岩石深度，mm。

液动锤钻头截面如图6所示。

图6液动锤钻头截面图

2次冲击时间间隔内钻头转动的角度

式中R———球齿中心在钻头上的圆周半径，mm。

钻机转速