风动潜孔锤钻进技术在大同煤田的应用
the Application of the Technology Which is Driving Hammer to Drill Holes by Air in Coal Field of Datong
Summary: in order to improve the Drilling efficiency, the technique of The air drive Qian bore hammer is used at experiment hole of sitai mine 402 dish area Jurassic geologic strata construction.
Keyword: . the technique of the air drive Qian bore hammer drill..drilling technique parameter. continuum drill efficiency in one month and no continuum dril efficiency in one month. drilling hole quality.
摘要：为提高钻探效率，引进风动潜孔锤钻进技术，在四台矿402盘区侏罗纪地层中施工试验钻孔。
关键词：风动潜孔锤钻进技术. 钻进技术参数. 钻月效率及台月效率. 钻孔质量
大同煤田属双纪煤田，由于上部侏罗纪煤田资源逐渐枯竭及采空区积水不断增多，对下覆煤层安全开采构成隐患，探测下部石炭纪资源及解决侏罗纪采空区积水的问题迫在眉睫；为此同煤集团地质处组织科研小组引进风动潜孔锤钻进技术，在四台矿402盘区施工探放水1# 、2#、及云岗406盘区4#钻孔进行试验。
风动潜孔锤钻进技术与传统的回转钻进方法不同的是在回转钻进的基础上加入垂向冲击力；及在水平方向上研磨克取、在垂直方向上冲击克取并以空气做冲洗介质的一种钻进方法。传统的回转钻进方法在克取坚硬岩石时，效率底下加之多层采空区影响，经常出现卡钻、埋钻现象而且需要大量用水（野外拉水很困难），每完成一个300米深的钻孔，包括纯钻进时间及辅助时间大约需要12天 ，而且钻孔质量相对较低，为克服传统方法之不足，我们引进了风动潜孔锤钻进技术。
一、地层
1地层介绍
a本区地层从上至下依次为第四系黄土、云岗群、大同组、永定庄组、山西组、太原组、本溪组、奥陶系、寒武系地层。本次试验所经过地层为第四系黄土、云岗群、大同组至12#煤层底，目的是探测上覆采空区积水
b本区岩性为粉砂岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩、碳质泥岩、砂质泥岩、碳质粉砂岩及K21 、K22、砾岩。
2煤层及采空区
煤层及采空区（表一）
|
煤层号 |
2# |
3# |
4# |
7# |
12# |
|
深度 |
118.00 |
140.00 |
148.00 |
176.00 |
284.00 |
|
厚度 |
1.00 |
1.20 |
1.80 |
2.00 |
3.00 |
|
煤层 |
未空 |
采空 |
未空 |
采空 |
巷道 |
二.动力配备
-
设备
使用德国生产的XAHS416Md空压机，用空气做冲洗介质。 4135柴油机驱动XU-5型钻机及发电机；小型柴油机驱动泡沫泵。见动力配备（表二）
动力配备（表二）
|
参数 |
Xy-5钻机 |
4135柴油机 |
空压机 |
发电机 |
泡沫柱塞泵 |
DG--1柴油机 |
|
|
风量 398l/s |
有效工作压力12bar |
||||||
|
功率 |
40.0kw |
58.8 kw |
237.0kw |
12.0kw |
13kw |
14.9kw |
|
|
转速 |
1000rpm |
1500rpm |
1300rpm |
1500rpm |
780rpm |
800rpm |
|
2、钻具组合
主动钻杆+?51钻杆+ ? 73钻挺+ ? 127潜孔锤。见钻具组合示意图1
三.钻进技术参数
1、不含水坚硬岩层
对于石英质砂岩、K21 、K22、砾岩，采用 中转速、中压力、大风量。
2、不含水普通砂岩
对于普通砂岩，如粗砂岩、粉砂岩、细砂岩、碳质泥岩等采用低转速，底压力、大风量.。
3．含水坚硬岩层及含水普通岩层
对于含水地段可钻性高的坚硬岩层,如k22 k21砾岩、石英质砂岩及可钻性较低的含水地段的普通岩层，如粗砂岩、粉砂岩、细砂岩、中砂岩、碳质泥岩、碳质粉砂岩等采用空气加泡沫配合低转速、低压力、大风量的钻进方法。由于高转速、高压力，进尺快，岩粉多，加上水气混合，容易造成附着钻具及孔壁堵塞现象，出现卡钻事故，所以在含水地层中钻进不宜使用高转速、高压力；另外泡沫泵压力要大于空压机压力，确保泡沫剂到达孔底，有效携带岩粉。见（表三）
坚硬岩层及普通岩层钻进参数表（表三）
|
岩层 |
给进压力kg |
转速rpm/min |
风量l/s |
泡沫柱塞泵压力bar |
|
不含水坚硬岩层 |
900 |
150 |
398 |
0 |
|
不含水普通岩层 |
850 |
150 |
398 |
0 |
|
含水坚硬岩层 |
750 |
75 |
398 |
13.5 |
|
含水普通岩层 |
750 |
75 |
398 |
13.5 |
四.钻孔设计
1.钻头
使用EGSLAN生产的?146潜孔锤，?127潜孔锤，?89潜孔锤。
2.钻孔结构
采用?146潜孔锤钻进至5米，换径?127潜孔锤至180米，然后换径?89潜孔锤至260米12#层顶。
3.方法选择
对于上部不含水地层直接采用空气钻进携带岩粉，对于下部含水地层采用空气钻进加泡沫携带岩粉。
4.钻孔结构示意图
402盘区探放水1#钻孔结构示意图2
五. 材料消耗
在侏罗系地层采用空气钻进，对四台1号、2号及云岗4号放水孔统计， 共消耗柴油2550kg，泡沫8.50kg;；钻头消耗为零。而使用普通金刚石钻进，在侏罗系地层中对大斗沟1号、2号、3号统计，拉水1176吨、柴油消耗1.7吨 、钻头消耗10个，其中?127金刚石三翼钻头2个，?108金刚石三翼钻头2个，? 89金刚石三翼钻头1个，?127金刚石筒状钻头2个、?89金刚石筒状钻头1个、金刚石打煤钻头2个。见表四
材料消耗对照表（表四）
|
孔号 |
孔深 m |
柴油 kg |
水 m3 |
消耗钻头（个） |
泡沫剂kg |
单位消耗油 L/m |
单位消耗水m3/m |
|
大斗够1号 |
348.78 |
658 |
560 |
4 |
0 |
1.886 |
1.60 |
|
大斗够2号 |
366.00 |
567 |
336 |
3 |
0 |
1.549 |
0.92 |
|
大斗够3号 |
325.56 |
475 |
280 |
3 |
0 |
1.459 |
0.86 |
|
四台1号 |
180.24 |
900 |
0 |
0 |
5 |
4.993 |
0 |
|
四台2号 |
123.40 |
800 |
0 |
0 |
2 |
6.482 |
0 |
|
云岗放水4号 |
317.00 |
850 |
0 |
0 |
3.5 |
3.47 |
0 |
六.钻孔质量
对四台1号、2号放水孔、云岗4号及大斗够1号、2号、3号统计，风动潜孔锤所施工的钻孔，钻孔垂直度及水平偏移误差均小于大斗沟1号、2号、3号，这对于今后提高探放水孔、灭火孔及其他工程孔的精度有很大益处，值得在大同煤田所施工的工程孔中大力推广。见（表五）
钻孔孔斜统计表（表五）
|
其他
孔号
|
天顶角
|
方位角 |
深度（m） |
|
大斗沟1号 |
10’、30’、45’、55’、1019’、1035’、1056’、2000’
|
1880、1920、1970。、2060 |
0 、50、100、150、200、250、300、340、 |
|
大斗沟2号 |
0010’、0030’、0045’、1010’、1030’、1055’、2020’、2050’、2055’
|
10’、46’ 、2630、2670 |
50、100、150、200、250、300、350、360、 |
|
大斗沟3号 |
1030’，、0043’、1010’、1028’、1050’，、2022’、2050’ |
2450、2550、2720、2770、2820 |
0、50、100、150、200、250、300、320 |
|
四台1号 |
11’、20’、35’、55’、1019’、1035’、1056’、200’
|
1880、1920、1970、2060 |
0 、50、100、150、 175 |
|
四台2号 |
0024’、0084’、1027’、01039’、1007’、1052’、1078’、1045’ |
00、2600、2660、2840、2670、2850、3030、2840 |
0、20、40、60、70、80、100、 116 |
|
云岗4号放水 |
00.10’、00.54’’、00.44’、00.44’、0o.45’、10.29’、10 .38’、10.44’、10.35’、10.47’、10.42’、00.8’
|
1760、1760、1760、1830、2540、2690、2780、2810、2830、2900、3070、3290、 |
1.、20.、40.、60. 、80 、90. 、10. 、100. 110、120、130、140、150 |
七.钻月效率及台月效率
根据1992年对大同煤田侏罗纪地层统计，在侏罗系地层中，大同煤田92年以前硬质合金钻进，台月效率为280米/月，钻月效率为560米/月；目前金刚石钻进台月效率为1000米/月，钻月效率1800米/月；使用风动潜孔锤钻进，台月效率可达1800米/月，钻月效率可达19440米/月。 见（表六）
侏罗纪钻孔钻月效率及台月效率统计表（表六）
|
孔号 |
台月效率 m/month |
钻月效率 m/month |
孔深 m |
|
大斗沟1号 |
804.76 |
5205.67 |
348.78 |
|
大斗沟2号 |
1220.00 |
5778.94 |
366.00 |
|
大斗沟3号 |
1220.85 |
5195.10 |
325.56 |
|
四台1号 |
1802.40 |
9440.00 |
180.24 |
|
四台2号 |
1322.14 |
8576.00 |
123.40 |
|
云岗4号放水 |
1300.28 |
7928.00 |
317.12 |
八.综合评价
1.效率
通过对大斗沟1号、大斗沟2号、大斗沟3号、四台1号、四台2号、云岗4号钻孔的材料消耗、钻孔质量、钻月效率、台月效率及经济效益统计分析，风动潜孔锤钻进技术在其钻进过程中各项技术指标均高于传统的回转钻进方法，尤其在钻进速度上（及钻月效率）体现出回转钻进无可比拟的优越性，这对于施工紧急工程有很大益处，如紧急救援、抢险、灭火工程等；对于施工石炭二叠系钻孔也有促进作用,如钻穿上部侏罗系地层时配合使用风动潜孔锤钻进技术可有效避免钻孔坍塌造成的卡钻、埋钻事故，加快勘探进度；同时也可解决野外拉水困难的问题。
2.增加设备服务年限
由于钻进效率的提高，降低了设备运转时间，提高了钻机易损零部件的使用寿命，如、滚动轴承、升降机制动闸、游星轮、卡瓦、离合器环等，以前滚动轴承最多使用7个月，而使用风动潜孔锤钻进滚动轴承可提高到两年。这对于增加纯钻进时间，缩短辅助工作时间，提高钻探效率有很大益处。
3. 增加经济效益
使用风动潜孔锤钻进技术与传统的回转钻进相比，台月效率、钻月效率、单位钻头消耗量、单位耗油量及设备检修率、管材磨损率等大幅度降低，从而降低了钻米成本，提高了经济效益。
4.减少工艺环节
传统的回转钻进工艺，在遇到节理发育，漏失严重、井壁不稳定的地层时需要进行护壁堵漏工艺；及下套管、使用泥浆、化学浆夜等 。由于风动潜孔锤钻进技术使用空气做冲洗介质，更有利于漏失地层或有采空区的地层中钻进，可有效的避免孔壁坍塌造成的埋钻、卡钻事故，从而减少工艺环节，降低钻米成本。
5.存在问题
由于风动潜孔锤钻进技术使用空气做冲洗介质，所以地面灰尘较多，停止钻进时工作人员应及时清理地面灰尘，以免附着在回转机构上，增加磨损；另外对人体的呼吸系统会产生不同程度的影响，工作人员正常工作时应该带防护面罩。
参考文献: 煤田地质学
矿物岩石学
钻探设备学
钻探工艺学
钻探管理规范
个人简介：
滕东方，男44岁，地质处生产科副科长、钻探工程师
高宇平，男44岁，地质处总工程师、教授级高级工程师
2008-8-6
备注：09年该项成果或同煤集团科技成果一等奖
