直鑽孔的發展
由於礦區開採地質條件複雜,煤礦原來的設計往往滿足不了處理突發事故的要求, 為此煤礦系統經常施工排水孔、瓦斯抽排孔、送料孔、注漿孔、救人孔、救火孔等大口徑高保直鑽孔。1995年我處受淮南礦務局潘集煤礦的委託,施工了1眼大口徑瓦斯抽排孔; 1996年我處受徐州礦務局韓橋礦的委託完成了2眼排水孔的施工任務 。各項工程質量指標均達到契約要求,在施工大口徑高保直孔方面積累了一些經驗。
直鑽孔特點及質量要求
該類鑽孔一般布置在煤礦巷道上 ,且要求終孔點必須落在巷道上。其質量要求是: 鑽孔深度要達到煤礦井下巷道設計水平; 下入大口徑無縫鋼管 ,外用水泥固結。
直鑽孔的施工
設備選擇
採用 TS J— 1000型鑽機 , 配套 T BW 850 / 50型泥漿泵及其相應輔助設施。
鑽孔結構的設計
採用兩徑成孔 ,雙層管柱的鑽孔結構。瓦斯抽排孔採用表土層孔徑 550,下入 426 × 10的護壁管 ;基岩孔徑 380,下入 325× 10無縫鋼管作瓦斯抽排管。排水孔採用表土層孔徑 800,下入 650× 12的護壁管;基岩孔徑為 550,下入 426× 13無縫鋼管作排水管。
鑽進方法
採用牙輪鑽頭一徑成孔或用牙輪鑽頭鑽進,組合式牙輪鑽頭擴孔成井的鑽進方式。
鑽進參數
( 1)大口徑高保直鑽孔鑽進壓力一般達不到牙輪鑽頭所需鑽壓要求 ,為提高防斜效果 ,利於鑽進 ,鑽壓控制在小於鑽鋌質量指標的 80% 。
( 2)轉速一般選擇鑽機最低兩個檔位 ,即 48r /min、 69r /min。
鑽進防斜
採用分段控制和陀螺儀跟蹤測斜。
下管
採用提吊浮力法。井管底部裝配逆止閥浮力塞。井管下到孔底後 ,注漿泵進行注漿 ,漿液通過逆止閥進入井管與孔壁的環狀間隙固結井管。
直鑽孔施工注意事項
(1)牙輪鑽頭以其工藝簡單、效率高、低成本消耗、少泥漿污染等特點得到迅速發展, 取得了巨大的經濟效益和社會效益。牙輪鑽頭碎岩機理屬鑿碎— 剪下型,即具有衝擊碎岩作用,也有迴轉剪下碎岩作用。長齒鑽頭和短齒鑽頭、不同的齒距和偏移的鑽頭,鑽進不同岩石,牙掌壽命、鑽進速度都有較大差別。作業人員要精心細緻地選擇才能提高效率。鑽進500以上口徑鑽孔,採用組合式牙輪鑽頭一徑成孔,在鑽進中存在的問題主要是效率低,效率低的主要原因是鑽壓不足。採用小一徑牙輪鑽頭成孔,大徑組合式牙輪鑽頭擴孔的方法,牙輪鑽頭接觸的鑽刃單位面積鑽壓成倍增加。如550組合式牙輪鑽頭所需鑽壓30～60t,而鑽鋌總質量遠低於需要壓力,破碎中硬岩石,鑽速只能達到0. 35m /h。採用345牙輪鑽頭射流底噴鑽進,再用550組合式牙輪鑽頭擴孔,鑽進同樣的地層, 綜合鑽速提高到0. 60m /h。
(2) 在鑽頭上部9～18m 處安放一個扶正器(柔性鐘擺鑽具組合) ,扶正器起支點作用,使扶正器以下的鑽鋌向井眼下方垂擺,鑽頭對地層產生一個橫向力,這個橫向力使鑽頭趨向垂直方向鑽進。鐘擺扶正器上部再加一個或幾個扶正器(滿眼—鐘擺鑽具) ,為鐘擺提供了更多的支點,增加了鑽具的剛性,對井眼起擴孔劃眼作用,使井眼曲率更加平滑。實際證明,滿眼—鐘擺鑽具具有高效、防斜、易於下管等明顯優點。
(3)鑽進時,當遇到燧石等中硬岩石,鑽具在轉盤中上下跳動並帶有很高的扭矩變化。這種對鑽具的猛烈作用可能帶來斷扣和接頭損壞。在這種情況下,一定要調整轉速,得到平穩運轉,以獲得最優的鑽進速率,並防止鑽具事故發生。
(4)提高大口徑高保直孔作業的鑽進效率,須保證採用良好的鑽頭操作,利用有良好的物理、化學性能的優質泥漿,並有適當的泥漿泵及合適尺寸的鑽頭噴嘴。
(5)大直徑高保直深孔的施工必須以能下入大直徑井管為條件。井管直徑越大,剛度也越大, 抗彎能力越強。若鑽孔水平偏距較大,但只要鑽孔方位變化小,對井管下入影響不大。如果鑽孔水平偏距較小,鑽孔方位變化大,且局部頂角變化大,那么在急彎孔段中會出現井管無法下入, 或井管能勉強下入但承受很大的彎曲應力, 在井管強度的薄弱環節處產生斷裂。在這種情況下,現場下井管前通過陀螺儀測斜,作出鑽孔軌跡,利用全形曲率理論來計算鑽孔彎曲曲率半徑及大直徑井管的彎曲的應力,以指導下入深孔大直徑井管, 是一不可缺少的環節。
直鑽孔鑽具組合
金剛石鑽進滿眼鑽具組合
由於地區上部岩石（0~200 m）硬度大，可鑽性等級高，為了提高鑽進效率，採用金剛石鑽進工藝，其滿眼鑽具組合為：鑽頭外徑為94 mm 鑲鋃金剛石鑽頭+ 外徑為94 mm 金剛石擴孔器+ 直徑為89 mm、長2 000 mm 的岩心管+ 外徑為94 mm 金剛石擴孔器+ 外徑為94 mm、長為1 000 mm 的扶正器+ 外徑為73 mm、長5 000 mm 的鑽鋌+ 外徑為94 mm、長1 000 mm 的扶正器+ 外徑為73 mm、長1 0 00 mm 的鑽鋌+ 外徑為94 mm、長1 000 mm的扶正器+ 鑽桿。
硬質合金鑽進滿眼鑽具組合
下部岩石採用針狀硬質合金鑽進工藝進行鑽進，煤層鑽進時採用底噴式鑽頭與單動雙管取心器進行鑽進。硬質合金取心鑽進滿眼鑽具組合為：直徑94 mm 針狀硬質合金取心鑽頭：鑽頭鋼體直徑91 mm，厚7.5 mm，長100 mm，外徑94 mm，內徑74 mm； 直徑94 mm 的擴孔器：鋼體直徑為90 mm，厚9.5 mm，長250 mm，表面銑有6 道水槽（深2.5 mm，寬3 mm），下部焊有帶底出刃的擴孔合金，上部焊有保徑合金； 岩心管：φ89×6.5 mm，長2 500 mm的地質管材； 直徑94 mm 擴孔器+直徑94 mm 的扶正器：扶正器直徑94 mm，厚10 mm，長1 000 mm，數量為3 個，與鑽鋌電焊固定，最上部扶正器鑲焊有硬質合金保徑； 鑽鋌：直徑73 mm，壁厚22 mm，長5 m； 直徑94 mm 的扶正器；18 m 的鑽鋌； 直徑94 mm 的扶正器+ 接頭+ 鑽桿。利用滿眼鑽具施工，要經常檢查扶正器的外徑磨損情況，一般要保證扶正器與鑽孔孔徑相差小於1 mm，若大於4 mm 則應立即更換扶正器；保證扶正器與孔壁間應有足夠大的支撐面，尤其在泥岩中鑽進時應適當增加扶正器的長度。
