新安煤田硬岩高效成孔技术研究

1、CCTEGCCTEG创新务实精诚致远新安煤田硬岩高效成孔工艺技术成 果 汇 报中煤科工集团西安研究院有限公司u1.1.项目项目背景背景u2 2. .技术技术方案方案u3.3.设备选型设备选型u4.4.工业试验工业试验u5.5.结论结论与与建议建议一、项目背景新安煤田在施工水文、瓦斯钻孔时，需穿越层厚4m左右，俗称“铁里石”的硅质泥岩。该层段硬度大，钻进效率低。表表1 9-2-41 9-2-4# #钻孔施工记录表钻孔施工记录表设计倾角/方位-62.4/167设计孔深106.3m钻进时间70.5h平均效率1.51m/h硬岩长度7.6m硬岩效率0.13m/h新义煤矿2014年2月6日开始施工的9#钻

2、场2-4#钻孔为例，硅质泥岩孔段7.6m，共计施工9个班次，钻进时间59.36小时，钻进效率仅为0.13m/h。二、技术方案针对该硬岩层段，以碎岩方式不同，提出了三种技术方案：大扭矩钻机高强度钻头回转钻进工艺液动潜孔锤回转冲击钻进工艺气动潜孔锤冲击回转钻进工艺三、设备选型1. 钻机选型目前适合该工艺的钻机主要有ZDY4000S型、ZDY3500LP型、ZDY4300L（F）型等钻机，本次试验选择ZDY4000S型钻机最大额定转矩 /Nm4000额定转速 / r/min50280钻杆直径/mm63.5、73给进/起拔力 /kN150机身倾角 /-90+90给进/起拔行程 /mm780系统额定压力

3、（主泵/副泵） 25/21MPa电动机额定功率 /kW55图1 ZDY4000S型钻机根据以上三种硬岩钻进工艺技术要求，应选用大扭矩高转速钻机、高强度摩擦焊钻杆、高强耐磨钻头，以达到提高钻进效率的目的。表表2 ZDY4000S2 ZDY4000S型钻机主要参数型钻机主要参数三、设备选型2. 钻具配套（1）钻杆钻杆在大扭矩钻机选型的基础上，配套了强度高、抗扭性能好的摩擦焊钻杆。73mm外平摩擦焊钻杆图2 摩擦焊钻杆工艺过程63.5mm外平摩擦焊钻杆三、设备选型（2 2）钻头钻头根据地层情况及钻孔孔径级配，选用四种型号的PDC钻头，分别为133mm五翼内凹胎体钻头（图3）、 113mm弧角胎体钻头

4、（图4）、 98mm弧角胎体钻头（图5）和 75mm弧角胎体钻头（图6）。图3 钻头实物图4 钻头实物图5 钻头实物图6 钻头实物四、工业试验1. 硬岩层段试验设计孔号钻场位置方位倾角施工方案10-110# 340-31大扭矩钻机高强度133mm钻头10-210# 352-31大扭矩钻机高强度133mm钻头12-112#333-30.5大扭矩钻机高强度113mm钻头13-113#333-30气动潜孔锤冲击回转钻进13-213#347-32液动潜孔锤回转冲击钻进根据以上三种工艺方法，在新义煤矿11090轨道顺槽底板巷共设计施工了5个试验钻孔。表表3 3 钻孔设计及施工工艺钻孔设计及施工工艺2.

5、硬岩层段试验效果四、工业试验孔号施工方案施工时间班次/小时硬岩长度m纯钻进效率m/h10-1大扭矩钻机高强度133mm钻头3/7.811.01.4210-2大扭矩钻机高强度133mm钻头3/4.09.02.2512-1大扭矩钻机高强度113mm钻头2/4.210.02.4013-1气动潜孔锤冲击回转钻进2/0.89.612.5213-2液动潜孔锤回转冲击钻进2/1.38.46.55表表4 4 各孔硬岩层段施工效率统计对比各孔硬岩层段施工效率统计对比3. 钻孔施工对比四、工业试验孔号施工孔深/m硬岩进尺/m硬岩钻进时间/h硬岩钻进效率m/h全孔钻进时间/h综合钻进效率m/h9-2-41067.6

6、59.4 0.13 70.5 1.5 10-21349.04.0 2.25 20.6 6.5 效率提高效率提高/倍倍17.6 4.3 表表5 5 9-2-49-2-4# #与与10-210-2# #钻孔钻进效率钻孔钻进效率统计对比统计对比四、工业试验4. 钻头使用情况本次试验供采用了四类6个钻头（133mm钻头3个、 113mm钻头2个、 110mm钎头1个），使用情况如下表：钻头编号 进尺/m硬岩长度/m是否能继续使用 备注133-112.510否西安院133-22.62.6否其他厂家133-34.14.1是西安院113-13010是西安院113-28.48.40 是西安院，连接液动潜孔锤1

7、109.69.60 是西安院表表6 6 钻头使用情况记录表钻头使用情况记录表五、结论与建议1. 结论通过新义煤矿5个钻孔的施工得出如下结论：1）本次试验选用的ZDY4000S型钻机、高强摩擦焊钻杆、胎体式钻头能够满足新安煤田硅质泥岩高效成孔的要求；2）在采用的三类工艺4种组合中，气孔潜孔锤在硅质泥岩中钻进效率最高，纯钻进效率达到了12.52m/h，较试验前效率提高90倍以上，不足之处在于其施工中污染较大；五、结论与建议3）液动潜孔锤方案钻进效率较试验前提高近50倍，达到6.55m/h，且其施工环境好；但在本次试验中，由于供水量不足，其性能未能充分发挥；4）采用大扭矩钻机高强度钻头钻进方案，钻进

8、效率较试验前提高1020倍，该工艺具有操作简便、限制条件少等特点；5）选用的胎体式钻头具有较好的耐磨性能，试验中选用的133mm胎体钻头寿命为其他厂家钻头的4倍以上。1. 结论五、结论与建议2. 建议施工方案建议：a.在采用大扭矩钻机高强度钻头方案时建议采用“113mm弧角胎体钻头+113(63.5)mm扶正器+63.5mm摩擦焊钻杆”一级开孔施工；b.在供水量允许的情况下，使用液动潜孔锤施工，该方法施工简单，钻进效率较高，没有污染，工作环境好，且在软、硬互层中具有良好的优势；c.采用气动潜孔锤方案施工时，需采取孔口除尘设施。施工参数建议：a.在采用大扭矩钻机高强度钻头方案方案时，转速：200

9、240rpmin，回转压力：1015MPa；b.在液动潜孔锤方案中，转速：150200rpmin，回转压力：710MPa；c.在气动潜孔锤方案时，转速：100rpmin以内，回转压力：57MPa。五、结论与建议2. 建议设备选型建议：在施工过程中，由于掘进巷道中运输条件未完善，ZDY4000S型分体式钻机存在搬迁、运移不便的问题，建议选用对巷道尺寸要求较低，机械化程度较高的钻机，如ZDY4300L（F）、ZDY3500LP等履带式钻机，以减少辅助作业时间，进一步提高综合钻进效率。五、结论与建议2. 建议五、结论与建议2. 建议最大额定转矩 /Nm4300额定转速 / r/min60200钻杆直径/mm63.5/73/89最大给进/起拔力 /kN102/70（70/102）主轴倾角 /-3080转盘转角/90电动机额定功率 /kW55主机（长宽高）/（mmm）泵车（长宽高）/（mmm）2.170.852.092.6250.851.82最大爬坡能力 /20图13 ZDY4300LF型钻机参数与实物最大额定转矩 /Nm3500额定转速 / r/min70240钻杆直径/mm63.5/73/89最大给进/