反井鉆機施工實用工藝

1、第一章 反井鉆機選擇煤礦、金屬礦和非金屬礦、 水電站和蓄能電站、 人防工程、 交通、 鐵路和隧道、軍事工程等地下工程施工環(huán)境、工程參數（深度、直徑 和傾角等）、地質條件（巖石巖性、硬度、抗壓強度、構造等）千差 萬別；如何正確地配備合適的施工機具、制定先進的施工工藝、合理 選擇各種參數、落實可靠的安全措施是反井鉆井施工成敗的關鍵。第一節(jié) 反井鉆機選型1 設備選擇的依據根據豎井或斜井施工的綜合條件，在確定采用反井鉆井法施工后，即要開始選擇反井鉆機和配套設備及工藝選擇。 選擇設備主要依據是：（1）工程條件。主要包括工程性質、用途、主要技術參數（井 孔深度、終孔直徑、井孔傾角度等） 、相關工程狀況。根

2、據施工井筒 的深度和傾角等要求，結合現有設備及市場情況確定鉆機。（2）地質條件。包括巖石的物理力學性質、巖體產狀、主要地 質構造及參數、水文地質條件等。對于深孔、斜孔，應有鉆孔位置的 勘探孔資料和地質柱狀圖。 根據施工井位的地質構造及巖性， 確定沖 洗液為泥漿或清水，從而選擇用泥漿泵或水泵。（3）施工條件。運輸條件，吊裝條件以及供電、供水情況。根 據井位供電、供水、運輸及井位下水平巷道開通情況確定鉆機的類型。一般在井位處應有供電、供水，具有鉆機工作空間，在下水平巷道開 通的情況下，選擇上擴法施工，應選擇上擴類全斷面反井鉆機。在煤 礦多選擇電驅動液壓反井鉆機。2 可行性分析和風險評估對工程施工條

3、件進行分析，包括上下水平隧道是否形具有運輸、出渣、供水、供電、通風等生產系統(tǒng)；對地質條件進行分析， 分析圍巖在反井鉆井施工過程中和擴孔期間能否穩(wěn)定， 不發(fā)生較大的涌水和塌方， 造成鉆孔堵塞和下部設施淹沒。因為在反井施工期間，無法進行支護，若圍巖不能自穩(wěn)，發(fā)生塌方，將會堵塞鉆孔，造成事故；對施工位置安全狀況進行分析，包括交通運輸、通風、隧道支護情況及穩(wěn)定情況、洪水、有害氣體等是否對施工人員和設備傷害程度。綜合以上分析，以確定是否具有采用反井鉆機施工可能。3 反井鉆機選擇3.1 鉆孔參數的確定工程本身已確定了鉆孔深度和傾角，還要確定擴孔直徑。鉆孔的作用是溜渣、排水、通風，因此要有足夠的斷面強。需要

4、再擴挖（刷大）的工程，擴挖期間不發(fā)生堵塞。擴孔直徑太小，除了容易發(fā)生堵塞外，還增加了擴挖時打眼和出渣工作量，降低擴挖速度。導井直徑過大，反井鉆井施工成本增加，因此，鉆孔直徑選擇必須合理，一般鉆孔直徑選擇如表 4-1。表 4-1 鉆孔直徑選擇參考開挖直徑（m）通風井等偏斜精度要求低的工程井筒、壓力管道等偏斜精度要求高的工程<2一次鉆成一次鉆成23一次鉆成、用兩個小直徑孔代替、導井直徑1m后擴挖導井直徑1m后擴挖35導井直徑11.5m后擴挖導井直徑11.5m后擴挖57導井直徑1.52m后擴挖導井直徑1.52m后擴挖>7導井直徑2m后擴挖導井直徑2m后擴挖3.2選擇破巖滾刀反井鉆機靠滾刀

5、對巖石的擠壓、刮削和剪切破碎巖石，根據巖石的礦物構成、硬度、磨蝕性以及抗壓、抗拉、抗剪等力學指標來確定滾刀齒形類型，選擇如下：巖石的磨蝕性：低-中-高；硬度：軟中硬堅硬齒形：楔齒-錐形-復合型-球形；滾刀結構：單刃盤形滾刀（無鑲齒）-多刃盤形滾刀（刀刃上鑲齒）無刃滾刀（刀體錐面鑲齒）。反井鉆機滾刀選擇后，根據巖石條件在擴孔鉆頭合理布置滾刀，也就可以確定，破碎巖石需要的最大鉆壓。如在抗壓強度lOOMPa的巖石中，鉆進深度200m、直徑1.4m的 鉆孔，在擴孔鉆頭上需要布置6把中硬巖滾刀，每把滾刀需要約30kN破巖壓力，整個鉆頭的破巖鉆壓 180kN。3.3 鉆桿選擇鉆桿包括普通鉆桿、穩(wěn)定鉆桿、接

6、頭鉆桿，選擇鉆桿時要滿足拉 力和扭矩共同作用下的強度、 剛度要求， 同時要達到一定的抗疲勞破 壞能力，鉆桿連接絲扣要有通用性和互換性。鉆桿選擇完成后，鉆桿 的重量是影響鉆機選擇的因素。如有效長度1.0m、外徑182mm的鉆桿，重量約155kg。穩(wěn)定鉆桿和接頭鉆桿外徑，要予導孔鉆頭外徑匹 配。3.4 反井鉆機的選擇首先根據鉆孔深度、鉆孔直徑，初步選擇相應的反井鉆機，然后對鉆機的主要技術參數進行驗算：實際工作拉力 =動力頭重量 +擴孔鉆頭重量 +鉆桿重量 +最大鉆壓實際工作扭矩 =破巖阻力矩 +摩擦阻力如在抗壓強度lOOMPa的巖石中，鉆進深度200m、直徑1.4m的 鉆孔，可以初步選擇 LM 2

7、00型反井鉆機（其參數前面以作說明） ， 進行鉆機拉力和扭矩驗算：實際工作拉力=40kN （動力頭及油缸重量）+ 25kN （擴空鉆頭重量）+ 200mx 155kg X 9.8（重力加速度）/1000 + 180kN （鉆壓）=548.8kN扭矩一般要際工作拉力不超過鉆機設計最大提升力的60%，扭矩不超過設計最大扭矩的 60%。在本例中 LM 200型反井鉆機最大拉力為850kN,實際工作拉力/最大拉力比是64.5%, LM 200型基本上滿足工程要求，但也可以選擇更大的型號的反井鉆機。第二節(jié) 輔助設施選擇1. 導孔鉆頭選擇2. 循環(huán)液選擇3. 循環(huán)泵選擇4. 出渣設備選擇5. 電控設備選擇

8、6. 冷卻系統(tǒng)選擇反井鉆井施工鉆機穩(wěn)裝（固定）反井鉆機在開鉆前,必須將其固定在基礎上或鉆進峒室中,以承受因鉆進而產生的推拉力和扭矩, 以防止機器偏移和振動, 這種對鉆機的固定方法稱之為鉆機穩(wěn)裝。（ 1） 技術要求。 選定鉆孔地點后, 按主機基礎圖進行基礎施工。該基礎必須水平,而且要有足夠的強度。井字型框架在離擴孔直 徑的地基上用數根底腳螺栓緊固,螺栓緊固的形式可根據現場巖石 （煤）情況而定，但每根螺栓的錨固力不得低于 4t,螺栓與井字框架 以及井字框架與鉆機底腳板的連接必須緊固, 基礎混凝土厚度不得小于300mm,強度不得低于25MPa標準的強度。當鉆機沒有頂部支撐， 則鉆機的自重及鉆機在作業(yè)

9、中的反扭矩、 反鉆壓全靠基礎承受。 基礎 的施工好壞直接影響成井質量,甚至造成鉆機穩(wěn)裝失效,因此,基礎 的浮渣必須徹底清除干凈,澆筑時必須搗固,仔細找平。對于井位是 煤層或破碎地層及對井筒偏斜率要求較高的深井, 應適當加大基礎的 面積和厚度，一般可將面積增至 3.0mX 3.0m，混凝土基礎厚度可增 至0.8m以上。（2） 注意事項。穩(wěn)裝的好壞對鉆機工作十分重要。鉆進時, 如果穩(wěn)裝失效,往往會引起鉆機偏移,機器振動急劇加大,鉆進效率 顯著降低,嚴重時損壞鉆桿、鉆頭以及鉆機各部件,甚至迫使鉆進中 斷。實踐證明，為了不使鉆機穩(wěn)裝失效，必須做好以下工作：安裝 鉆機前的鉆機基礎準備工作, 必須嚴格按照

10、鉆機基礎設計施工, 混凝 土質量符合技術要求, 底腳螺栓質量、 基礎井字框架質量必須在基礎 施工前做認真的檢查，發(fā)現損壞的應及時更換，決不能敷衍湊數； 安裝時,要按規(guī)定將所有緊固件固緊, 特別是基礎底腳螺栓與基礎井 字框架及基礎井字框架與鉆機底腳板上螺栓、 螺母,一定要逐一檢查 緊固；鉆進工作開始后，當班輔助工要根據鉆機的工作狀況，經常 注意檢查關鍵性緊固件,發(fā)現稍有松動,務必及時緊固處理。第三節(jié) 反井鉆進工藝一、 反井鉆機工藝原理反井鉆進工藝 （主要說明第一類反井鉆機） ,包括導孔鉆進和擴孔 大全鉆進。反井鉆進工藝原理是通過鉆機的電機帶動液壓馬達， 液壓馬達 驅動水龍頭， 并利用液壓動力將扭

11、矩傳遞給鉆具系統(tǒng)， 帶動鉆桿及鉆 頭旋轉，導孔鉆頭或擴孔鉆頭上的滾刀在鉆壓的作用下， 沿井底巖石 工作面作純滾動和微量滑移。同時，主機油缸產生的軸向拉、壓力， 也通過動力頭、 鉆桿作用在導孔鉆頭或擴孔鉆頭上， 使導孔鉆頭的滾 刀在鉆壓作用下滾動，產生沖擊載荷，使?jié)L刀齒對巖石產生沖擊、擠 壓和剪切作用， 破碎巖石。 被破碎的巖屑在導孔鉆進時被正循環(huán)的洗 井液沖洗，巖屑沿著鉆桿與孔壁間的環(huán)形空間由洗井液提升到鉆孔 外。在擴孔時巖屑靠自重直接落到下水平巷道， 采用裝巖機和運輸設 備及時清理運出。 導孔鉆進時鉆桿不斷加長， 從上水平到鉆透的下水 平形成小直徑（200300mm）的鉆孔。之后將導孔鉆頭卸

12、下，裝上 擴孔鉆頭。擴孔鉆進時不斷拆下鉆桿，直到鉆桿拆完，擴孔鉆頭從下 水平拉到上水平為止。例如，鉆鑿1.4m的井孔時，只需先鉆 216mm的導孔，直至導孔鉆透下水平巷道，將導孔鉆頭在此卸下， 接上1.4m的擴孔鉆頭，再由下往上擴孔鉆至上水平巷道即可。若 需鉆進2.0m的井孔，再將1.4m鉆頭下放到下水平巷道拆掉，接 上2.0m擴孔鉆頭，繼續(xù)由下往上鉆進，直至鉆頭露出。 好的反井鉆機只是鉆成高質量反井的必要條件， 必須根據不同的 條件確定不同的施工工藝。 反井鉆機功能主要考慮的是滿足反井鉆進 推進和旋轉的基本要求， 以及其它方面的輔助工藝要求， 還要由掌握 工藝技術的人員實施，才能達到應有的效

13、果?？梢?，反井鉆機在地下惡劣的環(huán)境、 復雜的地質條件下鉆進地下 工程，不但需要有可靠的設備，而且需要有適合的鉆進工藝，以便在 達到一定的質量要求前提下，安全、高效、快速的完成施工任務。導 孔的作用是將鉆具下放到下水平， 以便連接擴孔鉆頭。 導孔破巖量雖 然只占總破巖量的 2.5%或更小，但導孔鉆進關系到鉆孔的質量，是 反井施工的關鍵。 導孔的垂直度決定了鉆孔的偏斜率； 導孔鉆進過程 也是對地層探測的過程，可以了解巖石性質、地質構造等，對擴孔鉆 頭破巖刀具的選擇及工程支護方式的選擇都有參考價值； 還可以通過 導孔，對穩(wěn)定性較差的地層進行預加固處理。 導孔鉆進時一般要求推 進速度較快、推進壓力大（

14、有時需要上拉） 、轉速高。反井鉆機鉆進 導孔施工工藝見圖 4-1。擴孔鉆進過程是大量破碎巖石的過程， 需要根據巖石條件選擇破巖滾刀，布置擴孔鉆頭，制定相應的鉆進參數。擴孔鉆進一般要求推進速度較慢、推進力大（上拉力大） 、轉速低，以達到鉆進效率最高。反井鉆機擴孔施工工藝見圖 4-2。圖4J反井粘機辱孔工藝I-動力水龍頭2-鉆桿3”導孔鉆氓4-從泥漿泵用人的泥漿.5-從環(huán)形空問返冋的攜帶巖殖泥裟 卜泥察襦環(huán)池7-泥漿泵圖4-1反井鉆機導孔工藝1-動力水龍頭；2-鉆桿；3-導孔鉆頭；4-從泥漿泵壓入的泥漿；5-從環(huán)形空間返回的攜帶巖渣泥漿；6-泥漿循環(huán)池；7-泥漿泵£ -nTTi圖4-2反

15、井鉆機擴孔工藝1子孔詁頭2 H水平卷道X擴孔白由晤F的r：碼圖4-2反井鉆機擴孔工藝1-擴孔鉆頭；2-下水平巷道；3-擴孔自由落下的巖渣鉆進參數的選擇（1）鉆壓鉆壓是指鉆機施加給破巖滾刀上的壓力總和。 但有效鉆壓應使巖石達到體積破碎，也就是能夠達到合理的鉆進速度（m/h）。鉆進導孔時，鉆壓是鉆機對鉆具的推力和鉆具的重量之和。為了保證鉆孔的垂直度，要恒壓鉆進。開孔時要以小鉆壓鉆進，鉆壓的大 小根據鉆孔直徑、破巖刀具類型、鉆進速度和地質條件而定。不同類 型的巖石所需要的鉆壓也不同，一般情況下，對松軟地層和過渡地層 巖石抗壓強度低，應采用低鉆壓，對堅硬巖石和穩(wěn)定地層宜采用高鉆 壓。在導孔快要鉆透時，

16、應逐漸降低鉆壓。施工直徑1.2m和2.0m的鉆孔時，在不同巖石中，鉆壓和鉆速的關系，可參照表4-1、表4-2所示。表4-1（ D2 =1.2m）鉆速與鉆壓的關系'速2500200015001000500300鉆一匡（ 巖石抗壓強度（kN）、MPa）20116.2103.990.040207.8180.0146.980311.8270.0220.3155.9120450.0367.4259.8160367.3281.7表4-2（ D2 =2.0m）鉆速與鉆壓的關系施壓一 m 巖石抗壓強度（鉆速m/h) kN)MPa)250020001500100050030020205.5183.159

17、.2840367.318.4249.0680477.5389.9120649.8459.5160643.2498.3（2）轉速為了使巖石從巖體上破碎下來，必須使刀齒和巖石有足夠的接觸 時間。因為鉆進過程中，鉆具的受力狀況十分復雜，刀齒和巖石接觸 時間過短，破巖鉆壓主要消耗在使巖石發(fā)生變形，而使機械能損耗掉， 只有適當的接觸時間，破碎效率才高，所以轉速應滿足導孔鉆進和擴 孔鉆進的需要。導孔鉆進鉆孔直徑小，為提高導孔鉆速和鉆孔精度， 需要轉速高一些，采用三牙輪鉆頭，有相應的推薦轉速圍，一般取推 薦的下限。擴孔鉆進時要考慮邊刀的最大線速度和刀齒破巖需要和巖 石接觸的最短時間，轉速要低一些，由于邊刀自

18、轉速度限制，其大小 主要根據擴孔直徑確定。對于軟巖滾刀刀齒接觸時間可取小值，相反 則應取大值。一般認為接觸時間不快于 0.020.03s之間比較適宜。對鑲齒滾刀的轉速（n）,可用下式求得：60 c sin2RbtR式中 n轉速，（r/min）;c 滾刀大端半徑，（cm）;同一排齒上兩齒之間的夾角（°）;tR 破巖所需量的接觸時間，（s）；Rb鉆頭半徑，（cm）。例如，當 c=15cm, Rb=60、70、100cm;培=0.020.03s, =1020°時，其n值如表4-3:表4-3不同鉆頭直徑n值的變化，轉速（r/mini）.鉆頭半徑（mmp10°15°

19、;20°600132020 3127 4170011 1717 2623 35100081212 1816 24（3）鉆速鉆速是指單位時間鉆進長度，包括導孔鉆速和擴孔鉆速。它和鉆 機推進和提拉速度不完全相同，與地層條件、排渣有關。（4）鉆孔傾角鉆孔傾角是指鉆孔軸線和水平面的夾角。 反井鉆機鉆孔傾角也是由工程需要確定，但一般要滿足擴孔過程破碎下來的巖屑靠自重可以自動下落；另一方面，隨著鉆孔傾角的變小，鉆孔精度控制難度也在加大，綜合考慮，一般要求鉆孔傾角大于 40°，這也可以滿足一般地下工程需要。但對于一些市政管網，不能采用其它方法施工時，反井鉆機也可以施工近水平孔， 但工序復

20、雜， 要采取控制鉆孔精度的特殊設備，施工成本較高。（5）鉆孔偏斜 鉆孔偏斜是指導孔鉆進開孔中心點和透孔中心點在垂直于鉆孔 設計軸線的平面投影的最大偏移距離除以鉆孔設計長度的百分比。 它 是衡量鉆孔精度的重要依據。 工程類型不同，對鉆孔精度要求也不同， 如對于一些通風孔， 鉆孔精度可要求低一些， 但對于還要刷大的工程， 鉆孔至少要在開挖荒徑， 要求鉆孔精度高一些。 鉆孔精度與鉆機和鉆 具設計結構有關， 對反井施工實際操作有更重要的關系， 即是衡量鉆 機性能和操作管理水平的重要指標。 一些反井鉆機雖然標明鉆孔偏斜 率，但這并不是一個限定的指標，可作為參考。第四節(jié) 反井鉆進洗井液 反井鉆進洗井液主要

21、用于導孔的鉆進， 在施工中， 應根據不同的 地層，選用不同的鉆孔洗井液，如清水、泥漿等。反井鉆進一般采用 正循環(huán)洗井方式，對于軟巖和硬巖互層或破碎巖石，水敏性地層，以 及部分涌漏水地層， 采用泥漿作為鉆孔洗井液， 故本節(jié)著重介紹泥漿 洗井液。一、泥漿洗井液的作用及其類型1. 泥漿洗井液的作用（ 1） 通過鉆孔洗井液的往復循環(huán)，將孔底巖屑攜帶到孔外， 保持孔底清潔。（ 2） 冷卻鉆頭、潤滑鉆具，或水力沖擊松軟地層，提高鉆頭 進尺。（ 3） 形成泥皮，保護孔壁，確保安全鉆進。（4） 借助孔泥漿柱的壓力， 可防止孔坍塌、 掉塊、涌漏水等。2. 泥漿洗井液的類型 反井鉆進泥漿洗井液采用水基泥漿， 其主

22、要組成部分是粘土、 水 和化學處理劑。其中，粘土為分散相，水為分散介質。按分散狀態(tài)及 應用圍，反井鉆進泥漿洗井液屬細分散鈉基泥漿，也稱淡水泥漿。其 中，含鹽量（NaCI）v 1%,含鈣量（Ca2+）v 120mg/L, 般是用純 堿作處理劑。有時對某些地層還需加入一些有機處理劑， 如降失水劑、 增粘劑和稀釋劑。該種泥漿的特點是固相（粘土）含量高,易分散于水中。它是通 過粘土的分散程度來調整泥漿的各種性能,以滿足鉆進地層的需要。二、泥漿洗井液的基本原料反井鉆進常用的水基泥漿洗井液,其主要基本原料為粘土和水,其中,粘土是重要組成部分, 它的性質對泥漿性能的變化及化學處理的效果有著直接的影響。1.

23、造漿粘土反井鉆進泥漿常用膨潤土配制,對膨潤土的要求：（ 1）要使用鈉質膨潤土（可交換性離子,即鈉離子）或鈣土經改性處理為人工鈉土。（ 2） 蒙脫石的含量高，陽離子交換容量大。（3） 可溶性鹽和非粘土礦物含量少。（ 4） 膨脹倍數大，分散性好，造漿率高。（ 5） 配制出的泥漿流變特性好，失水量小。2. 造漿用水 水是泥漿的重要組成部分， 水具有很強的溶解能力， 能溶解很多 有機物和無機物。一般水中都含有不同的雜質，最多的是鈣、鎂等鹽 類。水中這些雜質的存在對泥漿的質量有著很大的影響。 如果造漿用 水含雜質較多時，或礦化度高時，應事先加純堿（Na2CO3）進行軟 化處理，或造漿后再對泥漿進行處理。

24、一般均就地取水配制泥漿，如河水、塘水、湖水、地下水等。這 些水均含有不同程度的碳酸鹽、 重碳酸鹽、 氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、 氧化物和氫氧化物等鹽堿物質。它們能溶于水，呈離子狀態(tài)。高價離 子對泥漿性能影響很大， 其中以鈣鎂離子影響最大。 所以水的礦化度 要低，中硬度以下的水為好。三、泥漿洗井液的性能參數 反井鉆進泥漿洗井液性能主要包括密度、 粘度、失水量、含砂量、 膠體率和 PH 值等。這些性能的優(yōu)劣直接影響護壁堵漏、排除巖粉、 潤滑鉆具、冷卻鉆頭、鉆進效率、成本及安全鉆進。在反井鉆進過程 中，為了適應不同地層對泥漿洗井液性能的要求， 就必須向泥漿加入 一定量的化學處理劑， 來改善泥漿洗井液的

25、性能。 這種方法也稱為泥漿的化學處理，其常用的化學處理劑主要有:（1）碳酸鈉（Na2CO3）。碳酸鈉又稱純堿、打，易溶于水， 強堿性。在配制新泥漿時，若加入適量純堿，就能夠增加鈉離子和碳 酸根離子，它可以使粘土改性，從而改變粘土的水化性能，提高泥漿洗井液的質量。（2） 鈉羧甲基纖維素（Na-CMC）。根據其溶液粘度的大小， 分為高粘度、中粘度和低粘度三種類型。一般多用中粘度型作為泥漿 洗井液處理劑，增大泥漿洗井液的粘度，降低泥漿洗井液的失水量，提高泥漿洗井液的膠體率。（3）三聚磷酸鈉（Na5P30io）。它是一種鏈狀的縮合磷酸鹽，極易溶于水，可作為泥漿稀釋劑，能有效降低泥漿粘度、切力，改善 泥

26、漿流變性，維持較低的相對密度；稍降失水量，有利凈化，減少含 砂量，減薄泥皮等。在配有三聚磷酸鈉的泥漿中，PH值可保持在最適宜的圍，即呈中性或弱堿性。反井鉆進泥漿性能參數選擇參考值見表 4-4。表4-4反井鉆進泥漿性能技術指標相對粘度靜切力失水量泥皮厚度膠體率PH密度(S)(Pa)(mL/30min)(mm)(%)值1.10 V 304.91020V 310071.2019.68.5第四節(jié)鉆頭及刀具的選擇導井鉆頭的選擇導孔鉆頭本身及導孔鉆頭與地層的匹配關系， 對鉆井的偏斜和鉆 進速度影響很大。 軟巖鉆頭采用較小夾角的長楔齒或碳化鎢一字形鑲 齒；硬巖鉆頭則采用較大夾角的短楔齒或碳化鎢半球形鑲齒。此外， 軟巖楔齒或鑲齒之間的間距比硬巖楔齒或鑲齒之間的間距大。 理想的 反井導孔鉆頭應具有硬巖鉆頭設計的大多數特性， 以獲得最小的鉆頭 移步量和最大的邊刀強度。 同時還應具有中等圍的列切割結構， 以便 在低鉆壓下能夠獲得最大的鉆進速度。近年來鉆頭設計甚至是軟巖鉆頭設計都趨向于采用碳化鎢鑲齒刀具，如選用碳化鎢半球形鑲齒短型球齒的導井鉆頭， 既滿足了鉆頭和地層的匹配關系，又減少了鉆頭本身的移步量。反井鉆機導孔鉆頭一般為三牙輪鉆頭， 三牙輪鉆