风动潜孔锤冲击回转钻进在高精度、大口径的深孔中的应用.docx

浅谈风动潜孔锤冲击回转钻进
在高精度、大口径的深孔中的应用
摘要：梅州市xx铜业公司玉水硫铜矿-28水平联接巷新增堵水墙工程设计采用牙轮回转钻进成孔，实践证明，牙轮回转钻进施工效率非常缓慢，不能满足工期要求，采用风动潜孔锤冲击回转钻进，施工效率大大提高，钻孔垂直度也能满足设计要求。
关键词：风动潜孔锤冲击回转钻进，钻孔弯曲
1.工程概况
梅州市xx铜业公司玉水硫铜矿-28水平联接巷新增堵水墙工程，为在已密封的满水巷道中修建混凝土堵水墙。设计采用从地面钻孔至巷道内，再往巷道内灌注混凝土，然后压浆的施工方法。-28水平联接巷由主巷和副巷组成，断面规格约2.3m×2.5m（宽×高）。分别在主巷和副巷正中的地表各布置钻孔5个，孔间距为2.0m，共10个钻孔，钻孔口径Ф273mm，孔深156.0m。
钻孔所在地质条件较为复杂，断层、裂隙发育，地层由上至下依次为①红色粘土，厚2～12m；②深灰色坚硬辉绿岩，夹3～4层1～5m厚的软弱夹层，厚85～95m；③灰白色坚硬石英砂岩，夹2～3层2～4m厚的软弱夹层，厚45～50m。
2.钻孔施工方案及施工工艺的选择
（1）施工方案：
由于场地地质条件复杂，断层、裂隙发育，岩层软硬相间，钻孔极易弯曲。高精度、大口径的深孔施工是该工程的首要难题。为了节
约工期和施工成本，经研究决定钻孔施工分两级进行。先用Ф136mm口径的钻头施工Ф140mm口径的导向孔命中巷道，再用Ф265mm口径的带导向头的钻头进行Ф273mm口径钻孔的扩孔。
（2）施工工艺：
原设计采用牙轮回转钻进施工钻孔，实践证明，牙轮回转钻进在坚硬岩层中进尺十分缓慢，前40m，平均每天进尺4m，而且越往下施工越缓慢。施工效率无法满足工期要求。后改用风动潜孔锤冲击回转钻进，施工效率大大提高，前100m，平均进尺速度可达8m/h。正常情况下，两天可施工一个导向孔，三天可完成一个扩孔。施工效率能满足工期要求。选用设备：钻机—DS-600液压回转钻机（带动力头）；冲击器—DH-260（导向孔用DH-130）；空压机—XRHS506（排气量：30m3/min，工作压力：2.2Mpa）；钻头—Ф136mm 、Ф265mm球齿形全面钻进式合金钻头Ф136mm
3.钻孔弯曲的预防措施
由于场地地质条件复杂，岩层破碎，多软弱夹层，钻孔极易弯曲。前期施工了8个导向孔都偏离了巷道。既造成了经济损失又耽误了工期。通过细致分析钻孔弯曲原因，采取有针对性的钻孔弯曲预防措施，取得很好的效果。具体措施如下：
（1）开孔前垫平钻机，用经纬仪校正钻机动力头和钻杆的垂直度，并在钻进过程中经常进行校核。
（2）下正孔口套管，且套管底设在完整微风化岩层2m以下，这一步极为关键。孔口套管不仅有护壁作用，还有导正钻孔的作用。根
据测斜资料显示，钻孔前50m弯曲强度偏大的主要原因是孔口套管安放不直。安放套管时采用经纬仪、锤线反复校正后，用冲击器将套管缓慢振压入孔内。导管安放后抽干孔内水，用锤线和手电筒进行复核，若发现套管倾斜，拔出套管重新安放。一定保证套管100％的竖直。
（3）使用扶正器钻进，扶正器直径为Ф138mm，长度4～12m（长度根据测斜资料选用），减少钻具的偏倒空间。
（4）加强测斜，并根据测斜资料调整下一步钻进的技术措施。一般每钻进40m测斜一次，在断层、裂隙发育的破碎层段及有软弱夹层位置，必须测斜。若方位角偏向巷道（或向着预期的方向发展）采用长的扶正器；若方位角偏离巷道（或背向预期的方向发展），则选用短的扶正器，或不用扶正器。测斜仪采用武汉基深勘察仪器研究所出产的CX-5测斜仪，其顶角精度为1分，方位角精度为1度。经实践证明该测斜仪精度和准确性相当好，满足高精度钻孔的测斜要求。其优点：精度高，准确性好，轻便快捷，无需使用测斜管，测斜成果可由程序自动计算，并能自动绘制钻孔地下位置图；缺点：其探头因碰撞，零点值很易改变，需经常校核。
（5）偏离巷道中心线布孔。根据前期8个偏离巷道的钻孔的测斜资料，发现主巷钻孔向南偏，副巷钻孔向北偏。根据这一规律，将主巷开孔孔位北移0.8～1.2m，副巷开孔孔位南移1.2～2.4m。偏离巷道中心线布设的钻孔按照预期的弯曲规律，均命中巷道。
4.扩孔出现的问题及处理措施
（1）空压机排气量不够的解决措施。

随着扩孔的加深，排渣的环状空间越来越大，排渣越来越困难，岩渣不能随钻随排，孔底岩渣沉积过多，严重影响钻进效率。解决办法：在空压机的排风口用高压风管连接1个或2个1m3的高压气罐（采用2个气罐时，气罐之间采用并联的方式连接）。需要排渣时，停止钻进，关闭钻杆的进气阀，待气罐的压力表达到2.2Mpa时，打开钻杆进气阀，高压风通过钻杆冲入孔底带出岩渣。一般连续排渣2～3次就可将孔底沉渣排除干净。为了避免岩渣沉积过厚，引起埋钻事故，一般每钻1.5～2.0m，需排渣2～3次。
（2）高水压下冲击器不能冲击时的解决措施。
导向孔钻穿巷道顶板后，巷道内的水进入孔内，并从孔口溢出，孔内水位与地面相平当钻至130m左右孔深时，由于孔底水压消耗了很大一部分风压。根据下面公式，当到达冲击器内供冲击器冲击的压力小于冲击器的工作压力0.63Mpa时，冲击器不能冲击，进尺非常缓慢。
H1＝H-H2-H3
＝2.2-0.002×145-1.3
＝0.61 Mpa＜0.63Mpa
H1：可供冲击器工作的风力。
H:空压机的输出风压，2.2Mpa。
H2：风压通过地面气管和钻杆的压力损失，0.002Mpa/m,钻杆130m，地面气管15m。
H3：需克服的孔底水压。130m水压即1.3Mpa。

针对对这一问题，采用两台同型号的空压机并联接入两个并联的高压气罐内，再接入钻机，这大大提高了空压机输风压力，使得冲击器能正常工作，提高了钻进效率。

5.结论
（1）在岩层中钻进大口径钻孔，风动潜孔锤冲击回转钻进是首选的钻进工艺，其施工效率是一般钻进工艺的几倍，甚至几十倍。
（2）高精度钻孔施工，测斜工作是关键。只有获得准确的测斜资料才能正确分析钻孔弯曲的原因及规律，以此采用下一步钻进的技术措施。