集束式反井气动潜孔锤钻进工艺在大口径煤矿排水孔施工中的应用.pdf

第2 7 卷3 期 2 0 1 5年 3月 中国煤炭地质 COAL GEOLOGY OF CI t l NA V0 1 ．27 No ．03 Ma r ． 2 01 5 d o i ： 1 0 ． 3 9 6 l9 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 4 — 1 8 0 3 ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 1 2 文章编号： 1 6 7 4 — 1 8 0 3 ( 2 0 1 5 ) 0 3 — 0 0 4 9 — 0 3 集束式反井气动潜孑 L 锤钻进工艺在大口径 煤矿排水孔施工中的应用 刘文革， 曹继玉， 刘春明 ( 陕西省煤 田地质局水文队， 陕西 渭南 7 1 4 0 0 0 ) 摘 要： 针对在大口径瓦斯排放孔或大 口径矿山应急救援钻孔施工中要求时间较短， 而应用常规组合牙轮钻头或组 合滚刀钻头施工时， 由于钻孔 口径较大， 钻杆柱与钻孔环状间隙大 ， 钻井液上返速度很慢， 排除岩粉困难 ， 钻进效率 低的问题 ， 以国内外反向钻进用牙轮钻头或滚刀钻头为基础， 参考非开发回拖式扩孔钻进的施工经验， 研发了集束 式反井气动潜孔锤钻进工艺。在内蒙古黄玉川大口径煤矿排水孔施工的经验表明， 在钻穿巷道顶板的大口径钻孔 施工时， 集束式反井气动潜孔锤及反井钻进工艺取代常规组合滚刀反井钻进工艺 ， 可以大大提高了钻进效率 ， 对类 似钻孔的施工有很好的参考价值。 关键词： 集束式反井气动潜孔锤 ； 大口径； 煤矿排水孔 中图分类号 ： P 6 3 4 ． 5 文 献标 识码 ： A Appl i c a t i o n o f Cl us t e r e d Re v e r s e Ci r c ul a t i o n Pne um a t i c DTH Hamm e r Te c hno l og y i n Lar g e Di a m e t e r Coa l mi n e Dr a i na g e Bo r e ho l e Ope r a t i o n L i u We n g e ， C a o J i y u a n d L i u Ch u n mi n g ( H y d r o g e o l o g i c a l E x p l o r a t i o n T e a m， S h a a n x i B u r e a u o f C o a l G e o l o g i c a l E x p l o r a t i o n ， We i n a n ， S h a a n x i 7 1 4 0 0 0 ) Ab s t r a c t ：Re q u e s t e d l a r g e d i a me t e r g a s d r a i n a g e b o r e h o l e o r l a r g e d i a me t e r mi n e e me r g e n c y r e s c u e b o r e h o l e o p e r a t i o n t i me s a r e s h o r t ， i f u s i n g c o n v e n t i o n al c o mb i n e d r o c k b i t s o r c o mb i n e d r o l l e r b i t s ， s i n c e l a r g e a n n u l a r s p a c e b e t we e n r o d a n d wall c a u s e d ril l i n g fl u i d r e t u m r a t e i s s l o w， t h u s h a r d t o r e mo v e d e t r i t u s a n d l o w d r i l l i n g e ffic i e n c y ． T a k i n g t h e r e v e r s e c i r c u l a t i o n u s e d r o c k b i t s o r r o l l e r b i t s b o t h h o me a n d a b r o a d a s t h e e x a mp l e s ， r e f e r e n c e d n o n — d e v e l o p e d p u l l b a c k t y p e r e a mi n g d ri l l i n g e x p e rie n c e s ， h a s d e v e l o p e d c l u s — t e r e d r e v e r s e c i r c u l a t i o n p n e u ma t i c DT H h a mme r d ri l l i n g t e c h n o l o g y ． T h e o p e r a t i o n e x p e rie n c e s o f l a r g e d i a me t e r c o a l mi n e wa t e r d r a i n a g e b o r e h o l e i n Hu a n gy u c h u a n ， I n n e r Mo n g o l i a h a v e s h o wn t h a t d u r i n g t h e o p e r a t i o n o f a l a r g e d i a me t e r b o r e h o l e p e n e t r a t i n g t h e r o a d wa y r o o f , u s i n g c l u s t e r e d r e v e r s e c i r c u l a t i o n p n e u ma t i c DT H h a mme r a n d r e v e r s e c i r c u l a t i o n d r i l l i n g r e p l a c e d c o n v e n t i o n a l c o m— b i n e d r o l l e r b i t r e v e r s e c i r c u l a t i o n t e c h n o l o gy c a n g r e a t l y i mp r o v e d ril l i n g e ffic i e n c y ， a n d h a s g o o d r e f e r e n c e v a l u e i n s a me t y p e b o r e - h o l e s o p e r a t i o n ． Ke y wo r d s ： c l u s t e r e d r e v e r s e c i r c u l a t i o n p n e u ma t i c DT H h a mme r ； l a r g e d i a me t e r ； c o a l mi n e wa t e r d r a i n a g e b o r e h o l e 内蒙古 自治区准格尔旗黄玉川煤矿 5 3 0 排水 孔钻探工程要求时间紧、 技术难度大， 利用常规钻进 无法实现施工要求。为了创新施工方法 ， 陕西省煤 田地质局水文队利用反井钻进技术， 解决了钻进过 程中的排渣 困难 问题 ， 同时创新性研制 了集束式反 井气动潜孔锤 。通过施工应用 ， 创建 了集束式反井 气动潜孔锤新钻进技术方法 ， 取得 了较好的经济效 益和社会效益 。 1反井钻进工艺及集束式反井气动潜孔锤 1 ． 1反井钻进工艺 反井钻进是指在地下工程建设 中 ， 由下 向上掘 作者简介： 刘文革( 1 9 6 6 —) ， 男， 陕西白水人， 高级工程师， 从事探矿 工程 的技术管理工作 。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 — 1 卜1 6 责任编 辑 ： 樊小舟 进竖井或大倾角斜井的施工方法。 反井钻进技术是地质钻探领域内较少见的一种 钻井方法 。该项技术的应用条件是钻孔底部有巷道 的情况。其主要方法是先用定 向技术钻进到巷道的 顶板一小眼孔， 然后采用大口径扩孔钻头在巷道内 与小眼内钻杆柱连接起来 ， 回拖扩孔至地面 ， 扩孔完 成后下井壁管 固井 。 在大口径瓦斯排放孔或大 口径矿山应急救援钻 孔施工中， 一般施工要求时间较短 ， 然而应用常规组 合牙轮钻头或组合滚刀钻头施工时 ， 由于钻孔 口径 较大， 钻杆柱与钻孔环状间隙大， 钻井液上返速度很 慢 ， 排除岩粉困难 ， 所以钻进效率极低 。然而在一些 矿井区设置大 口径瓦斯排放孔时， 往往钻穿至巷道 ， 这时用反井钻进技术 ， 排除 了排渣困难问题 ， 但反井 钻进技术用组合式牙轮或滚刀钻进时， 因钻进效率 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中 国 煤 炭地 质 第2 7 卷 低 ， 施工周期长 ， 同时使用的钻井液长时间排进巷道 还需要抽吸清理 ， 大大增加了施工成本 。集束式反 井气动潜孔锤反井钻进工艺克服了施工过程 中存在 的这些问题。 1 ． 2集束式反井气动潜孔锤 集束式反井气动潜孔锤是我队针对内蒙古 自治 区准格尔旗黄玉川煤矿q b 5 3 0 排水孔研发的新 型专 利产品。其研发思路是以国内外反向钻进用牙轮钻 头或滚刀钻头为基础 ， 参考非开发 回拖式扩孔钻进 的施工 经验 。 集束式反井气动潜孔锤的工作原理是 ： 将数台 大风量高压力空气压缩机并联产生的高压气流通过 高压胶管运送到钻杆柱 中心通道 ， 将钻杆柱通过连 接丝扣 1 1 与中心管 l 2 接在一起 ， 高压气流通过 中心 管 1 2 向空气室 1 内引入高压空气 ( 图 1 ) 。高压空气 在空气室 1 内聚集能量 。当空气室 1 内的压力达到 一 定程度 ， 就通过分气通道 2 将 聚集能量的高压空 气分配给各个潜孔锤体中的活塞气缸。活塞推动锤 头 向前冲击钻进 。由于空气室 1 是通过分气通道 2 将高压气体同时分配给各个活塞气缸的 ， 因此 ， 活塞 推动锤头进行扩孔钻进也是 同时进行的 ， 这样就能 利用空气压力实现各个潜孔锤冲击做功 ， 从而达到 快速反井钻进成孔 ， 减少施工周期 ， 降低成本 的 目 的。在空气室 1 向活塞缸体分配气体时， 空气室 1 中 的压力也会逐渐减小 ， 当减小到一定压力 ， 空气室 1 就会 中断向各个潜孔锤体中的活塞缸体供气 ， 潜孔 锤停止 冲击做功 ， 而空气室 1 同时也在重新积聚能 量 ， 待能量足够 即压力达到一定程度 ， 即可再次分配 高压气体， 使个潜孔锤同时冲击做功。在潜孔锤做 功的时候 ， 钻孑 L 所产 生的岩粉 由于受到底唇护板 8 的阻挡 ， 同时岩粉在钻杆柱的带动下整个装置会呈 现出圆周运动 ， 因此 ， 岩粉在圆周运动所产生的离心 1 ． 空气室； 2 ． 分气通道； 3 ． 连接接头； 4 ． 潜孔锤体； 5 ． 上固定板； 6 ． 围裙套管 7 ． 下固定板； 8 ． 底唇护板； 9 ． 潜孔锤 头 ； 1 0 ． 扶正器 ； 1 1 ． 连接丝扣 ； 1 2 ． 中心管 图1集束式反井气动潜孔锤示意图 F i g ur e 1 A s c h e ma t i c d i a g r a m o f c l u s t e r e d r e v e r s e c i r c u l a t i o n pn e u ma t i c DTH h a mm e r 作用下向围裙套管6 外的空隙中移动， 最终通过钻 孔底部的巷道将钻孔产生的岩粉运走。 2 施工区地层及钻孔质量要求 2 ． 1施 工区地 层 钻遇地层 由上至下依次为第 四系 ( Q) 、 二叠 系 ( P ) 及 石 炭 系( C ) 。 ①第四系。0 ～1 2 m， 上部为粉砂 ， 浅黄色 ， 成分 以长石 、 石英 为主 ， 松散 ； 下部 为黄土 、 粘土 ， 浅 黄 色一 棕红色。 ②二叠系。上石河子组 ，1 2～1 4 9 m， 上部为砂 质泥岩 ， 灰绿色一 灰黄色 ， 下部为中一 细砂岩 ， 成分以 长石 、 石英 为主 ； 下石河子组 ， 1 4 9～2 2 8 I T I ， 砂质泥 岩 ， 水平层理 ， 夹浅灰 色细砂岩和深灰色泥岩薄层 ， 局部具光 滑面 ； 山西组 ， 2 2 8～2 8 0 m， 砂岩 ， 灰色 ， 水 平层理 ， 成分 以石英 、 长石为主， 局部泥质胶结 。 ⑧石炭系。2 8 0～3 3 5 m( 巷道顶板 ) ， 砂岩 ， 水平 层理 ， 泥质胶结 。局部硅质胶结 。 2 ． 2施工质量要求 根据施工要求与施工组织设计 ， 井身结构见图 2。 钻孔深度约 3 3 5 m， 开孔直径q ~ 7 0 0 mm， 松散层 至 正 常 基 岩 以 下 5 m 区 段 扩 孔 至 q ~ 8 5 0 m m， 下 ‘ p 7 2 0 ram~ 1 2 m m护壁 管 ( 焊管 ) ， 继续 以q ~ 7 O O m m孔径 施 工 至 二 水 平 巷 道 内并 贯 通 ， 全 孔下 q ~ 5 3 0 m mx 1 5 ram无缝钢管( 内外涂塑 ) 作为排水管路。 钻孔全孔止水 ， 护壁管下人后在管外用水泥砂 浆填实， 待水泥砂浆凝固后再施工。q ~ 5 3 0 m m无缝 钢管与护壁管 、 基岩壁间用水泥砂浆填实 。 所有钢管之间均采用焊接连接 ， 焊接必须严密 ， 不得漏水 ； 钻孔下 口钢板与钢管焊接连接 ， 焊接连接 均不得低于Ⅲ级； 排水管路安装完成后必须满足管 路压力要求 ， 试验压力4 MP a 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 期 刘文革。 等： 集束式反井气动潜孔锤钻进工艺在大口径煤矿排水子 L 施工中的应用 5 1 地 面 I I I 高 出 孔 口 5 0 0 U 由 如 o 0 m 由 r 一 舅 _开 孔 2 m I 司 7 2 0 ra m 击7 2 0 ra mI 2 m m 护 壁囊 I ~ 5 0 m m l 一 开设计孔 深5 1 m ] I l ． I’30ram一 JL— I I I 4道 锚 索 巾目 9 O m m f I ——一 蚤 l 巷 道 顶 板 深 3 4 2 m - 图 2 黄玉川煤矿 5 3 0 # ~水 子 L 井身结构 Fi g u r e 2 Co n fig u r a t i o n o f Hu a n g y uc hu a n e o a l m i n e No ． 5 3 0 wa t e r dr a i n a g e bo r e ho l e 3 施工过程 3 ． 1施工主要设备及机具 施工主要设备及机具如表 1 所示。 3 ． 2钻进过程 开孔采用人工挖孔 ， 孔径‘ p 1 2 0 0 m， 孔深 2 ． 0 m， 下入q 0 9 2 0 mm x l O mmT L 口套管 。 一 开前导孔 钻进 ： 采用 3 1 1 m m三牙轮钻头 ， 钻至5 l m左右 ， 进入基岩3 m。钻进 1 0 m要求单点 测斜， 孔斜要求达到设计要求。 一 开扩孔钻进 ： 采用常规钻井液正循环钻进施 工 。松散层采用q b 8 5 0 mm三翼刮刀钻头 ， 风化层基 岩采用qb 8 5 0 m m组合牙轮扩孔钻头( 前方带(I ) 3 1 1 mm钻头 引路 ) 扩至 5 1 m左 右 ， 下 入q b 7 2 0 mmX 1 2 mm护壁套管后水泥固井 。 二 开前 导孑 L 钻进 ： 采 用空 气潜 孔锤 施 工 。中 2 5 4 m m潜孔锤带( I ) 7 0 0 mm扶正器 ( 扶正器加在冲击 表 1施 工主要设 备及 机具 Ta b l e 1 Ma i n e qu i pme n t a n d ma c h i n e s ， t o o l s 器 与钻铤之间) ， 在表套底部进行二开钻进 ， 以确保 二开钻孔在表套 中心 ， 钻进深度为扶正器 以下到钻 头 的距 离 ( 二 开开钻 带扶正器 钻进 深度 为 5 0～5 9 m) 。二开开孔成功后提钻卸掉扶正器 ， 用d P 2 5 4 m m 潜孔锤钻至 3 3 5 m终孔( 钻穿巷道顶板 ) 。每钻进 2 O m要求单点测斜 ， 孔斜要求 达到设计要求 。如孔斜 超标 ， 采用螺杆进行纠斜 。 二开反井扩孔钻进 ： 用( 1 ) 6 9 0 m m集束式反井气 动潜孔锤反井扩孔钻进。通过巷道运输集束式反井 气 动 潜 孔 锤 到 孔 底 ， 二 开 钻 孔 ( 导 孔 ) 内 下 人 q ~ 1 2 7 m m钻杆柱连接集束式反井气动潜孔锤， 向上 反井扩孔钻进， 完成集束式反井气动潜孔锤反井钻 进施工 。 4 集束式反井气动潜孔锤的钻进 集束式反井气动潜孔锤反井钻进工艺是一种新 的钻进方法 ， 在施工过程 中总结 出一些技术措施 。 首先， 导向孔施工必须钻穿巷道， 导向孔的直径要求 必须满足钻杆柱通过； 其次， 集束式反井气动潜孔锤 在巷道 内与钻杆柱连接方式 ， 用法兰连接 ( 设置防剪 切螺栓装置) 代替螺纹连接， 在巷道内便于操作 ； 第 三 ， 利用全液压动力头钻机施工 ， 钻进参数设置机械 化 ， 便于操作 ， 同时方便卸孔 口提出的钻杆 ； 第四， 利 用动力头全液压钻机或专 门的反井钻机施工反井钻 进工艺 ， 方便优化钻进规程参数 ， 施工减少劳动强 度 ， 节约时间。 4 ． 1钻具组合及钻进参数 二开反井扩孔钻进的钻具组合为 ： 动 力 头 +~ p 1 2 7 m m钻 杆 +q ~ 2 5 0 mm扶 正 器 +‘ P 6 9 0 mm集束式反井气动潜孔锤 。 ( 下转第6 9 页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 期 金丹， 等： 高密度全数字检波器地震资料处理的关键技术研究 6 9 『 J ] ． 石油地球 物理勘 探 ， 2 0 0 8 ， 4 3 ( 2 ) ： 1 1 5 — 1 2 0 ． [ 6 ] 陈志德 ， 关昕， 李玲． 数字检波器地震资料高保真宽频带处理技术 『 J ] ． 石油地球 物理勘探 ， 2 0 1 2 ， 4 7 ( 1 ) ：4 6 — 5 5 ． [7 ] 汤红伟． 地震勘探技术在煤层气富集区预测中的探索性研究『J ] ． 中国煤炭 ， 2 0 1 2 ， 3 8 ( 2 ) ：4 6 — 4 9 ． [ 8 ] 王怀洪， 巩固， 田育鑫． 东部煤炭数字地震勘探技术发展与关键问 题讨 论叭 地球物理 学进 展 ， 2 0 0 7 ， 2 2 ~) ： 1 3 2 0 — 1 3 2 6 ． [ 9 】 程建远 ， 赵伟， 曹丁涛．煤矿采区三维地震探采对比效果的分析与 思考叭 中国煤炭地质， 2 0 1 0 ， 2 2 ( 8 ) ：6 7 — 8 2 ． 【 1 O ] 赵镨， 武喜尊扁 密度采集技术在西部煤炭资源勘探中的应用fJ J ． 中国煤炭地质 ， 2 0 0 8 ， 2 O ( 6 ) ： l 1 — 1 7 ． 【 1 1 ] 郑向东， 高宇平 ， 刘胜． 煤炭高密度空间采样地震勘探方法研究 及应用效果f J 1 ． 中国煤炭地质， 2 0 0 8 ， 2 0 ( 1 1 ) ： 5 0 — 5 2 ． [ 1 2 ] 邹奋勤， 刘斌， 童思友． 数字检波器在地震勘探中的应用效果[J 】 _ 海洋地质与第 四纪地 质， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 3 ) ： 1 3 3 - 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a r r i v a l n o i s e r e j e c t i o n ． P r o c S o c E x p l Ge o p h y s S u m me r R e s e a r c h W o r s h o p， 1 9 9 7． [ 2 2 ] 吴长江 ． 三维锥形滤 波器压制 面波 的应用 效果分析 【 J J ． 工程 地球 物理学 报， 2 0 1 0 ， 7 ( 1 ) ： 1 5 - 1 8 ． [ 2 3 ] Z h u W H ， P a n e S G ， L i u Q L ． L i n e a r n o i s e a t t e n u a t i o n u s i n g l o c a l r a d i a l t r a c e me d i a n fi l t e r i n g【 J J ． T h e L e a d i n g E a g e ， 2 0 0 4 ， 2 3 ( 8 ) ：7 2 8 — 7 2 9 ， 7 3 7． ( 上接第 5 1 页 ) 钻探设备采用了中国地质科学院勘探技术研究 所研 发的 S DC 1 5 0 0 全液压动 力头车载钻机 。在反 井钻进过程 中根据设定 的钻速 自动调整钻压 ， 钻进 过程中转速 、 钻压稳定， 辅助时间较短 ， 提高了工作 效率。同时， 在利用q ~ 6 9 0 m m集束式反井气动潜孔 锤钻具反井钻进过程中， 不断优化钻进规程参数， 使 得钻进效率达到最优。其主要钻进 规程参数为 ： 钻 压 2 O ～4 0 k N， 平均转速 8 r a d ／ mi n ， 扭矩 1 ． 0 k N i n ， 风 压 1 ． 2 MP a ， 风量6 4 1T I ／ mi n 。 4 _ 2钻进参数对 比 该井使用集束式反井气动潜孔锤扩孔钻进， 扩 孔时间仅用了 1 7 h ， 钻进效率提高 了约 6 0 ％。同区 域内常规反井钻进、 大直径潜孔锤反循环钻进与集 束式反井气动潜孔锤反井钻进参数对比如表2 。 表 2钻进参数对比 Ta b l e 2 Co n t r a s t o f dr i l l i n g p a r a me t e r s 从表 2 可 以看出 ， 集束式反井气 动潜孔锤 的时 效是常规反井钻进 的 1 0 倍 ， 是常规大直径潜孔锤 的 3 倍多。 5 结 语 在内蒙古自治区准格尔旗黄玉川煤矿qb 5 3 0 排 水孑 L 钻探工程施工中， 在 国内首创了集束式反井气 动潜孔锤及反井钻进工艺， 解决了我国大 口径煤矿 排水孔施工中存在的施工效率低的问题。通过研发 集束式反井气动潜孑 L 锤 ， 在大 口径煤矿排水孔中施 工应用 ， 建立了集束式气动潜孔锤反井钻进工艺 ， 为 我 国煤炭生产安全提供坚实的技术支持。 参考文献： [ 1 ] 刘权萍 ， 粱 红 ， 孟英 峰． 空气 锤工作机理的计算机仿真研究． [ 2 ] 董润平， 胡忠义． R D 2 0 Ⅱ型钻机及空气潜孑 L 锤钻进施工中若干问 题探讨[ J 】 ．探 矿工程( 岩土钻掘工程) ， 2 0 1 1 ， 3 8 ( 1 2 ) ： 5 0 — 5 3 ． [ 3 ] 李大用．气动潜孔锤钻进基岩水井的技术及工艺[ J 1． 探矿工程( 岩 土钻掘工程) ， 1 9 8 5， ( 5 ) ： 5 5 — 5 7 ． [ 4 ] 高博， 马涛， 郑畅． 潜孔锤钻进工艺在北京地铁降水工程中的应用 [ J J ． 山西建筑， 2 0 1 2 ， 3 8 ( 7 ) ： 5 4 — 5 5 ． [ 5 】 刘家荣， 王建华， 王文斌， 等． 气动潜孔锤钻进技术若干问题Ⅲ．探矿 工程( 岩 土钻掘工程) ， 2 0 1 0 ， 3 7 ( 5 ) ：4 0 — 4 4 ． [ 6 】 刘志强． 大直径反井钻机及反井钻进技术『 J 】 ． 煤炭科学技术 ， 2 0 0 8 ， f 1 1 、 ． [ 7 ] 冯起赠 ， 秦如雷， 许本冲， 等． 全液压车装钻机在集束式潜孔锤反 井施工 中的应用 I J 1． 探矿工程 2 0 1 4 ， 4 6 ( 6 ) ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m