反井钻机施工工艺.doc

洒西轿顶山矿区主溜井430米,从一般的方法掘进,安全进度存在重大的困难,为保证安全和进度考虑,多方了解,引进反井钻工艺,中煤集团的施工能力基本稳定,钻机型号BMC400、电压380V、250KW、供水10-30m3/h、价格5000元/米。施工从10月4日开始开钻导孔孔径270mm,偏移角2,11月18日完成扩孔到1.4M,现已完成210米,平均每天18-20m实际15m/d。工期三个月完成任务,从主溜井、斜井施工可进行推广。 第一章 反井钻机选择 煤矿、金属矿和非金属矿、水电站和蓄能电站、人防工程、交通、铁路和隧道、军事工程等地下工程施工环境、工程参数（深度、直径和倾角等）、地质条件（岩石岩性、硬度、抗压强度、构造等）千差万别；如何正确地配备合适的施工机具、制定先进的施工工艺、合理选择各种参数、落实可靠的安全措施是反井钻井施工成败的关键。 第一节 反井钻机选型 1． 设备选择的依据 根据竖井或斜井施工的综合条件，在确定采用反井钻井法施工后，即要开始选择反井钻机和配套设备及工艺选择。选择设备主要依据是 （1） 工程条件。主要包括工程性质、用途、主要技术参数（井孔深度、终孔直径、井孔倾角度等）、相关工程状况。根据施工井筒的深度和倾角等要求，结合现有设备及市场情况确定钻机。 （2） 地质条件。包括岩石的物理力学性质、岩体产状、主要地质构造及参数、水文地质条件等。对于深孔、斜孔，应有钻孔位置的勘探孔资料和地质柱状图。根据施工井位的地质构造及岩性，确定冲洗液为泥浆或清水，从而选择用泥浆泵或水泵。 （3） 施工条件。运输条件，吊装条件以及供电、供水情况。根据井位供电、供水、运输及井位下水平巷道开通情况确定钻机的类型。一般在井位处应有供电、供水，具有钻机工作空间，在下水平巷道开通的情况下，选择上扩法施工，应选择上扩类全断面反井钻机。在煤矿多选择电驱动液压反井钻机。 2． 可行性分析和风险评估 对工程施工条件进行分析，包括上下水平隧道是否形具有运输、出渣、供水、供电、通风等生产系统； 对地质条件进行分析，分析围岩在反井钻井施工过程中和扩孔期间能否稳定，不发生较大的涌水和塌方，造成钻孔堵塞和下部设施淹没。因为在反井施工期间，无法进行支护，若围岩不能自稳，发生塌方，将会堵塞钻孔，造成事故； 对施工位置安全状况进行分析，包括交通运输、通风、隧道支护情况及稳定情况、洪水、有害气体等是否对施工人员和设备伤害程度。 综合以上分析，以确定是否具有采用反井钻机施工可能。 3． 反井钻机选择 3.1 钻孔参数的确定 工程本身已确定了钻孔深度和倾角，还要确定扩孔直径。钻孔的作用是溜渣、排水、通风，因此要有足够的断面强。需要再扩挖（刷大）的工程，扩挖期间不发生堵塞。扩孔直径太小，除了容易发生堵塞外，还增加了扩挖时打眼和出渣工作量，降低扩挖速度。导井直径过大，反井钻井施工成本增加，因此，钻孔直径选择必须合理，一般钻孔直径选择如表4-1。 表 4-1 钻孔直径选择参考 开挖直径（m） 通风井等偏斜精度要求低的工程 井筒、压力管道等偏斜精度要求高的工程 7 导井直径2m后扩挖 导井直径2m后扩挖 3.2 选择破岩滚刀 反井钻机靠滚刀对岩石的挤压、刮削和剪切破碎岩石，根据岩石的矿物构成、硬度、磨蚀性以及抗压、抗拉、抗剪等力学指标来确定滚刀齿形类型，选择如下 岩石的磨蚀性低→中→高； 硬度软→中硬→坚硬 齿形楔齿→锥形→复合型→球形； 滚刀结构单刃盘形滚刀（无镶齿）→多刃盘形滚刀（刀刃上镶齿）→无刃滚刀（刀体锥面镶齿）。 反井钻机滚刀选择后，根据岩石条件在扩孔钻头合理布置滚刀，也就可以确定，破碎岩石需要的最大钻压。 如在抗压强度100MPa的岩石中，钻进深度200m、直径1.4m的钻孔，在扩孔钻头上需要布置6把中硬岩滚刀，每把滚刀需要约30kN破岩压力，整个钻头的破岩钻压180kN。 3.3 钻杆选择 钻杆包括普通钻杆、稳定钻杆、接头钻杆，选择钻杆时要满足拉力和扭矩共同作用下的强度、刚度要求，同时要达到一定的抗疲劳破坏能力，钻杆连接丝扣要有通用性和互换性。钻杆选择完成后，钻杆的重量是影响钻机选择的因素。如有效长度1.0m、外径182mm的钻杆，重量约155kg。稳定钻杆和接头钻杆外径，要予导孔钻头外径匹配。 3.4 反井钻机的选择 首先根据钻孔深度、钻孔直径，初步选择相应的反井钻机，然后对钻机的主要技术参数进行验算 实际工作拉力动力头重量扩孔钻头重量钻杆重量最大钻压 实际工作扭矩破岩阻力矩摩擦阻力 如在抗压强度100MPa的岩石中，钻进深度200m、直径1.4m的钻孔，可以初步选择LM－200型反井钻机（其参数前面以作说明），进行钻机拉力和扭矩验算 实际工作拉力＝40kN（动力头及油缸重量）＋25kN（扩空钻头重量）＋200m155kg9.8（重力加速度）/1000＋180kN（钻压）＝548.8kN 扭矩 一般要求实际工作拉力不超过钻机设计最大提升力的60，扭矩不超过设计最大扭矩的60。在本例中LM－200型反井钻机最大拉力为850kN，实际工作拉力/最大拉力比是64.5％，LM－200型基本上满足工程要求，但也可以选择更大的型号的反井钻机。 第二节 辅助设施选择 1. 导孔钻头选择 2. 循环液选择 3. 循环泵选择 4. 出渣设备选择 5. 电控设备选择 6. 冷却系统选择 反井钻井施工钻机稳装（固定） 反井钻机在开钻前，必须将其固定在基础上或钻进峒室中，以承受因钻进而产生的推拉力和扭矩，以防止机器偏移和振动，这种对钻机的固定方法称之为钻机稳装。 （1） 技术要求。选定钻孔地点后，按主机基础图进行基础施工。该基础必须水平，而且要有足够的强度。井字型框架在离扩孔直径的地基上用数根底脚螺栓紧固，螺栓紧固的形式可根据现场岩石（煤）情况而定，但每根螺栓的锚固力不得低于4t，螺栓与井字框架以及井字框架与钻机底脚板的连接必须紧固，基础混凝土厚度不得小于300mm，强度不得低于25MPa标准的强度。当钻机没有顶部支撑，则钻机的自重及钻机在作业中的反扭矩、反钻压全靠基础承受。基础的施工好坏直接影响成井质量，甚至造成钻机稳装失效，因此，基础的浮渣必须彻底清除干净，浇筑时必须捣固，仔细找平。对于井位是煤层或破碎地层及对井筒偏斜率要求较高的深井，应适当加大基础的面积和厚度，一般可将面积增至3.0m3.0m，混凝土基础厚度可增至0.8m以上。 （2） 注意事项。稳装的好坏对钻机工作十分重要。钻进时，如果稳装失效，往往会引起钻机偏移，机器振动急剧加大，钻进效率显著降低，严重时损坏钻杆、钻头以及钻机各部件，甚至迫使钻进中断。实践证明，为了不使钻机稳装失效，必须做好以下工作①安装钻机前的钻机基础准备工作，必须严格按照钻机基础设计施工，混凝土质量符合技术要求，底脚螺栓质量、基础井字框架质量必须在基础施工前做认真的检查，发现损坏的应及时更换，决不能敷衍凑数；②安装时，要按规定将所有紧固件固紧，特别是基础底脚螺栓与基础井字框架及基础井字框架与钻机底脚板上螺栓、螺母，一定要逐一检查紧固；③钻进工作开始后，当班辅助工要根据钻机的工作状况，经常注意检查关键性紧固件，发现稍有松动，务必及时紧固处理。 第三节 反井钻进工艺 一、 反井钻机工艺原理 反井钻进工艺（主要说明第一类反井钻机），包括导孔钻进和扩孔钻进。反井钻进工艺原理是通过钻机的电机带动液压马达，液压马达驱动水龙头，并利用液压动力将扭矩传递给钻具系统，带动钻杆及钻头旋转，导孔钻头或扩孔钻头上的滚刀在钻压的作用下，沿井底岩石工作面作纯滚动和微量滑移。同时，主机油缸产生的轴向拉、压力，也通过动力头、钻杆作用在导孔钻头或扩孔钻头上，使导孔钻头的滚刀在钻压作用下滚动，产生冲击载荷，使滚刀齿对岩石产生冲击、挤压和剪切作用，破碎岩石。被破碎的岩屑在导孔钻进时被正循环的洗井液冲洗，岩屑沿着钻杆与孔壁间的环形空间由洗井液提升到钻孔外。在扩孔时岩屑靠自重直接落到下水平巷道内，采用装岩机和运输设备及时清理运出。导孔钻进时钻杆不断加长，从上水平到钻透的下水平形成小直径（200～300mm）的钻孔。之后将导孔钻头卸下，装上扩孔钻头。扩孔钻进时不断拆下钻杆，直到钻杆拆完，扩孔钻头从下水平拉到上水平为止。例如，钻凿Φ1.4m的井孔时，只需先钻Φ216mm的导孔，直至导孔钻透下水平巷道，将导孔钻头在此卸下，接上Φ1.4m的扩孔钻头，再由下往上扩孔钻至上水平巷道即可。若需钻进Φ2.0m的井孔，再将Φ1.4m钻头下放到下水平巷道拆掉，接上Φ2.0m扩孔钻头，继续由下往上钻进，直至钻头露出。 好的反井钻机只是钻成高质量反井的必要条件，必须根据不同的条件确定不同的施工工艺。反井钻机功能主要考虑的是满足反井钻进推进和旋转的基本要求，以及其它方面的辅助工艺要求，还要由掌握工艺技术的人员实施，才能达到应有的效果。 可见，反井钻机在地下恶劣的环境、复杂的地质条件下钻进地下工程，不但需要有可靠的设备，而且需要有适合的钻进工艺，以便在达到一定的质量要求前提下，安全、高效、快速的完成施工任务。导孔的作用是将钻具下放到下水平，以便连接扩孔钻头。导孔破岩量虽然只占总破岩量的2.5或更小，但导孔钻进关系到钻孔的质量，是反井施工的关键。导孔的垂直度决定了钻孔的偏斜率；导孔钻进过程也是对地层探测的过程，可以了解岩石性质、地质构造等，对扩孔钻头破岩刀具的选择及工程支护方式的选择都有参考价值；还可以通过导孔，对稳定性较差的地层进行预加固处理。导孔钻进时一般要求推进速度较快、推进压力大（有时需要上拉）、转速高。反井钻机钻进导孔施工工艺见图4-1。 扩孔钻进过程是大量破碎岩石的过程，需要根据岩石条件选择破岩滚刀，布置扩孔钻头，制定相应的钻进参数。扩孔钻进一般要求推进速度较慢、推进力大（上拉力大）、转速低，以达到钻进效率最高。反井钻机扩孔施工工艺见图4-2。 图4-1 反井钻机导孔工艺 1- 动力水龙头；2- 钻杆；3- 导孔钻头；4- 从泥浆泵压入的泥浆； 5- 从环形空间返回的携带岩渣泥浆；6- 泥浆循环池；7- 泥浆泵 图4-2 反井钻机扩孔工艺 1- 扩孔钻头；2- 下水平巷道；3- 扩孔自由落下的岩渣 二、 钻进参数的选择 （1） 钻压 钻压是指钻机施加给破岩滚刀上的压力总和。但有效钻压应使岩石达到体积破碎，也就是能够达到合理的钻进速度（m/h）。 钻进导孔时，钻压是钻机对钻具的推力和钻具的重量之和。为了保证钻孔的垂直度，要恒压钻进。开孔时要以小钻压钻进，钻压的大小根据钻孔直径、破岩刀具类型、钻进速度和地质条件而定。不同类型的岩石所需要的钻压也不同，一般情况下，对松软地层和过渡地层岩石抗压强度低，应采用低钻压，对坚硬岩石和稳定地层宜采用高钻压。在导孔快要钻透时，应逐渐降低钻压。施工直径1.2m和2.0m的钻孔时，在不同岩石中，钻压和钻速的关系，可参照表4-1、表4-2所示。 表4-1 （D2 1.2m）钻速与钻压的关系 钻 速（mm/h） 钻 压（kN） 岩石抗压强度（MPa） 2500 2000 1500 1000 500 300 20 116.2 103.9 90.0 40 207.8 180.0 146.9 80 311.8 270.0 220.3 155.9 120 450.0 367.4 259.8 160 367.3 281.7 表4-2 （D2 2.0m）钻速与钻压的关系 钻 速（mm/h） 钻 压（kN） 岩石抗压强度（MPa） 2500 2000 1500 1000 500 300 20 205.5 183.8 159.2 40 367.6 318.4 249.0 80 477.5 389.9 120 649.8 459.5 160 643.2 498.3 （2） 转速 为了使岩石从岩体上破碎下来，必须使刀齿和岩石有足够的接触时间。因为钻进过程中，钻具的受力状况十分复杂，刀齿和岩石接触时间过短，破岩钻压主要消耗在使岩石发生变形，而使机械能损耗掉，只有适当的接触时间，破碎效率才高，所以转速应满足导孔钻进和扩孔钻进的需要。导孔钻进钻孔直径小，为提高导孔钻速和钻孔精度，需要转速高一些，采用三牙轮钻头，有相应的推荐转速范围，一般取推荐的下限。扩孔钻进时要考虑边刀的最大线速度和刀齿破岩需要和岩石接触的最短时间，转速要低一些，由于边刀自转速度限制，其大小主要根据扩孔直径确定。对于软岩滚刀刀齿接触时间可取小值，相反则应取大值。一般认为接触时间不快于0.02～0.03s之间比较适宜。对镶齿滚刀的转速（n），可用下式求得 式中 n转速，（r/min）； 滚刀大端半径，（cm）； 同一排齿上两齿之间的夹角（）； 破岩所需量的接触时间，（s）； Rb钻头半径，（cm）。 例如，当15cm，Rb60、70、100cm；0.02～0.03s，10～20时，其n值如表4-3 表4-3 不同钻头直径n值的变化 转速（r/min） 钻头半径（mm） 10 15 20 600 13～20 20～31 27～41 700 11～17 17～26 23～35 1000 8～12 12～18 16～24 （3） 钻速 钻速是指单位时间内钻进长度，包括导孔钻速和扩孔钻速。它和钻机推进和提拉速度不完全相同，与地层条件、排渣有关。 （4） 钻孔倾角 钻孔倾角是指钻孔轴线和水平面的夹角。反井钻机钻孔倾角也是由工程需要确定，但一般要满足扩孔过程破碎下来的岩屑靠自重可以自动下落；另一方面，随着钻孔倾角的变小，钻孔精度控制难度也在加大，综合考虑，一般要求钻孔倾角大于40，这也可以满足一般地下工程需要。但对于一些市政管网，不能采用其它方法施工时，反井钻机也可以施工近水平孔，但工序复杂，要采取控制钻孔精度的特殊设备，施工成本较高。 （5） 钻孔偏斜 钻孔偏斜是指导孔钻进开孔中心点和透孔中心点在垂直于钻孔设计轴线的平面内投影的最大偏移距离除以钻孔设计长度的百分比。它是衡量钻孔精度的重要依据。工程类型不同，对钻孔精度要求也不同，如对于一些通风孔，钻孔精度可要求低一些，但对于还要刷大的工程，钻孔至少要在开挖荒径内，要求钻孔精度高一些。钻孔精度与钻机和钻具设计结构有关，对反井施工实际操作有更重要的关系，即是衡量钻机性能和操作管理水平的重要指标。一些反井钻机虽然标明钻孔偏斜率，但这并不是一个限定的指标，可作为参考。 第四节 反井钻进洗井液 反井钻进洗井液主要用于导孔的钻进，在施工中，应根据不同的地层，选用不同的钻孔洗井液，如清水、泥浆等。反井钻进一般采用正循环洗井方式，对于软岩和硬岩互层或破碎岩石，水敏性地层，以及部分涌漏水地层，采用泥浆作为钻孔洗井液，故本节着重介绍泥浆洗井液。 一、 泥浆洗井液的作用及其类型 1. 泥浆洗井液的作用 （1） 通过钻孔洗井液的往复循环，将孔底岩屑携带到孔外，保持孔底清洁。 （2） 冷却钻头、润滑钻具，或水力冲击松软地层，提高钻头进尺。 （3） 形成泥皮，保护孔壁，确保安全钻进。 （4） 借助孔内泥浆柱的压力，可防止孔内坍塌、掉块、涌漏水等。 2. 泥浆洗井液的类型 反井钻进泥浆洗井液采用水基泥浆，其主要组成部分是粘土、水和化学处理剂。其中，粘土为分散相，水为分散介质。按分散状态及应用范围，反井钻进泥浆洗井液属细分散钠基泥浆，也称淡水泥浆。其中，含盐量（NaCl）＜1，含钙量（Ca2）＜120mg/L，一般是用纯碱作处理剂。有时对某些地层还需加入一些有机处理剂，如降失水剂、增粘剂和稀释剂。 该种泥浆的特点是固相（粘土）含量高，易分散于水中。它是通过粘土的分散程度来调整泥浆的各种性能，以满足钻进地层的需要。 二、 泥浆洗井液的基本原料 反井钻进常用的水基泥浆洗井液，其主要基本原料为粘土和水，其中，粘土是重要组成部分，它的性质对泥浆性能的变化及化学处理的效果有着直接的影响。 1. 造浆粘土 反井钻进泥浆常用膨润土配制，对膨润土的要求 （1） 要使用钠质膨润土（可交换性离子，即钠离子）或钙土经改性处理为人工钠土。 （2） 蒙脱石的含量高，阳离子交换容量大。 （3） 可溶性盐和非粘土矿物含量少。 （4） 膨胀倍数大，分散性好，造浆率高。 （5） 配制出的泥浆流变特性好，失水量小。 2. 造浆用水 水是泥浆的重要组成部分，水具有很强的溶解能力，能溶解很多有机物和无机物。一般水中都含有不同的杂质，最多的是钙、镁等盐类。水中这些杂质的存在对泥浆的质量有着很大的影响。如果造浆用水含杂质较多时，或矿化度高时，应事先加纯碱（Na2CO3）进行软化处理，或造浆后再对泥浆进行处理。 一般均就地取水配制泥浆，如河水、塘水、湖水、地下水等。这些水均含有不同程度的碳酸盐、重碳酸盐、氯化物、硫酸盐、硝酸盐、氧化物和氢氧化物等盐碱物质。它们能溶于水，呈离子状态。高价离子对泥浆性能影响很大，其中以钙镁离子影响最大。所以水的矿化度要低，中硬度以下的水为好。 三、 泥浆洗井液的性能参数 反井钻进泥浆洗井液性能主要包括密度、粘度、失水量、含砂量、胶体率和PH值等。这些性能的优劣直接影响护壁堵漏、排除岩粉、润滑钻具、冷却钻头、钻进效率、成本及安全钻进。在反井钻进过程中，为了适应不同地层对泥浆洗井液性能的要求，就必须向泥浆内加入一定量的化学处理剂，来改善泥浆洗井液的性能。这种方法也称为泥浆的化学处理，其常用的化学处理剂主要有 （1） 碳酸钠（Na2CO3）。碳酸钠又称纯碱、苏打，易溶于水，强碱性。在配制新泥浆时，若加入适量纯碱，就能够增加钠离子和碳酸根离子，它可以使粘土改性，从而改变粘土的水化性能，提高泥浆洗井液的质量。 （2） 钠羧甲基纤维素（Na-CMC）。根据其溶液粘度的大小，分为高粘度、中粘度和低粘度三种类型。一般多用中粘度型作为泥浆洗井液处理剂，增大泥浆洗井液的粘度，降低泥浆洗井液的失水量，提高泥浆洗井液的胶体率。 （3） 三聚磷酸钠（Na5P3O10）。它是一种链状的缩合磷酸盐，极易溶于水，可作为泥浆稀释剂，能有效降低泥浆粘度、切力，改善泥浆流变性，维持较低的相对密度；稍降失水量，有利净化，减少含砂量，减薄泥皮等。在配有三聚磷酸钠的泥浆中，PH值可保持在最适宜的范围内，即呈中性或弱碱性。反井钻进泥浆性能参数选择参考值见表4-4。 表4-4 反井钻进泥浆性能技术指标 相对密度 粘度 （S） 静切力 （Pa） 失水量 （mL/30min） 泥皮厚度 （mm） 胶体率 （） PH值 1.10～1.20 ﹤30 4.9～19.6 10～20 ﹤3 100 7～8.5 第四节 钻头及刀具的选择 一、 导井钻头的选择 导孔钻头本身及导孔钻头与地层的匹配关系，对钻井的偏斜和钻进速度影响很大。软岩钻头采用较小夹角的长楔齿或碳化钨一字形镶齿；硬岩钻头则采用较大夹角的短楔齿或碳化钨半球形镶齿。此外，软岩楔齿或镶齿之间的间距比硬岩楔齿或镶齿之间的间距大。理想的反井导孔钻头应具有硬岩钻头设计的大多数特性，以获得最小的钻头移步量和最大的边刀强度。同时还应具有中等范围的内列切割结构，以便在低钻压下能够获得最大的钻进速度。 近年来钻头设计甚至是软岩钻头设计都趋向于采用碳化钨镶齿刀具，如选用碳化钨半球形镶齿短型球齿的导井钻头，既满足了钻头和地层的匹配关系，又减少了钻头本身的移步量。 反井钻机导孔钻头一般为三牙轮钻头，三牙轮钻头可分为铣齿钻头和镶齿钻头。铣齿钻头主要用在低抗压强度、高可钻性岩层或冲积层到半磨蚀性岩层中，反井钻机一般不采用。镶齿钻头主要用在磨蚀性强的高抗压强度的岩层中。导孔钻头的选择，应根据工程岩石情况，比厂家推荐的钻头适用范围高一级使用。 二、 扩孔钻头的选择 扩孔钻头由刀具、刀盘体、中心管、稳定器、冷却装置等部分组成。根据扩孔方式分为一次扩孔钻头和分次扩孔钻头。反井扩孔钻头结构如图4-3所示。 扩孔钻头应根据岩石的坚硬程度来选择，有镶齿滚刀、盘形滚刀，可参照表4-4选用。 表4-4 滚刀类型表 滚刀类型 适应岩石类型 岩石单向抗压强度（MPa） 盘型滚刀 镶齿滚刀 （ZY） 钙质胶结砾岩，坚固的页岩、坚固的泥灰岩、砂眼、泥灰质石灰岩、致密灰岩、片麻岩 ≤110 盘型滚刀 镶齿滚刀 （Y） 坚固的石灰岩、坚固的砂质页岩、石灰质胶结的致密砂岩、白云岩 110～160 镶齿滚刀 花岗岩、石英岩、辉绿岩、玄武岩等 160～200 三、 破岩滚刀 破岩滚刀是反井钻井技术的关键工具，特别是硬岩反井破岩滚刀。在大部分水电站，坝址岩石坚硬，如山东泰安抽水蓄能电站、四川自一里水电站、吉林白山水电站、福建穆阳溪水电站等，多为花岗岩地层，岩石坚硬，单轴抗压强度达到310MPa，这类岩石石英、长石等磨粒性强的矿物含量在70以上。如在泰安抽水蓄能电站使用普通滚刀，其寿命只有5～10m，工效非常低，破岩刀具费用达到1万元/m以上，这样必将限制了反井钻机作为工程设备的推广应用。为此，北京中煤矿山工程有限公司，对硬岩反井破岩滚刀进行了专项研究，研制出特殊的极硬岩滚刀，在泰安工程应用时其寿命达到125m以上，并经多个水电站不同岩石条件应用实践，硬岩滚刀可以满足不同工程需要，解决了硬岩地层中钻进反井的难题，使反井钻机能够较高效地破碎岩石，提高了反井钻机功效，降低了工程成本。 图4-3 反井扩孔钻头结构示意图 a - Ф1.4m中间孔扩孔钻头; b -Ф2.0m中间孔扩孔钻头 1- 中心管；2- 滚刀；3- 刀盘体；4- 稳定器；5- 冷却水软管