项目概述
该金矿区位于地质构造复杂的区域，地层坚硬，断裂构造复杂，给钻探作业带来了巨大挑战。矿区内几个主要构造带影响着金矿的分布和连续性，导致矿体主要呈脉状或透镜状。
该矿目前处于大规模生产阶段。随着采矿作业不断深入，通风不足、地下温度升高、有害气体积聚等问题日益突出。这些因素对通风孔建设提出了更高的要求，以确保安全的工作环境和稳定的生产效率。
金矿开采中通风孔建设的必要性
在该金矿项目中，通风孔的建设对于确保安全生产和提高作业效率至关重要。随着采矿深度的增加，地下会产生大量粉尘和有害气体，例如一氧化碳和二氧化碳。通风孔为及时排放这些污染物提供了有效的通道，显著改善了地下空气质量，为矿工创造了更安全的工作环境，同时降低了职业病和瓦斯事故的风险。
从作业角度来看，有效的通风有助于降低地下温度，最大限度地减少因过热导致的设备故障。稳定的气流条件能够保障钻探和采矿设备的可靠运行，提高作业连续性，并提升整体生产效率。因此，精心设计的通风孔建设对于矿区的长期、安全和可持续发展至关重要。
通风孔施工的技术要求
为保证钻孔质量、长期稳定性和有效通风性能，对通风孔施工规定了以下技术要求：
- 套管安装：在井口段采用无缝钢套管。根据钻井深度和地质条件调整套管长度，以确保井眼在地表和浅层段的稳定性。
- 通风管道规格：根据设计的钻孔深度选择和制备双金属复合通风管道，以确保足够的强度、耐腐蚀性和使用寿命。
- 钻孔扩孔和清理：水泥浆凝固硬化后，及时进行钻孔清理，以清除残留物，保持良好的气流条件。
- 套管段灌浆：套管与井壁之间的环形空间采用 325 级水泥砂浆进行密封，以增强结构完整性并防止空气泄漏。
- 环形间隙填充：钻孔与通风管之间的环形空间用钻井泥浆填充，以确保良好的密封性和管道的稳定定位。
- 孔径偏差控制：严格控制钻孔倾角，偏差保持在 1% 以内，以满足通风设计和安装要求。
通风孔钻孔的关键挑战
由于孔径大、钻孔深度深以及现场条件复杂，本项目通风孔钻孔面临多项技术和操作方面的挑战：
- 大直径深孔钻探：大孔径和显著的钻探深度相结合，增加了钻井阻力、工具负载和整体施工难度。
- 高垂直度要求：为了满足通风设计标准，需要严格控制钻孔偏差，因此在整个钻井过程中，对准性和稳定性至关重要。
- 严格的密封要求：对钻孔与通风管道之间的环形空间的密封提出了高标准，以防止空气泄漏并确保长期通风效率。
- 复杂的岩层：岩石强度和裂隙带的变化增加了钻井难度，要求稳定的钻井性能和可靠的岩屑清除。
- 通风管道安装与连接：通风管道的安装与连接需要高精度和协调性，尤其是在深井条件下。
- 操作技能要求高：设备操作技术要求高，对操作人员的经验、设备控制和现场协调能力提出了更高的要求。
施工准备和设备配置
施工准备
钻井作业前，压缩空气管道、电力电缆及相关公用设施已在施工现场全部连接完毕。设备根据现场情况进行了合理布置，以确保作业顺利进行和安全通行。人员部署、钻井工具和施工材料也已提前准备就绪，以满足项目需求。
根据所用设备的类型和数量，选择了合适的主变压器容量。根据现场布局安装了配电箱，以确保整个施工过程中所有钻井设备的稳定供电和可靠运行。
设备和工具配置
为满足大直径、深通风孔钻探的要求，现场部署了以下设备和工具：
- 钻井平台：
SPC-400型车载钻机 – 1台
- 空气压缩机：
1200XXH 空气压缩机 – 2 台
- 钻杆：
直径 89 毫米钻杆 – 250 米
- 钻铤：
Ø156毫米钻铤 – 50米
- DTH钻头：
直径 311 毫米 – 2 个
直径 256 毫米 – 3 个
SPM360 – 2 套
JWD200-0 – 2 套
- 偏差测量设备：
陀螺仪倾角仪 JTL-40GX-E – 1 套
钻井过程和技术参数
钻井过程
通风孔的施工遵循标准化、严格控制的钻孔工艺，以确保钻孔质量、垂直度和密封性能：
施工准备→钻孔定位→设备安装→控制点验证→钻井口→安装表层套管→套管外水泥灌浆→贯通作业→气动潜孔锤钻井→钻孔偏差测量→安装通风管→环空密封→钻井口密封→最终检验验收。
该流程确保了钻孔、套管、灌浆和管道安装之间的顺利协调，同时在整个项目中保持了施工安全和质量控制。
钻孔结构设计
根据地质条件和钻井要求，采用了阶梯式钻孔结构：
- 从井口到大约 12 米处，在到达坚实的基岩之前，使用 Ø311 毫米气动潜孔锤进行钻孔，以确保覆盖层和断裂带的稳定性。
- 在完整的基岩段，继续使用 Ø256 毫米气动 DTH 锤进行钻探，在钻井效率、钻孔稳定性和垂直度控制之间取得平衡。
该结构有效降低了钻井风险，同时优化了不同地层的钻井性能。
钻井工具连接
为了适应不同的地层条件，钻井作业中使用了不同的钻井工具组合。
1. 钻铤和覆土钻探组件
- Ø311 毫米 DTH 钻头
- Ø220 毫米潜孔锤
- Ø311毫米稳定器
- Ø156 毫米重型钻铤
- Ø89毫米钻杆
- 驱动杆
这种结构在钻取大直径钻杆时提供了足够的刚性和稳定性。
2. 基岩钻探组件
- Ø256 毫米 DTH 钻头
- Ø220 毫米潜孔锤
- Ø256 毫米导向稳定器
- Ø156 毫米重型钻铤
- Ø89毫米钻杆
- 驱动杆
优化后的钻具组合确保了在坚硬完整的岩层中实现稳定的钻进、有效的偏差控制和一致的钻井性能。
气动DTH锤参数选择
正确选择和控制气动潜孔锤参数对钻井效率、井眼质量和长期通风性能至关重要。本项目参数优化主要集中在钻井压力、转速、空气流量和空气压力方面。
咬合重量 (WOB) 控制
钻井压力是根据气动潜孔锤的直径来控制的。通常情况下，潜孔锤直径每增加1厘米，施加的钻井压力就增加约0.5～0.8千牛。具体调整则根据地层条件而定。
在钻探相对较软的岩层时，适当降低钻井压力，以防止钻头卡住、过度磨损或井眼偏移。
旋转速度控制
旋转速度的设定旨在确保最佳冲击间隔，从而实现有效的岩石破碎。根据现场经验和地层特征，旋转速度控制在10～20转/分范围内，以兼顾钻进效率和钻孔稳定性。
空气量控制
控制空气供应量以满足两个主要要求：
- 确保 DTH 锤头有足够的能量进行操作，并能通过钻杆和井壁之间的环形空间有效清除切屑。
所需空气量按以下公式计算：
Q≥50K1K2π(D+d)v4
在哪里：
- Q — 空气压缩机流量（立方米/分钟）
- v——岩屑回流速度，通常为15–25米/秒
- D — 钻孔直径（毫米）
- d — 钻杆外径（毫米）
- K₁ — 孔深修正系数
- K₂——孔内含水空气体积修正系数
该计算确保了深孔钻探过程中锤击器的稳定运行和岩屑的有效清除。
气压控制
DTH锤钻过程中的气压控制考虑了多种因素，包括岩石破碎要求、岩屑排出效率以及管道阻力和气流循环造成的额外压力损失。
较高的气压可以提高潜孔锤的效率，尤其是在深孔钻探中。随着钻孔深度的增加，气压也相应调整。施工过程中，持续监测气压表，实时评估锤体性能和钻孔状况，以便及时调整，保持稳定运行。
通风管外部钻孔密封
为了延长通风孔的使用寿命，并方便将来更换通风管道，实施了全长钻孔密封。
在基岩段，使用钻井泥浆密封钻孔壁与通风管之间的环形间隙。
在套管和管箍部分，采用水泥砂浆进行密封，以增强结构强度和气密性。
这种密封方法确保了长期稳定性，最大限度地减少了空气泄漏，并提高了整体通风效果。
通风孔施工的技术措施
钻井关键操作技术
为确保钻井作业稳定、井眼质量良好、设备可靠性高，通风孔施工过程中采用了以下操作技术：
- 逐步增加气压：钻井初期，严格控制气压。稳定钻进数米后，逐步增加气压，以提高钻速和钻井效率。
- 最佳工作气压：气动潜孔锤在合适的气压范围内运行。气压过高会缩短锤体及相关设备的使用寿命，而气压不足则会降低岩石破碎效率并加速锤体磨损。
- 定期清孔：钻井过程中，潜孔锤定期从孔底抬起一段距离，以便有效清除钻屑。此举可防止钻屑堆积，减少钻柱磨损，最大限度地减少环空堵塞，并确保钻井顺利进行。根据需要调整风量和气压，以保持高效的钻屑排出。定期分析返回的钻屑，以评估岩层状况和钻井性能，从而及时调整钻井参数。
- 不稳定地层监测：在易发生坍塌的地层钻探时，需格外注意。密切监测井眼状况，并及时调整钻井参数以保持井眼稳定性。
- 钻杆连接管理：添加钻杆时，确保钻杆内部通道畅通无阻，以保持气流顺畅。这可以防止异物进入潜孔锤，避免设备损坏或计划外停钻。
- 可控加杆程序：每次加杆前，先将钻孔内的岩屑完全排出。然后逐渐减少并关闭空气供应，之后再连接下一根钻杆，以防止岩屑回流至锤头并造成堵塞。
- 禁止反向旋转：严禁钻柱反向旋转，以防止螺纹松动或工具脱钩，从而避免井下事故。
钻孔垂直度控制措施
保持钻孔垂直度是通风孔施工的关键要求。为确保钻井过程中偏差控制，采取了以下措施：
- 钻机对准和校准：在钻井前，使用测量仪器调整设备的水平度和垂直对准，以确保钻孔定位准确。
- 控制钻铤钻进：在钻铤过程中采用低转速和低气压以确保垂直度。钻进过程中，密切监测钻杆对准、孔径和深度等井眼参数。根据地层条件调整钻速和钻压。采用底部加重钻铤，并在锤头上下方设置稳定器，以引导钻柱并保持垂直度。
- 针对不同地层的钻井策略：在硬岩地层中，采用高频潜孔锤冲击法来提高岩石破碎效果；在软岩地层中，则需严格控制钻速以防止井眼坍塌。
- 定期偏差监测：每隔 50 米测量一次钻孔偏差。如果偏差超过允许限值，则立即调整钻井参数，并采取纠正措施使钻孔回到容差范围内。
气动潜孔锤钻机技术的优点和缺点
气动潜孔锤钻机的优势
该金矿区的实地实践表明，与传统的旋转钻孔方法相比，气动潜孔锤钻孔技术具有显著优势：
- 钻井效率显著提高
气动潜孔锤钻井技术可显著提高钻速和钻井效率，在确保高质量钻孔的同时降低钻井成本，具有显著的技术和经济效益。
- 减少对环境的影响
空气被用作排屑和钻头冷却的循环介质，无需使用钻井泥浆。这避免了泥浆泄漏和对地下地层及地表环境的污染。该钻井方式占地面积小、钻井周期短、对地表植被的影响极小，是一种环境友好型钻井方法。
- 适用于缺水地区
气动潜孔锤钻井特别适用于供水有限的地区，因为它不依赖泥浆循环。
- 更好的井眼垂直度控制
锤子的高频冲击力可破碎孔底岩石，对钻孔偏差的影响极小，有助于保持钻孔垂直度。
- 减少钻孔坍塌
气动潜孔锤钻井可以降低井壁坍塌的风险，提高井眼稳定性。
- 在复杂阵型中有效
气动潜孔锤钻机适应各种地质条件，能够缩短工期，提高钻孔质量，并增强复杂岩层环境下的作业安全性。
气动潜孔锤钻机的局限性
虽然气动潜孔锤钻井具有效率高、钻孔质量好的优点，但也存在一些局限性：
- 有限的压力平衡和井眼稳定性控制
由于空气被用作循环介质，空气潜孔锤钻井在平衡井眼压力和稳定井壁方面效果较差，限制了其在某些地层中的应用。
- 空气量显著下降
实际上，钻孔中经常会出现裂缝和空隙，导致大量空气损失，降低钻井效率。
- 高设备要求
这项技术需要高性能设备，例如高压空气压缩机和冲击锤。它要求精确匹配气压和风量等参数，这增加了施工的复杂性。
- 更高的环境和地质要求
虽然气动潜孔锤钻机适用于多种地层，但在松散或未固结的上覆岩层中，可能会遇到钻孔收缩和坍塌等问题。在这种情况下，可能需要采取套管钻进等辅助措施。
高操作技能要求
该技术要求熟练的操作人员选择和调整钻井参数（气压、空气量、钻压等），以确保钻井效率和钻孔质量。
施工成果及性能评估
气动潜孔锤钻井与传统旋转钻井的不同之处在于其岩石破碎机制。本项目中，潜孔锤由压缩空气驱动。压缩空气通过钻杆传递至锤体机构，驱动锤体连续往复运动。锤体产生的动能转化为机械能，用于破碎岩石。作业过程中，气动潜孔锤对孔底岩石施加高频冲击，同时最大限度地减少与井壁的接触和磨损。这降低了因地层倾角或机械干扰导致的井眼偏斜风险。
项目绩效结果
本项目两个通风孔的施工总工期为1.5个月，平均钻孔速度达到4米/小时。与传统旋转钻孔相比，气动潜孔锤钻孔法在相同孔径下穿透速度提高了5～6倍，钻孔效率显著提高。
由于潜孔锤的钻孔压力相对较低且转速较慢，钻孔偏差控制更容易，从而保证了通风管道的顺利安装。采用气动潜孔锤钻孔技术后，平均钻孔速度显著提高，日钻孔深度增加，通风孔施工总耗时大幅缩短。这表明该技术在提高钻孔速度、显著提升施工效率和缩短工期方面发挥了关键作用，从而为采矿作业争取了更多时间。
经济和质量效益
使用潜孔锤钻具有显著的经济优势：
- 施工效率高，项目周期短
该技术缩短了钻孔时间，最大限度地减少了材料消耗，并带来了明显的经济效益。
- 钻孔质量高，一次完工
大直径钻孔一次完成，钻孔完整性可靠。
根据对两个通风孔施工成本的分析，综合钻孔成本为425元/米。潜孔锤钻的钻孔效率和成本效益比传统旋转钻孔高3～4倍，表明在本工程中，气动潜孔锤钻法在通风孔施工方面具有显著的经济效益。
结论
在该金矿区通风孔施工中应用气动潜孔锤钻技术，已被证明是行之有效的。该方法显著提高了钻孔效率，保证了钻孔质量，并有效控制了钻孔偏差。与传统旋转钻孔相比，气动潜孔锤钻法显著提高了钻速，缩短了整体施工周期，具有显著的技术和经济效益。
此外，气动潜孔锤钻法具有环境友好、用水量少、适应复杂地质条件等优点。该技术在本项目中的成功应用，证明了其可靠性和在硬岩矿山环境中进行深孔通风钻孔的适用性。总体而言，气动潜孔锤钻法的应用显著提高了施工效率，提升了作业安全性，并为矿区的可持续发展做出了贡献。
