潜孔锤在硬岩钻进中的应用

潜孔锤在硬岩钻进中的应用

王科

（河南煤化集团城郊煤矿，河南永城476600）

摘要通过现场试验，得出了适用于井下破碎坚硬岩石钻进的潜孔锤风压、转速等性能参数，提高了钻进效率。实践证明，空气潜孔锤是提高破碎坚硬岩石钻进效率的有效途径。

关键词潜孔锤硬质砂岩钻进效率

中图分类号TD421．2+9文献标识码B

Application of DTH Hammer Drilling in Hard Rock

Wang Ke

（Lizuizi Coal Mine，Huainan Mining Industry Group Company．，Huainan232074，China）

Abstract Through the field test results，finding out the DTH air pressure，speed and other performance parameters applicable to broken hard rock to im-prove the drilling efficiency．Practice shows that the air actuated DTH hammer drilling is an effective way to improve drilling efficiency．

Key words DTH hammer hard sandstone drilling efficiency

潜孔锤钻进是继现代金刚石钻进之后新的钻进方法，它能较好的利用坚硬岩石脆性大而抗剪强度较低不耐冲击的弱点，在破碎较坚硬石英砂岩中比现有的旋转钻进的效率有着更好的提高，钻头的使用寿命得到了数倍的提升，降低了钻孔的单进成本［1－3］。

1潜孔锤工作原理

潜孔锤由接头、冲击器缸体组件和钻头三大部分组成。由中空钻杆来的压气经过接头、逆止阀进入进气座的后腔，然后压气分为两路运行，一路经过气座的中心孔道和节流塞进入活塞和钻头的中心孔道至孔底，冷却钻头和清除岩粉；另一路进入外缸和内缸之间的环形腔体，此腔作为活塞运动时的进气室。当进气室的压气经内缸上的径向孔和活塞上的环形气槽引入内缸的前腔时，活塞开始做回程运动。当活塞移至关闭其进气气路时，活塞靠气体膨胀运行，而当前腔与排气孔路相通时，活塞靠惯性运行，直至停止，而后作冲程运动，其冲程与回程中都有压气直接推动活塞运动、压气膨胀做功、活塞惯性滑行三个阶段，以使得活塞有较大的冲击能量。

2硬质砂岩潜孔锤/液压回转钻进试验

2．1试验方案

试验现场的岩石普氏系数在3 5之间，特制定如下试验方案：钻杆为单壁钻杆，单根钻杆长度0．8m，钻头直径110mm，拟采取潜孔锤反循环钻进工艺。试验选用不同的钻压、钻速等参数进行试验，在指定的钻进时间结束时，根据观测数值及钻头磨损情况，确定出最

*收稿日期：2011－10－10

作者简介：王科（1986—），男，汉族，河南西峡人，2009年毕业于安徽理工大学，从事岩巷技术管理工作。优钻压、钻速等参数。

2．2工作气体压力

确定工作气体压力，既要考虑使用场所的条件及操作方式，又要考虑到设备的制造与供应情况，如潜孔锤工作压力、管道压力损失、孔内压降等。根据试验内容及矿井工作条件，并参考国际标准（ISO5941－1979）的规定（如表1），确定工作气体压力为0．5MPa。

表1气动工具和气动机械有效设计压力

优化设计

压力（MPa）

典型应用场合举例备注0．4

矿用凿岩机，汽车修理用气钻

或小型工厂用油漆，喷枪

0．63

通用凿岩石机，道路施工及建

筑用设备，各种用途的气动马

达，批量用油漆喷枪

目前国内潜孔冲

击器仍用此登记，

多为0．5 0．

6

MPa

1．0批量生产用喷枪，潜孔冲击器

1．6重型潜孔冲击器

2．5以后使用美国已用于潜孔冲击器上

2．3回转速度

潜孔锤钻进时，钻头每冲击一次只能破碎一定范围内的岩石，钻具旋转的目的主要是改变钻头刃具的冲击位置，使两次冲击所产生的破碎相隔一定的距离并连接起来形成破碎的整体性。当钻具转速过高时，在两次凿痕之间会留下一部分未被冲击破碎的岩瘤，使回转阻力增大，钻具震动变剧烈，钻头磨损加快，不仅降低了钻进速度，而且容易造成夹钻事故；当转速过低时，则可能产生重复破碎现象，不能充分利用钻头的冲击能量，同样降低了钻进速度。不同转速钻进试验结果如表2所示。（下转第68页）

程控制器，应用PROFIBUS －DP 现场总线技术，使控制系统简化，维修方便，提高控制精度及安全可靠性。

PLC 包括主机架，电源模块、CPU 模块，高速计数器模块，模拟量I /O 模块，数字量I /O 模块等，主PLC 对整个系统的工作进行控制和管理，并执行正常的操作程序，接受并生成开车信号和方向信号，实现各种故障保护及闭锁。同时还具有与上位机的通讯功能。

主、副PLC 可实现双线制保护，对影响提升运行的关键信号（如速度、容器位置、减速、过卷等）均采用双重保护，互为监视，具有全行程速度和位置保护功能

。

图1转子变频器原理图

4转子变频调速工作原理

将6kV 绕线电机定子短接，转子侧接入变频器（如图1

所示）。变频器先将工频交流电源通过整流/回馈单元变成直流，然后经过逆变单元将直流变成可控频率和可控电压的交流，向转子提供0 50Hz 变频电源。通过频率的变化调节电动机转速。5经济效益和社会效益

5．1

经济效益

（1）通过电表计量可知，原老系统平均每月电耗8万kWh 。采用新系统平均每月电耗6．4万kWh ，每月可省电1．6万kWh 。全年可节省19．2万kWh ，按每kWh 0．52元计算，年可节省电量约10万元。

（2）由于采用新系统，电气元件可靠性高，易损件少，

年节省材料、配件费约2万元。5．2

社会效益

（1）转子变频调速系统不仅使电控系统装备水平得到提高，而且安全可靠性大大增强，保证了提升机的安全运转。

（2）电控设备柜式封闭结构，PLC 无触点控制，采用进口继电器，降低了噪声。

（上接第66页）

表2

不同转速钻进试验结果

钻头直径（mm ）回转转数（r /min ）钻进时间（h ）钻进深度

（m ）备注1107032．2钻头报废1105032．2钻头磨损严重110

30

2．5

2．2

磨损情况正常

回转速度经验公式：n =（6500/D ）0．78－0．95

式中：D －钻头直径；

n －回转速度。

表3

不同轴推力钻进试验结果

钻头直径（mm ）轴推力（kN ）

备注

11028

钻头部分震动过大，钻头报废11020钻头部分震动过大，磨损严重11015钻头气室弹簧损坏，无法工作11010钻头气室弹簧损坏，无法工作1109钻头震动幅度稍微减弱，钻头磨损严重

1107钻头震动情况有明显改善，钻头磨损度降低

1105钻头震动情况有明显改善，钻头磨损度降低

1104钻头震动情况有明显改善，钻头磨损度降低

110

3

冲击器不工作，钻进无法进行

钻头回转速度理论值在24 48r /min 范围内，结

合现场试验结果确定转速在24 30r /min 范围内较为

合适。

2．4轴推力

轴推力过大，不仅容易产生剧烈震动，而且还会加速硬质合金的磨损，使钻头过早损坏；轴推力过小则钻头不能与岩石很好地接触，影响冲击能量的传递，甚至导致冲击器不能正常工作。在不同的地层情况下轴推力也需要做相应的调整，软岩的抗破碎强度较低，回转剪切作用随钻压的加大而增加；而硬岩的抗破碎强度较高，岩石的破碎基本上是在冲击载荷的作用下进行的，受轴推力的影响很小

。根据现场试验结果，确定轴推力大小在5kN 左右较为合适。3

结语

通过不同转速和轴推力潜孔锤钻进试验，得出在破碎硬质砂岩地质条件下正常钻进的潜孔锤工作气体压力0．5MPa 、回转速度24 30r /min 、轴推力5kN 较为合适。试验结果为潜孔锤/液压回转钻进技术的进一步实施取得了一些初步经验。参考文献：

［1］冯涛，朱玉新．浅谈钻进过程中空气潜孔锤的使用［J ］．中州煤炭，

2009（9）：81 83［2］袁新民．潜孔锤钻进工艺及技术问题探讨［J ］．中国煤田地质，2007（6）：76 78

［3］刘景辉，谭效林，路庆海，赵联忠．空气潜孔锤钻进是提高钻进效率的有效途径［J ］．中国煤田地质，

2009（3）：63 65