摘　要：本文通過對在充填工程中空氣潛孔錘鉆進技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)點進行剖析,從合理選擇空壓機和沖擊器的選擇，優(yōu)化選擇鉆進技術(shù)參數(shù)入手，確保空氣潛孔錘鉆進技術(shù)的正確使用，同時對在具體施工過程中常見的制約因素、從機理方面入手進行分析，提出合理化的技術(shù)措施，使?jié)摽族N鉆進技術(shù)在實際應(yīng)用中得到了極大的擴展‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。

　　關(guān)鍵詞：充填孔; 空氣潛孔錘; 防斜; 排粉; 孔壁失衡

　　充填鉆孔是一種要求高垂直度的大口徑鉆孔施工，在施工方法中有多種方式進行，目前主要采用的是兩大類型鉆進方式，一類是泥漿護壁、牙輪鉆頭+鉆鋌的鉆具組合進行鉆進，另一類是以空氣或泡沫為循環(huán)介質(zhì)，空氣潛孔錘為主的鉆具組合進行鉆進‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。 兩類鉆進方式各有優(yōu)缺點，第一類鉆進方式適用范圍廣，能夠有效地控制孔內(nèi)壓力和孔壁穩(wěn)定，但其鉆進效率受其切削方式的影響，鉆進速度低下; 第二類鉆進方式鉆進效率高，孔斜控制有力，但因其循環(huán)介質(zhì)是空氣和泡沫，對孔內(nèi)壓力和孔壁穩(wěn)定不能進行有效的平衡，從而適用的地層較少‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。

　　在充填孔這類鉆孔施工過程中，為了在規(guī)定的時間段內(nèi)，達到鉆孔垂直度的高標(biāo)準要求，就需要對所采用的鉆進方法進行優(yōu)化組合，最大效率地發(fā)揮其優(yōu)勢，采取不同的技術(shù)措施改變其劣勢，才能達到高質(zhì)量高效率的項目任務(wù)。

　　青海省核工業(yè)放射性地質(zhì)勘查院在新疆哈密地區(qū)銅鎳礦區(qū)充填鉆孔施工中主要采用了空氣潛孔錘鉆進工藝，通過實踐，對空氣潛孔錘鉆進工藝在充填鉆孔施工通過幾個關(guān)鍵技術(shù)點進行過程控制，達到了工藝最優(yōu)化組合，最終完成工程高效高質(zhì)量的目的。

　　1　空氣潛孔錘施工工藝的技術(shù)關(guān)鍵點分析

　　空氣潛孔錘鉆進技術(shù)利用壓縮空氣做為動力，達到充填孔施工過程中的碎巖、排粉、冷卻鉆頭目的，在使用過程中技術(shù)發(fā)揮到最優(yōu)狀態(tài)主要表現(xiàn)在以下三個技術(shù)關(guān)鍵點上：首先是正確選擇適應(yīng)地層的設(shè)備和器具; 其次是使用過程中采用正確的鉆進參數(shù)讓空氣潛孔錘達到最佳的應(yīng)用狀態(tài); 最后是在一些特殊地層中進行輔助技術(shù)應(yīng)用，從而使之達到最優(yōu)化的應(yīng)用和最大的使用范圍。

　　2　設(shè)備和器具選擇

　　(1)根據(jù)施工已知的條件，計算所需要的額定風(fēng)壓和風(fēng)量大小。

　　(2)充分對復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境進行分析，主要是孔內(nèi)漏失、破碎和巖石硬度等情況，由此所產(chǎn)生的風(fēng)壓和風(fēng)量的非正常損耗。

　　(3)取額定的風(fēng)壓和風(fēng)量的最大值，再加上非正常損耗所需的風(fēng)壓和風(fēng)量，就是最終所需空壓機設(shè)備的風(fēng)壓和風(fēng)量。

　　根據(jù)空氣潛孔錘施工實踐，風(fēng)壓主要是作用到?jīng)_擊破碎方面，因此一般空壓機都能夠滿足要求，但是孔內(nèi)由于很少不存在裂隙等情況，風(fēng)量損失都很嚴重，因此在實際選擇中一般超過需要的風(fēng)量時，可采用多臺空壓機進行并聯(lián)使用。

　　沖擊器根據(jù)地層以及鉆進方法進行選擇，在礦山多選用無閥高風(fēng)壓沖擊器，另外沖擊器的大小選擇時要考慮鉆桿，鉆孔孔徑大小所形成的環(huán)狀間隙，以確保巖粉的最佳排出，必要時可采用二級成孔方式進行。

　　泡沫泵的選擇主要根據(jù)兩個參數(shù)進行，泵壓最小泵壓必須遠大于風(fēng)壓最高值，并且泵壓可調(diào)，流量根據(jù)環(huán)狀間隙、巖粉產(chǎn)生的顆粒大小等情況進行，排粉所需的泡沫量。

　　3　主要鉆進參數(shù)選擇

　　空氣潛孔錘回轉(zhuǎn)鉆孔技術(shù)利用空氣作為攜巖介質(zhì)，巖粉直接排至井筒工作面，另外一方面利用空氣作為潛孔錘沖擊的動力來源，鉆進過程中主要保證碎巖、排粉兩個方面內(nèi)容，因此鉆進參數(shù)選擇主要是風(fēng)壓、風(fēng)量，鉆進過程中采用低轉(zhuǎn)速、低鉆壓鉆進。

　　3.1　風(fēng)量

　　風(fēng)量的大小與沖擊器的耗氣量、井內(nèi)環(huán)空面積、鉆進深度及復(fù)雜井況相關(guān)，需滿足上返風(fēng)速20～30m/s 的要求，風(fēng)量越大井底越清潔，重復(fù)破碎的機率越小，鉆進效率越高。 風(fēng)量和風(fēng)壓的確定需綜合考慮鉆具組合、井徑、井深及地層涌水等因素。 在實際操作中，先算得參考值，再根據(jù)現(xiàn)場情況確定。

　　3.2　風(fēng)壓

　　高壓空氣為潛孔沖? 髕鞒寤? 做? ? 及克服空氣排渣上返的阻力提供動力，同時須克服管道壓力損失、孔內(nèi)壓力降、潛孔錘壓降、井內(nèi)液柱壓力等; 風(fēng)壓計算公式：

　　P = QL + Pm + Pc + Ps

　　式中: P—風(fēng)壓，MPa; Q—每米干孔的壓力降，一般為0.0015 MPa /m; L—鉆桿柱長度，m; Pm—管道壓力損失，取0.1 ～ 0.3 MPa; Pc—潛孔錘壓力降，MPa; Ps—鉆孔內(nèi)水柱壓力。

　　鉆進中涌水、井內(nèi)液柱壓力增加致鉆進中風(fēng)壓增大0.1～0.3 MPa(現(xiàn)場試驗記錄) 。 鉆井中需根據(jù)井徑、沖擊器性能參數(shù)及井內(nèi)涌水、漏風(fēng)、超徑等情況匹配空壓機和增壓機，提高鉆進效率和經(jīng)濟效率。

　　3.3　鉆壓

　　合理的鉆壓可以保證錘頭球齒與巖石緊密接觸和克服沖擊器及鉆具的反彈力。 潛孔錘有鉆壓限值時，鉆壓應(yīng)小于限值; 無限值時，以錘頭直徑(cm)乘以0.9kN為宜; 遇溶蝕發(fā)育、軟弱互層頻繁時，應(yīng)適當(dāng)減小鉆壓，以防止井斜和保護鉆具。

　　3.4　轉(zhuǎn)速

　　旋轉(zhuǎn)鉆具可以改變硬質(zhì)合金刃破巖的位置。 通常潛孔錘鉆進轉(zhuǎn)速要求在30～50 r /min，在鉆進施工中采用鉆機的Ⅰ速(35r/min)。

　　4　特殊地層問題處理

　　4.1　排粉問題

　　巖粉排出其本質(zhì)的問題是孔內(nèi)每一個巖粉所受懸浮力是否滿足排除要求，即上返作用力大于巖粉下降的自重力，在空氣潛孔錘鉆進時產(chǎn)生的巖粉是由空氣做為動力進行排除，主要影響因素是風(fēng)量和風(fēng)壓，同時與產(chǎn)生的巖粉顆粒大小、上返流速、懸浮介質(zhì)等有直接聯(lián)系。 在施工過程中遇到的地層往往是鉆孔無法形成一個密閉的空腔，反而更像是多處漏氣的布袋，而且產(chǎn)生的巖粉顆粒大小也是大小不一，因此排粉問題可以從以下幾個方面入手：

　　一是通過合理的鉆具級配使上返流速達到最優(yōu)，以確保正常情況下巖粉的排出; 二是添加懸浮介質(zhì)以增加巖粉的懸浮能力(即加入泡沫劑和穩(wěn)泡劑)，使孔內(nèi)巖粉排出范圍進一步增加; 三是通過加大風(fēng)量和風(fēng)壓，即采用選擇高壓力空壓機，或者多臺空壓機進行并聯(lián)，保證孔內(nèi)有足夠的風(fēng)量和風(fēng)壓，使補足因孔深增加而造成的能量損失，使深孔處巖粉能夠排出孔外; 四是通過對孔內(nèi)裂隙等風(fēng)量、風(fēng)壓漏失的地層進行封堵，以形成一個相對密閉的孔內(nèi)循環(huán)空間，增加排粉的通暢性，比如在裂隙發(fā)育的硬巖，含水地層中可采用水泥灌漿或套管封隔方式排除風(fēng)的流失。

　　4.2　孔壁失衡問題

　　空氣潛孔錘鉆進是采用空氣做為循環(huán)介質(zhì)，因此其井壁穩(wěn)定主要取決于地層巖石力學(xué)強度是否足以支撐沒有液柱壓力平衡條件下的井壁，多數(shù)類型的地層巖石在氣體鉆進條件下井壁穩(wěn)定，但塑性泥巖和鹽巖等軟弱巖體，以及黏土化較為嚴重的玄武巖和膠結(jié)疏松的礫巖等破碎性巖體是最易失穩(wěn)的巖石類型。

　　在無孔內(nèi)液柱壓力支撐下，軟弱巖體井壁失穩(wěn)主要表現(xiàn)為縮徑、坍塌，破碎性巖體則主要表現(xiàn)為崩落、掉塊和大面積擴徑坍塌，同時鉆具的碰撞作用和高速氣固兩相流的沖刷也會加劇失穩(wěn)程度。 另外，若孔內(nèi)存在含水層等情況下，一些水敏性地層會因為水化作用，而使原先地層的力學(xué)特征發(fā)生改變，從而變得不穩(wěn)定。

　　對于空氣鉆進過程中，孔壁失衡問題的處理一直是很難克服的世界性問題，處理的方案很少，這也是阻礙空氣鉆進應(yīng)用的巨大障礙。 首先排除一些無法克服的地層，采用常規(guī)泥漿體系進行鉆進，如弱膠結(jié)的礫巖、破碎性火山巖、糜棱巖、破碎性煤巖、隱性裂縫發(fā)育的硬脆性泥巖等，本身的膠結(jié)強度如不足以支撐井壁。 其次，在一些地層可以采用膨脹管封堵技術(shù)、水泥封堵技術(shù)以及注入封堵劑封堵技術(shù)進行隨鉆封堵。

　　4.3　鉆孔垂直度問題

　　空氣潛孔錘的碎巖機理決定了碎巖過程中主要依靠垂直于巖石表面的沖擊波作用，因此具有很好的防斜性能，但是在一些強造斜地層中由于受力的不均勻，以及鉆具本身的傾斜，還是會發(fā)生鉆孔偏斜。 根據(jù)井斜理論，鉆孔發(fā)生偏斜的主因是地層的傾斜和非均質(zhì)性造成，其次是鉆具在孔內(nèi)發(fā)生彎曲，使鉆頭發(fā)生偏斜并加劇其受力不平衡造成井斜。 通過孔內(nèi)鉆具的受力分析得知，發(fā)生孔斜原因是地層的造斜力大于鉆具作用于鉆頭的側(cè)向力。 因此保證孔斜度最本質(zhì)的要求就是增加鉆具的側(cè)向力，以克服地層的造斜力。

　　首先是把好“孔口關(guān)”，即設(shè)備安裝符合要求，校正天車、轉(zhuǎn)盤、井口三點在同一鉛垂線上，孔口孔段控制鉆壓，輕壓慢打，確保進入易斜井段良好的井身質(zhì)量，創(chuàng)造“以直打直”的條件; 其次是可以借鑒石油鉆進技術(shù)中防斜鉆具的配置，比如在沖擊器上部采用滿眼鉆具組合、鐘擺鉆具組合進行防斜; 最后是鉆進過程中控制鉆壓的大小，在保證碎巖的前提下，保證孔斜的要求。

　　地質(zhì)論文投稿刊物：《地質(zhì)裝備》(雙月刊)創(chuàng)刊于2000年，是由中國地質(zhì)裝備總公司;北京探礦工程研究所聯(lián)合主辦的刊物。讀者對象：包括地礦、有色、冶金、煤田、核工業(yè)、水電、化工、建材、石油、機械、建設(shè)、交通、鐵路、環(huán)保、軍工等部門從事地質(zhì)裝備研究、設(shè)計、制造和使用等單位的科研人員、技術(shù)人員、管理人員和和現(xiàn)場施工人員,以及大專院校的師生。

　　5　結(jié)論

　　(1)空氣潛孔錘技術(shù)因其碎巖方式在礦山充填孔工程中發(fā)揮了高效、高質(zhì)量的優(yōu)勢，同時也因其工作原理在一些礦區(qū)地層應(yīng)用中受到了很大的限制。

　　(2)應(yīng)用好空氣潛孔錘技術(shù)的首要條件是充分分析研究礦山地質(zhì)。

　　(3)在有些特殊地層中會對空氣潛孔技術(shù)的應(yīng)用受到很大限制，通過對受限的原理進行根本性的分析，采取正確的技術(shù)措施對潛孔錘技術(shù)的應(yīng)用范圍進行擴展，使其高效率高質(zhì)量的特性得到充分發(fā)揮。

　　參考文獻

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　　作者：許青海　白寶云　王　寧