曹雷强，吴红兵

（五矿矿业（邯郸）矿山工程有限公司，河北 邯郸 056000）

1 气动潜孔锤工艺可行性研究

与回转钻进的研磨和切削原理不同，空气潜孔锤钻进原理是通过潜孔锤将压缩机产生的压缩空气的能量转换成对岩石进行破碎的冲击能量。当冲击功达到破碎岩石所需要的能量时，产生体积破碎；并利用工作后的气体将岩屑排出孔外，实现钻进。理想钻进效果的基本参数包括钻压、风压、风量和转速等。

（1）钻压。空气潜孔锤碎岩的三种力为：冲击力、回转力和静压力（钻压）。在全面钻进过程中，潜孔锤的单位面积的压力值一般在30N/cm2～80N/cm2；在软至中硬岩层中推荐值为78N/cm2～199N/cm2；另外压力值选择还应将钻机性能、钻具匹配情况，钻进方式及所选用的冲击器的规格型号进行综合考虑。这样，可以最大限度地减少钻具的磨损，达到最佳的钻进效果。通过多次对比实验，在李楼镜铁矿中钻机钻压需达到220N/cm2，其钻进效率达到最高。

（2）转速。转速是为了改变锤头合金的冲击破岩位置，避免破碎重复。影响转速高低的主要因素有：规格大小、冲击器的额定冲击频率以及岩层的物理机械特性，过高的转速可能会造成钻头的严重磨损及钻进效率的降低。所以，需将合理的转速保证在最优冲击间隔范围内。确定最优的冲击间隔，一般采用二次冲击间隔的转角。转速、最优转角和冲击频率三者的关系表示如下式：A=n 260/f（度）

式中：A——最优转角（度）；n——钻具转速（r/min）；f——冲击频率（次/min）。

本次使用的是ND55A型冲击器，频率为25HZ，也就是1500次/min，通过公式计算出转速为63r/min，而在长期的施工过程中，通过在安徽开发矿业所属地层施工切井爆破孔的应用中，最终确定钻速选择在30转/分～50转/分是比较合理的，对于硬岩层选用低转速，对于软岩层选用较高转速。

（3）风速和风量。空气钻进中耗气量可以通过清除孔内岩屑的最低上返速度及气动潜孔冲击器的性能参数来确定。气动潜孔冲击器的性能参数极其重要，是因为在进行大口径潜孔锤钻进时，所用钻杆外径钻孔直径和钻孔直径有很大差别时，容易出现潜孔锤风量不足以及排渣效果不理想的问题。为保证一定的环空上返风速能清除和携带孔底岩屑，应选择合适的供风量。一般，全面钻进时，上返速度V=20m/s～25m/s；取芯钻进时，上返速度V=10m/s～15m/s。计算合理的供风量，计算公式如下：Q=47.1K1K2(D2-d2)V

式中：Q——钻进时所需空气量m3/min；K1——孔深损耗系数，孔深100m～200m以内取1.0～1.1；K2——孔内涌水系数取K2=1.5；D——钻孔直径（m）；d——钻杆外径（m）；V——环状间隙气流上返速度。

切割井施工确定潜孔钻进钻杆外径为φ89mm，施工孔径为φ140mm，深度25m的切割井钻孔，潜孔锤压力降为20Kg，运用上述公式可得出所需风量最小为17m3/min，供风压力最小为17Kg/cm2的空压机。

2 设备选型

根据上述确定的气动潜孔锤钻进工艺参数，通过多方考察确定湖南有色最新开发的新型矿用钻机CS150D型潜孔钻机系，该机结合我国地下矿山采矿的工艺特点，采用液压集成技术，使钻机功能模块清晰、性能先进可靠，采用全液压驱动的液压系统，根据岩石情况和钻进深度无级调整，调节和控制方便，大幅度提高了回转和推进等主要工作机构的驱动能力、平稳度和抗过载能力，综合利用了国内外同类产品的优点。

3 钻进施工

钻孔施工顺序，按设计要求顺序施工；核对钻孔位置，满足要求后，才允许开钻。

（1）开孔。必须先开水阀，后开气阀；启动回转头，控制回转头慢速低压或浮动推进，当钻头钻孔至一定深度时（500mm～800mm），操作“推进”手柄反提回转头，再多次操作推进-反提，进行排渣，渣排干净后，再次校正钻进倾角后，继续钻进，至一定深度再排渣。如此操作，直到钻头深入孔内1.5m至2m，开孔步骤完成。

（2）钻进。开孔完成后，进入钻进步骤，钻进与开孔操作相同钻进作业前，应先操作“上卡+”按钮适当夹紧钻杆，使上爪处于扶杆状态，以稳定钻杆，防止孔偏，达到导正目的。钻进时，密切注意设备工作情况，并根据需要及时调整推进压力以避免夹钻等故障。待钻杆全部钻入即进入接杆步骤，同时做好钻探进尺记录。

（3）接杆。当一根钻杆全部钻入孔内，需接另一根钻杆，以继续穿凿作业，直至钻孔到预定深度。卸开钻杆螺纹前必须将卸杆器及周边清理干净，避免杂物进入气路，损坏冲击器；整个接卸杆过程中，密切注意各个动作情况，避免杂物进入气路以及因操作不到位等原因引发的安全事故；上钻杆前，各钻杆连接螺纹处必需抹黄油。

（4）移孔。将导轨提起，准备移孔，检查供气、供水管路以及钻进控制箱连接线在设备移位时是否会拉断或被挤压，在移位时停止给钻机供气、供水；钻孔过程中若周围未开始钻的孔，被岩粉覆盖而不能确定孔位时，应重新标定钻孔孔口坐标后再施工。钻孔过程中要进行孔位偏斜的实时监测，要严格按照施工要求进行施工，确保孔位偏斜率满足要求。

4 试验效率分析

在实际施工过程中，根据现场实际条件，进行孔位布置修改及孔径变更，实验共计65个，具体明细见下表。

表1 钻孔实验参数一览表

使用CS150D钻机施工比升降机施工每天节省人工成本6人，6天可节省36人的工资支出；1条25m深的切井需放15炮，CS150施工只需放4炮，合计装药量CS150D比升降机节约不少；施工效率CS150比升降机提前5天完成，又节约了20人的工资支出；按照井下作业每人单班工资200元计算，一条切割井可节约人工成本近12000元，施工效率提高33%。

5 结论

通过研究使用CS150潜孔钻机，采用气动潜孔锤工艺在安徽开发矿业使用切割井钻孔爆破成井工艺，具有效率高、成本低、安全可靠等多种优点，具有很大的应用推广价值。①理想的钻进效果的基本参数包括钻压、风压、风量和转速等。通过多次对比实验，在李楼镜铁矿中钻机钻压需达到220N/cm2，钻速选择在30转/分～50转/分，空气压力1.6mpa，风量最小为17m3/min，供风压力最小为17Kg/cm2，其钻进效率达到最高。②通过实验，对施工过程过程中的开钻前准备、开孔、接杆、卸杆、停机、移动等施工步骤确定了相关保证措施，为切割井钻孔施工提供了施工技术保障。③利用CS150潜孔钻机施工切割井与传统方法进行了对比，CS150潜孔钻机施工切割井成本低、效率能够提高33%。