冲击_回转钻进工艺在超硬岩层中的应用

孔时， 基本上施工一个电缆孔至少耗费 准65 胎体式 响较 大 ，通 过 在 松 藻 煤 矿 的 钻 孔 施 工 ，将 钻 进 工 艺
复合片钻头 1 个。 二者施工效果对比如表 1 所示。
参数总结如下：
表 1 施工效果对比
工作风压/MPa
0.7
电缆孔号 电缆孔参数 钻进方法
施工情况
2# 方位角 0°， 复合片钻 用 准65 复合片钻头共实施 11 个台班，总进尺 38 m，遇
参考文献： ［1］王文斌. 机械设计手册［K］. 北京：机械工业出版社，2008.
（3）双向立柱内径为 准125，行程 450 mm; （4）模板伸缩油缸内径为 准63，行程 400 mm；
［2］成大先. 液压传动［M］. 北京：化工工业出版社，2004. ［3］宋曼华. 钢结构设计与计算［M］. 北京：机械工业出版社，2002.
高了采煤工作面的采煤产量， 提高支护安全性；降 低了工人的劳动强度。 支架整体性好、操作空间大、 操作灵活、 安全稳定性好。 并且可实现一人多架操 作，节省人力、物力；为采煤技术升级打下了良好的 基础，随着充填支架的应用，它给煤矿带来了巨大的 经济效益，由于支架整体性好以及自动化程度高，从 环节上减少了事故发生的可能性， 所以充填支架在 今后的几年内国内各中小型煤矿的薄煤层将普遍使 用，为此，支架有着巨大的发展空间和前景。
液压阀操作，立柱安装在底托的框内，立柱的下部 后并保持所规定的时间后，将立柱降下，通过操纵阀
与底托采用销轴联接，调整框镶在底托的框内与立 将推移缸伸出，推动充填管和充填管底座，移动规定
柱的上部用销轴联接，随着立柱的升高在底托框内 的位置，将立柱升起顶在顶板上，然后，将推移缸收
滑动，密封采用橡胶板与调整框连接随着调整框升 回拉动充填模板支架向前位移规定的位置后， 再将
关键词： 冲击-回转钻进； 钻机； 气动冲击器； 钻压； 转速； 气压； 流量 中图分类号： TD421 文献标志码： B 文章编号： 1003 － 0794（2011）03 － 0210 － 03
Application of Impact-rotary Drilling Technology in Superhard Rock
了钻进参数的选择对钻进效率的影响。 气动冲击-回 雾器内加入 润滑油随压 风进入到 冲击器 润 滑 活 塞
转钻进工艺参数主要指钻压、转速、气压及流量。
等部件； 由于气动冲击-回转钻进工艺会产生大量
（1）钻压
岩粉，所以需采用孔口除尘装置进行除尘；钎头受
钻压能使岩石内部形成预加应力，同时改善冲 到活塞的连续撞击不断冲击岩层，从而达到持续钻
作者简介： 方明顺（1964－ ），河南焦作人，河南理工大学毕业.
（5）操纵阀集中操作的液压系统；
责任编辑：马宝玲 收稿日期：2010－09－20
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第 32 卷第 03 期
冲击-回转钻进工艺在超硬岩层中的应用— ——李彦明
Vol.32No.03
0 前言
硬质合金切削刃破岩的位置，如果转速过慢，切削
Key words： impact-rotary drilling； drilling machine； air operated impactor； bit pressure； revolving
speed； barometric pressure； flow rate
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
为了解决松藻煤矿钻孔施工的难题 ，重庆分院 外， 无论是选用 ZY-650 型钻机施工还是选用 ZY-
提出采用冲击+回转的钻进工艺进行施工， 具体的 1250 型钻机 施工，在该 矿的地质条 件下，钻机的 转
施 工 方 法 是 在 松 藻 煤 矿 原 有 钻 机 的 基 础 上 配 备 气 速 应 调 低 ， 限 定 为 40~60 r/min， 钻 压 限 定 为 4~6
第 32 卷第 03 期 2011 年 03 月
煤矿机械 Coal Mine Machinery
Vol.32 No.03 Mar. 2011
冲击-回转钻进工艺在超硬岩层中的应用
李彦明 （煤炭科学研究总院 重庆研究院， 重庆 400037）
摘 要： 阐述了冲击-回转钻进工艺的原理，分析了影响其钻进效率的几个工艺参数，列出了 选用此工艺施工所需的设备。 通过气动冲击器在重庆松藻煤矿的应用，证明了在超硬岩层或复杂 岩层中钻进时，采用冲击-回转钻进工艺不仅效率高，而且成本更低。
高，以达到密封混凝土的作用，架与架之间的间隙 立柱升起顶在顶板上，以达到支护的结果。
采用橡胶板密封；液压操纵阀控制，进液、回液均为 3 膏体充填支架应用效果
液压控制，有效地达到支护和填充料的密封和自动
膏体充填支架已在焦煤集团鑫朱春矿使用，提
推移。 设计并安装 5 根 准63 推移油缸，行程 400 mm；
岩的作用，钻压可选用 4~6 kN。
钻进，因为中间需要穿过几层岩层，所以钻头的损
（2）转速
耗比较大，钻进成本很高。 此外，该矿在施工电缆孔
在冲击-回转钻进时， 回转的目的是为了改变 等工程孔时 ，需进行 2 次 钻 进 ，先 是 用 准65 胎 体 式 211
Vol.32No.03
冲击-ຫໍສະໝຸດ Baidu转钻进工艺在超硬岩层中的应用— ——李彦明
复杂地层容易产生钻孔弯曲。 而冲击-回转钻进工 艺不仅可以有效地钻进超硬岩层和复杂地层，还由 于钻进中所需的轴向压力较小，转速较低，所以钻 孔不易弯曲，孔内事故也较少，原材料的消耗低，是 当前一种现实可行的高效、优质的钻进工艺技术。 1 钻进工艺概述
回转钻进技术是切削刃在轴向压力作用下，克 服岩石抗压阻力，切入岩石，同时靠回转力剪切刃 前岩石而达到连续破碎岩石的结果。 如图 1 （a）所 示，为产生较大的切屑和较高的钻速则必须增大轴 向压力。
动冲击器进行钻孔，使用的钻机为重庆煤科院生产 MPa，旋转压力限定在 3~5 MPa。
的 ZY -650 和 ZY -1250 型 ， 冲 击 器 为 SPM80 和 4 结语
SPM90 型。 其中，在二区+100N3# 位置用 ZY-650 钻
（1）冲 击-回 转 钻 进 工 艺 有 机 地 综 合 了 冲 击 钻
LI Yan-ming （Chongqing Branch of China Coal Research Institute, Chongqing 400037， China）
Abstract: The principle of the impact -rotary drilling technology is introduced，and some technology parameters which effect are analysed. The advanced efficiency are analysed. The equipments when using this technology are tisted. By the application of the air operated impactor in the Songzao coal mine,it proved that using the impact-rotary drilling technology drill the superhard rock or the complex rock not only the efficiency is high but also the cost is lower.
第 32 卷第 03 期
复合片钻头钻穿岩层，然后再用 准94 复合片钻头进 的影响很大。 二区+100N3# 的气压较为稳定（0.7 MPa
行扩孔（电缆孔设计孔径不小于 准90），所以 工艺复 左右），进尺速 度比较均匀 ；而 一 区+5N4# 的 气 压 变
杂，施工周期较长。
化较大（0.5~0.7 MPa），进尺效率明显低于前者。 此
目前，我国煤矿井下各种钻孔的施工大多采用 刃将打入先前冲击过的坑穴中，从而引起钻头回转
回转工艺钻进，而当钻遇超硬岩层（f>15）或 软硬交 受阻，使钻进效率降低。 如果转速过快，钻速不会增
错复杂地层时，回转钻进效率低、钻头寿命短、孔内 加，反而会导致切削刃过早磨损。 因此，转速是否合
事故增多、原材料的消耗较高，特别是在软硬交错 理将直接影响钻速和钻头寿命。 合理的转速
在冲击钻进中， 切刃是靠冲击作用切入岩石， 如图 1（b）所示，其骤加 的冲击载 荷，使局部应 力集 中，应力还来不及重新分配就达到岩石的强度极限 值，而发生脆性破碎。 在冲击钻进中影响碎岩效率 的因素是冲击功和冲击频率。
冲击-回转钻进技术有机地综合了冲击钻进 （单次破碎岩石作用）和回转钻进（连续破碎岩石作
（a） 回 转 钻 进
（b）冲击钻进 （c）冲击回转钻进
1. 空压机 2. 油雾器 3. 水辫 4. 钻机动力头 5. 孔口除尘装置 6. 冲
图 1 冲击回转钻进与冲击钻进、回转钻进的碎岩比较示意图
击器 7. 钎头
2 冲击-回转钻进工艺参数及设备
钻机主要是向气动冲击器提供轴向压力和回
本文以气动冲击-回转钻进工艺为例，详细阐述 转压力； 空压机提供压缩气体以产生冲击动力；油
用），如图 1（c）所示，其原理是在钻头承受一定静载 荷 Pj 的基础之上， 以纵向冲击力 Pc 和回转切削力 M 共同破碎岩石。 比较适用于粗颗粒的不均质岩
连接示意图如图 2 所示。
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层，在 f=12~18 的岩石中钻进效果尤为突出。
Pj
Pc
M
Pc Pj M
43
1
2
图 2 冲击-回转钻进工艺设备连接示意图
机配备 SPM90 冲击器施工电缆孔， 从 2010 年 1 月 进（单次破碎岩石作用）和回转钻进（连续破碎岩石
12 日到 1 月 18 日，成功施工 3 个 56 m 深的电缆孔， 作用）的优点，适宜钻进超硬岩层和复杂岩层；
耗费 90 钎头 1 个，而松藻煤矿采用原工艺施工电缆
（2） 气 动 冲 击 器 在 钻 进 时 受 钻 进 工 艺 参 数 的 影
其优点：液压控制自动程度高，进液、回液均为
（6）密封拉紧装置并带自锁功能。
液压控制，有效地达到支护和填充料的密封和自动
如图 1 通过操纵阀将立柱 2 升起， 并带动调整
推移。
框 5 和密封橡胶板 6 一起升起，达到所需的位置后，
本设备适用充填模板支架推移支护，采用集控 通过混凝土泵将填充料打入采空区内， 填充料充满
击能量的传递条件。 但是，随着钻压的增加，切削刃 进的目的。
的单位进尺磨损量也增加，故为了减少切削刃的磨 3 气动冲击-回转钻进工艺在煤矿井下的应用
损，钻压不能过大，但又必须克服冲击器的反弹力。
重庆松藻煤矿井下地质条件十分复杂，该矿目
对于坚硬和研磨性较大的岩石，应充分发挥冲击碎 前在钻进瓦斯抽放孔时均采用胎体式复合片钻头
n= 60fδ πD
式中 D— ——钻头平均直径，mm； δ— ——最优冲击间隔，mm； f— ——冲击器冲击频率，Hz。
（3）气体流量和压力 气体的流量是冲击钻进的一个重要参数，因为 它不仅影响洗孔的质量，而且直接影响冲击器的冲 击功和冲击频率，从而影响钻进效率。 对于气动冲 击器钻进，因为钻进速度快，单位时间内产生的岩 屑量大且岩屑重，故需要的风量较大。 从气动冲击器的工作要求来看，工作风压要大 于上、下配气室的压差，冲击器活塞才能作上下往 复运动。 目前国内生产的冲击器有 3 种：低风压冲 击 器 ，压 力 0.5~0.7 MPa；中 风 压 冲 击 器 ，压 力 0.8~ 1.1 MPa；高风压冲击器，压力＞1.2 MPa。 冲击-回转钻进工艺的设备主要有钻机、 空压 机、油雾器、孔口除尘装置、气动冲击器及钎头等，
2 根 准100 推移油缸间距为 250 mm， 行程 450 mm； 准100 推移缸行程 1 000 mm；双向锁 DXSS10-00；操 纵阀 ZCFD5A； 高压胶管管径 准10； 泵站压力 31.5 MPa；流量 200 L/min。
密封板拉紧装置主要结构形式： （1）充填模板及推移通过底托架连为一体； （2） 底 托 和 支 护 结 构 形 式 和 模 板 结 构 形 式 为 框 架式;