软岩深孔钻进技术的研究与实践.doc

软岩深孔钻进技术研究与实践
孙志文 李伟东 夏洪才 王先辉
摘 要: 本文经过在软岩巷道中进行锚杆和锚索支护深孔钻眼试验, 对钻眼机含相关参数、 组合及其钻进技术方面等进行了研究, 实现了软岩中深孔钻眼, 并在井下大断面软岩巷道施工中成功应用, 取得了良好支护效果。该技术为实现在软岩巷道进行大断面施工（尤其是硐室施工）中锚杆支护发明了先决条件, 有一定实用价值。
关键词: 软岩; 锚杆; 锚索; 深孔钻进技术

引言
1） 软岩
中国煤矿对松软岩层研究范围关键是强度低、 孔隙率大、 胶结程度差、 受结构面切割及风化影响显著或含有大量膨胀粘土矿物松、 散、 软、 弱岩层。煤矿软岩多是复合膨胀岩, 并以泥岩、 粘土岩等多见, 含有易风化、 怕水和震动等特征, 遇水后含有较大膨胀性、 流变性, 稳定性极差。
2） 实现软岩深孔钻进难题

作者介绍: 孙志文, 1988年毕业于阜新矿院采矿系, 现就职于内蒙古呼伦贝尔学院, 副教授,
采矿教研室主任。关键从事软岩支护、 矿井通风方面教学与研究工作。

在采取锚杆、 锚索等支护时, 首先碰到就是软岩钻孔难题, 尤其是碰到粘度大, 遇水后膨胀围岩。在使用煤电钻打孔时, 除了因为压力大, 钻孔易于变形等传统问题外, 碰到最多问题是: ① 因为麻花型钎子返沫螺纹被岩沫塞满, 造成打孔时无法返沫; ②岩泥堵塞注水孔; ③ 把钎杆夹吸在孔内极难或无法取出。在使用液压锚杆钻机时也碰到了相同问题。所以, 在进行锚杆支护时, 极难打出较深锚眼。
1、 软岩深孔钻进技术试验研究
为了处理软岩深孔钻进问题, 我们主动组织技术人员有针对性地进行了软岩钻孔试验。
1．1 试验条件
1）地点: 扎赉诺尔矿务局灵泉矿井下中央泵房;
2）基岩岩性: 泥岩与沙岩互层, 围岩单轴抗压强度5－15ＭＰa（f系数0.5－1.5之间）遇水变粘。顶板厚度7.64m.
3）试验设备及工具: 煤电钻(型号: ME-12A)、 液压锚杆钻机(型号: MPSQ3)、 Φ28mm直径麻花型钎杆、 Φ19mm中空六棱钻杆、 改善后加封闭槽Φ19mm中空六棱钻杆、 Φ28mm湿式一般合金钻头、 Φ38mm湿式一般合金钻头、 树脂锚杆、 Φ15.24锚索、 锚索预紧器、 锚杆拉力计、 Z－23－350型锚固剂、 计时器等。
1．2 试验过程及结果
1）第一次试验: 煤电钻打孔试验
用煤电钻打孔时, 首先使用是Φ28mm钻头、 Φ26mm麻花钎杆。试验结果是, 钻孔深度达成30cm时, 煤电钻转速降低, 钻孔返沫困难; 钻孔深度达成50cm时, 钻孔不返沫, 钻孔发出吱吱声, 煤电钻转速深入降低, 靠人力抽拉钎杆返沫; 钻孔深度达成100cm时, 钻孔不返沫, 且有1个钻孔产生吸杆现象（即煤电钻不需施加外力, 钎子杆自动向孔底方向运动）, 煤电钻转速继续下降, 煤电钻过热; 钻孔深度达成120cm时, 出现卡杆现象, 拔出钎子杆观察, 钎子杆返沫螺纹沟及钻头全被岩泥糊实, 清掉糊泥后继续钻孔, 达成180cm钻深后, 煤电钻过热无法钻进。钻孔过程累计25分钟。
为了缩短钻孔时间, 在钻第二个孔时, 我们采取Φ38mm钎头打浅部钻孔, 然后再用Φ28mm钻头接钻深部钻孔方法, 但在钻深部孔过程中用还是碰到了上述问题。此方法又打孔3个。
锚杆为树脂锚杆, 间排距为0.8m, 矩形部署。顶板锚杆长度为1.8m, 两帮锚杆长度为为1.6m。填装Z－23－350型锚固剂, 搅拌时间30s, 等候40min安装托盘。经测试, 填装4个锚固剂效果最好, 锚固力达7.2t。
2） 第二次试验: 液压锚杆钻机钻孔
从上述结果看出, 用煤电钻极难打出更深钻孔。而对于顶板锚索来说, 这么钻孔是满足不了要求。为此, 我们采取锚杆钻机进行了打孔试验。锚索只在顶板部署, 间排距为2.0m, 矩形部署, 锚索长度5.5m,
钻杆钻机型号: MPSQ3; 关键技术参数:
最大扭矩: 165N.M额定转矩: 120 N.M　　
额定工作压力: 15MPa　
最小高度: 1.27M
最大行程: 1.2 M　 最大推力: 1.2T
供水压力: 2 MPa
打孔试验时采取Φ19mm中空六棱钻杆、 Φ28mm湿式一般合金钻头。钻孔深度达成3.0 M。钻孔过程中曾5次发生岩泥堵塞供水孔现象, 造成钻头被岩泥糊死、 钻杆在孔内夹死甚至无法转动现象, 第一次深孔钻进试验失败。
3）第三次试验:
经过认真总结和分析, 我们发觉第二次试验失败关键原因是钻孔水压不够。而引发水压降低原因是供水管路、 钻杆与钻机连结处以及钻杆联结套等封闭不严造成。为此, 在进行第三次试验时, 我们有针对性地对供水系统进行了改善, 对钻杆进行了革新。
第三次试验使用钻进设备与第二次相同。我们把供水管里接头全部焊死, 确保接头不再漏水; 钻机与钻杆连接处加工双密封槽（密封槽宽度3mm, 深度2mm, 两密封槽间距15mm）, 安装双密封套（橡胶制成）, 钻杆接头螺纹末端加工单密封槽(加工尺寸同双密封槽)安装单密封套。与此同时, 在钻孔试验操作时, 关键探索出合适钻速。
第三次试验共打孔10个, 孔深均达成5－6米, 安装预应力锚索10根。
2、 软岩深孔钻进试验经验
1）、 进行软岩钻孔时, 使用优异钻具是钻孔成功保障。在此次试验中, 因为我们使用液压锚杆钻机有较大扭矩, 从而处理了软岩粘性大而造成钻进困难难题。
2）、 设备配套合理性和确保水压是这次试验成功关键。在试验过程中, 因为我们对供水系统及钻杆进行了革新, 水压保持2MPa,使试验取得了成功, 探索了相关经验数据, 为以后成功操作提供了基础。
3）、 培养熟练、 技术全方面操作人员是推广软岩钻孔及支护前提。因为软岩钻进速度有一定要求, 假如没有熟练、 懂技术操作人员, 即使我们试验成功了, 但也无法推广使用。比如, 钻进过程中, 司钻工要时刻注意钻孔返水情况, 假如返水量变小, 要停止钻机推进, 但不得停止马达旋转, 侍返水量增大后, 再开启钻机推进缸进行推进等。
4）、 此次试验我们成孔深度只能达成6米, 这是受到钻机性能和我们目前技术能力限制。假如钻机扭矩增大或者供水压力损失能够再降低, 成孔深度还能提升。
5)、 使用液压锚杆钻机软岩钻孔时, 钻进速度应控制在一定范围内。比如本试验钻速在30 cm－46 cm/min之间较为理想, 超出46cm/min上限时, 便会发生卡堵钻杆现象, 会造成欲速则不达后果。适合操作速度在35cm－40m/min之间。
6)、 控制好每孔锚固剂数量。比如本试验, 填装五个锚固剂（Z－23－350型）效果最好, 二十四小时后锚固力达18T。填装四个锚固剂最大抗拔力为15T, 原因是锚固剂数量不足, 锚固段长度短, 造成摩擦阻力小。填装六个锚固剂效果最差, 即使数量较多　, 但搅拌不均匀, 搅拌困难, 抗拉拔力只能达成13T。
7)、 假如发生堵杆现象, 必需立刻停止推进, 退下钻杆进行清理。
8)、 在钻进同一个钻孔时, 钻机位置不可移动, 预防钻孔偏心, 造成安装支护失败。
9)、 填装锚固剂时, 要尽可能确保每节锚固剂在同一条直线上。
3、 软岩深孔钻进技术应用实效
软岩深孔钻进技术研究成功后, 我们在井下巷道大修及七采绞车房施工等大断面软岩巷道中进行了应用, 取得了理想钻进及支护效果。
在南泵房翻修中, 因为巷道顶板煤皮较薄, 扩大巷道断面后, 顶班遭到破坏。为预防巷道顶板下沉变形, 在巷道顶板补打锚索（原支护为铁棚支护）。眼深5.0m, 一组打2根, 3m打一组, 每根锚索锚固力都在15吨以上, 有效地维护了顶扳状态。
在七采绞车房施工中, 因为巷道层位较高, 断面较大, 施工顶板煤皮较薄（只有2.5m）, 即使采取了锚网、 铁棚喷浆等复合支护, 不过仍不能确保顶板稳定性。所以, 我们补打了锚索。眼深4.5m, 1.5m一组, 每组5根, 锚固力达成18吨以上, 顶板完全没有下沉, 确保了施工安全。
4、 结语
本文在试验基础上, 对软岩深孔钻进技术进行了一定研究, 探索出了一定经验, 施工效果可靠, 可为类似地质条件下施工作业提供参考。
参考文件:
[1]尤春安.巷道金属支架设计理论 [M].煤炭工业出版社, .10.
[2]李明远等.软岩巷道锚注支护理论与实践 [M].煤炭工业出版社, .9.