冲击钻进技术在穿层钻孔施工中研究与应用.docVIP

冲击钻进技术在穿层钻孔施工中的研究和应用 　　摘要：针对告成煤矿采用普通PDC无芯钻头全断面切割钻进速度慢、钻机台效低的状况，提出一种新型穿层钻孔施工技术-冲击钻进技术，突破了全断面切割钻孔施工技术中存在的缺陷和不足。以大功率小型化的钻机、水力冲击锤及高压泵组成的冲击钻进技术，通过现场与普通全断面切割钻进对比试验，验证了冲击钻进工艺在提高钻进速度方面具有良好的优越性 关键词：冲击钻进；穿层钻孔； 水力冲击锤 告成煤矿瓦斯地质条件复杂，瓦斯灾害严重，瓦斯问题一直是制约矿井安全高效生产的“瓶颈”问题。当前，告成煤矿采掘作业已全面转入突出危险区域，瓦斯治理采取底板抽采巷穿层钻孔预抽煤层瓦斯区域综合防突措施，钻孔工程量大。但由于底板抽放巷位于L7-8灰岩层位中掘进，且L7～8灰段硬度普遍大于10，造成采用普通PDC无芯钻头全断面切割钻进困难，钻机台效低。冲击钻进技术采用径向切削和轴向冲击工艺，优化了钻具的切割方式，是一种新型、高效、快捷的钻进技术，为提高钻机台效开辟了一条新途径[1] 告成煤矿25001底抽巷穿层预抽钻孔施工，由于巷道沿L7-8灰岩层位掘进，巷壁岩石硬度大，采用普通PDC无芯钻头钻进困难，钻机台效低，严重影响工作面瓦斯治理进度，为此与钻机生产厂家合作，通过现场多次试验研究、改进，设计加工一套冲击钻进装置，投入使用后在提高钻进速度方面取得了明显的效果 一、工作面概况 25001工作面位于25采区南翼上部，该面倾斜长度192m，设计可采走向长度884m，煤层厚度1.0～10.8m，平均6.0m，煤层倾角5～16°，平均10°，采面最大瓦斯含量19.47m3/t。25001下底抽巷沿被掩护煤巷内错21m布置，沿L7-8灰岩层位掘进，直墙半圆拱断面锚网喷支护，距煤层间距16m左右，巷道断面12.4m2，采用全负压通风方式，实际配风量921m3/min 二、冲击钻进装置结构及工作原理 冲击钻进装置主要由冲击钻机、水力冲击锤及高压泵三部分组成 （一）冲击钻机 ZYWL-3200S型冲击钻机采用分体履带式结构，液压行走马达驱动。钻机额定扭矩3200 Nm，机架钻进模块可实现360°水平旋转、垂直升降500mm，钻机钻孔倾角调节范围-5°～-85°，整机宽度900mm，具有大功率小型轻便化的特点 （二）水力冲击锤 水力冲击锤是利用高压水所携带的能量驱动器内部的冲锤产生一定频率的向前冲击运动，对孔底的钻头施加冲击从而提高钻机效率。当钻具到达孔底并施加一定的钻压后，钻头上移至其限位点，此时潜孔锤开始工作。当潜孔锤上行至与上阀接触后，二者共同转入向下的冲击行程，直到潜孔锤打击传功后又进入下一个冲击过程[2]。水力冲击锤采用了容积式冲击工作原理，大幅度减小冲击阻力，从而使冲击功有了大幅度的提高[3]。冲击器由钎头、冲击器、单向阀三部分组成，冲击频率为65HZ，冲击水压10～18MPa，最佳冲击水压15MPa，用水量80～270L/min，冲击功180J （三）高压泵 高压泵提供高压水，通过高压管与水力冲击锤连接，为水力冲击锤的冲击运动提供驱动力 三、冲击钻进装置应用效果考察 为考察冲击钻进装置的钻进效果，在25001下底抽巷南段D2与D3测点间的巷道内开展现场试验，试验段巷道岩性稳定。利用ZYWL-3200S型冲击钻机在冲击钻进时水压及钻机推进压力相同的情况下，分别测试了冲击钻进和普通PDC无芯钻头钻进的钻进速度 （一）测试方式一 使用ZYWL-3200S型冲击钻机，配水力冲击锤进行冲击钻进试验。正常冲击钻进时水压15MPa，共现场试验3个钻孔：岩孔段总长度80.5m，总用时164min，岩孔段平均钻进速度0.49m/min；煤孔段总长度14m，总用时26min，煤孔段平均钻进速度0.54m/min；钻孔综合钻进速度0.50m/min （二）测试方式二 使用ZYWL-3200S型钻机，配Ф94mm普通PDC无芯钻头和Ф73mm圆柱型钻杆，采取全断面切割钻进工艺。共现场试验3个钻孔：岩孔段总长度50m，总用时146min，岩孔段平均钻进速度0.34m/min；煤孔段总长度19m，总用时20min，煤孔段平均钻进速度0.95m/min；钻孔综合钻进速度0.42m/min 由表三分析可得： 1、冲击钻进在岩煤孔中的钻进速度基本一致，既孔性对冲击钻进效率基本无影响 2、岩孔段冲击钻进是普通钻进速度的1.4倍以上，既冲击钻进在岩孔段钻进效率优于普通钻进 3、煤孔段冲击钻进是普通进速度的0.56倍，既冲击钻进在煤孔段钻进效率劣于普通钻进 4、综合钻进速度方面冲击钻进是普通钻进速度的1.2倍，既冲击钻进在岩孔段钻进效率优于普通钻进 综合分