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反井鉆機(jī)、鉆頭及刀具、輔助設(shè)施的選擇
來源：www.lgssupu.cn 作者：admin 日期：2015-06-29 03:40:43 熱度：959 ℃
第一節(jié) 反井鉆機(jī)選擇的依據(jù)
1． 根據(jù)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(jī)和配套設(shè)備及工藝選擇。選擇設(shè)備主要依 據(jù)是：
（1） 工程條件。主要包括工程性質(zhì)、用途、主要技術(shù)參數(shù)（井孔深度、終孔直徑、井孔傾角度等）、相關(guān)工程狀況。根據(jù)施工井筒 的深度和傾角等要求，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備及市場情況確定鉆機(jī)。
（2） 地質(zhì)條件。包括巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、巖體產(chǎn)狀、主要地質(zhì)構(gòu)造及參數(shù)、水文地質(zhì)條件等。對于深孔、斜孔，應(yīng)有鉆孔位置的勘探孔資料和地質(zhì)柱狀圖。根據(jù)施工井位的地質(zhì)構(gòu)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(yùn)輸條件，吊裝條件以及供電、供水情況。根據(jù)井位供電、供水、運(yùn)輸及井位下水平巷道開通情況確定鉆機(jī)的類型。
一般在井位處應(yīng)有供電、供水，具有鉆機(jī)工作空間，在下水平巷道開通的情況下，選擇上擴(kuò)法施工，應(yīng)選擇上擴(kuò)類全斷面反井鉆機(jī)。在煤礦多選擇電驅(qū)動液壓反井鉆機(jī)。
2． 可行性分析和風(fēng)險評估 對工程施工條件進(jìn)行分析，包括上下水平隧道是否形具有運(yùn)輸、 出渣、供水、供電、通風(fēng)等生產(chǎn)系統(tǒng)； 對地質(zhì)條件進(jìn)行分析，分析圍巖在反井鉆井施工過程中和擴(kuò)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(shè)施淹沒。因為在反井施工期間，無法進(jìn)行支護(hù)，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(jìn)行分析，包括交通運(yùn)輸、通風(fēng)、隧道支護(hù)情況及穩(wěn)定情況、洪水、有害氣體等是否對施工人員和設(shè)備傷害程度。 綜合以上分析，以確定是否具有采用反井鉆機(jī)施工可能。
3． 反井鉆機(jī)選擇
3.1 鉆孔參數(shù)的確定 工程本身已確定了鉆孔深度和傾角，還要確定擴(kuò)孔直徑。鉆孔的作用是溜渣、排水、通風(fēng)，因此要有足夠的斷面強(qiáng)。需要再擴(kuò)挖（刷大）的工程，擴(kuò)挖期間不發(fā)生堵塞。擴(kuò)孔直徑太小，除了容易發(fā)生堵塞外，還增加了擴(kuò)挖時打眼和出渣工作量，降低擴(kuò)挖速度。導(dǎo)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。
3.1 鉆孔參數(shù)的確定 工程本身已確定了鉆孔深度和傾角，還要確定擴(kuò)孔直徑。鉆孔的作用是溜渣、排水、通風(fēng)，因此要有足夠的斷面強(qiáng)。需要再擴(kuò)挖（刷大）的工程，擴(kuò)挖期間不發(fā)生堵塞。擴(kuò)孔直徑太小，除了容易發(fā)生堵塞外，還增加了擴(kuò)挖時打眼和出渣工作量，降低擴(kuò)挖速度。導(dǎo)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
3.2 選擇破巖滾刀 反井鉆機(jī)靠滾刀對巖石的擠壓、刮削和剪切破碎巖石，根據(jù)巖石的礦物構(gòu)成、硬度、磨蝕性以及抗壓、抗拉、抗剪等力學(xué)指標(biāo)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(fù)合型→球形； 滾刀結(jié)構(gòu)：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(jī)滾刀選擇后，根據(jù)巖石條件在擴(kuò)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(qiáng)度100MPa的巖石中，鉆進(jìn)深度200m、直徑1.4m的鉆孔，在擴(kuò)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、接頭鉆桿，選擇鉆桿時要滿足拉力和扭矩共同作用下的強(qiáng)度、剛度要求，同時要達(dá)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(jī)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(dǎo)孔鉆頭外徑匹 配。
3.4 反井鉆機(jī)的選擇 首先根據(jù)鉆孔深度、鉆孔直徑，初步選擇相應(yīng)的反井鉆機(jī)，然后對鉆 機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行驗算： 實際工作拉力=動力頭重量+擴(kuò)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(qiáng)度100MPa的巖石中，鉆進(jìn)深度200m、直徑1.4m的鉆孔，可以初步選擇LM－200型反井鉆機(jī)（其參數(shù)前面以作說明）， 進(jìn)行鉆機(jī)拉力和扭矩驗算： 實際工作拉力＝40kN（動力頭及油缸重量）＋25kN（擴(kuò)空鉆頭重量）＋200m×155kg×9.8（重力加速度）/1000＋180kN（鉆壓）＝ 548.8kN 扭矩 一般要求實際工作拉力不超過鉆機(jī)設(shè)計最大提升力的60%，扭矩不超過設(shè)計最大扭矩的60%。在本例中LM－200型反井鉆機(jī)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(jī)。
3.3 鉆桿選擇 鉆桿包括普通鉆桿、穩(wěn)定鉆桿、接頭鉆桿，選擇鉆桿時要滿足拉力和扭矩共同作用下的強(qiáng)度、剛度要求，同時要達(dá)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(jī)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(dǎo)孔鉆頭外徑匹 配。
3.4 反井鉆機(jī)的選擇 首先根據(jù)鉆孔深度、鉆孔直徑，初步選擇相應(yīng)的反井鉆機(jī)，然后對鉆 機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行驗算： 實際工作拉力=動力頭重量+擴(kuò)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(qiáng)度100MPa的巖石中，鉆進(jìn)深度200m、直徑1.4m的鉆孔，可以初步選擇LM－200型反井鉆機(jī)（其參數(shù)前面以作說明）， 進(jìn)行鉆機(jī)拉力和扭矩驗算： 實際工作拉力＝40kN（動力頭及油缸重量）＋25kN（擴(kuò)空鉆頭重量）＋200m×155kg×9.8（重力加速度）/1000＋180kN（鉆壓）＝ 548.8kN 扭矩 一般要求實際工作拉力不超過鉆機(jī)設(shè)計最大提升力的60%，扭矩不超過設(shè)計最大扭矩的60%。在本例中LM－200型反井鉆機(jī)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(jī)。
第二節(jié) 鉆頭及刀具的選擇
一、 導(dǎo)井鉆頭的選擇 導(dǎo)孔鉆頭本身及導(dǎo)孔鉆頭與地層的匹配關(guān)系，對鉆井的偏斜和鉆進(jìn)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(dǎo)孔鉆頭應(yīng)具有硬巖鉆頭設(shè)計的大多數(shù)特性，以獲得最小的鉆頭移步量和最大的邊刀強(qiáng)度。同時還應(yīng)具有中等范圍的內(nèi)列切割結(jié)構(gòu)， 以便在低鉆壓下能夠獲得最大的鉆進(jìn)速度。 近年來鉆頭設(shè)計甚至是軟巖鉆頭設(shè)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(dǎo)井鉆頭，既滿足了鉆頭 和地層的匹配關(guān)系，又減少了鉆頭本身的移步量。 反井鉆機(jī)導(dǎo)孔鉆頭一般為三牙輪鉆頭，三牙輪鉆頭可分為銑齒鉆頭和鑲齒鉆頭。銑齒鉆頭主要用在低抗壓強(qiáng)度、高可鉆性巖層或沖積層到半磨蝕性巖層中，反井鉆機(jī)一般不采用。鑲齒鉆頭主要用在磨蝕性強(qiáng)的高抗壓強(qiáng)度的巖層中。導(dǎo)孔鉆頭的選擇，應(yīng)根據(jù)工程巖石情況， 比廠家推薦的鉆頭適用范圍高一級使用。
二、 擴(kuò)孔鉆頭的選擇 擴(kuò)孔鉆頭由刀具、刀盤體、中心管、穩(wěn)定器、冷卻裝置等部分組成。根據(jù)擴(kuò)孔方式分為一次擴(kuò)孔鉆頭和分次擴(kuò)孔鉆頭。反井?dāng)U孔鉆頭
一、 導(dǎo)井鉆頭的選擇 導(dǎo)孔鉆頭本身及導(dǎo)孔鉆頭與地層的匹配關(guān)系，對鉆井的偏斜和鉆進(jìn)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(dǎo)孔鉆頭應(yīng)具有硬巖鉆頭設(shè)計的大多數(shù)特性，以獲得最小的鉆頭移步量和最大的邊刀強(qiáng)度。同時還應(yīng)具有中等范圍的內(nèi)列切割結(jié)構(gòu)， 以便在低鉆壓下能夠獲得最大的鉆進(jìn)速度。 近年來鉆頭設(shè)計甚至是軟巖鉆頭設(shè)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(dǎo)井鉆頭，既滿足了鉆頭 和地層的匹配關(guān)系，又減少了鉆頭本身的移步量。 反井鉆機(jī)導(dǎo)孔鉆頭一般為三牙輪鉆頭，三牙輪鉆頭可分為銑齒鉆頭和鑲齒鉆頭。銑齒鉆頭主要用在低抗壓強(qiáng)度、高可鉆性巖層或沖積層到半磨蝕性巖層中，反井鉆機(jī)一般不采用。鑲齒鉆頭主要用在磨蝕性強(qiáng)的高抗壓強(qiáng)度的巖層中。導(dǎo)孔鉆頭的選擇，應(yīng)根據(jù)工程巖石情況， 比廠家推薦的鉆頭適用范圍高一級使用。
二、 擴(kuò)孔鉆頭的選擇 擴(kuò)孔鉆頭由刀具、刀盤體、中心管、穩(wěn)定器、冷卻裝置等部分組成。根據(jù)擴(kuò)孔方式分為一次擴(kuò)孔鉆頭和分次擴(kuò)孔鉆頭。反井?dāng)U孔鉆頭
結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。 擴(kuò)孔鉆頭應(yīng)根據(jù)巖石的堅硬程度來選擇，有鑲齒滾刀、盤形滾刀， 可參照表4-4選用。
表4-4 滾刀類型表
表4-4 滾刀類型表
三、 破巖滾刀 破巖滾刀是反井鉆井技術(shù)的關(guān)鍵工具，特別是硬巖反井破巖滾刀。在大部分水電站，壩址巖石堅硬，如山東泰安抽水蓄能電站、四川自一里水電站、吉林白山水電站、福建穆陽溪水電站等，多為花崗巖地層，巖石堅硬，單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到310MPa，這類巖石石英、長石等磨粒性強(qiáng)的礦物含量在70%以上。如在泰安抽水蓄能電站使用普
通滾刀，其壽命只有5～10m，工效非常低，破巖刀具費(fèi)用達(dá)到1萬元/m以上，這樣必將限制了反井鉆機(jī)作為工程設(shè)備的推廣應(yīng)用。為此，北京中煤礦山工程有限公司，對硬巖反井破巖滾刀進(jìn)行了專項研究，研制出特殊的極硬巖滾刀，在泰安工程應(yīng)用時其壽命達(dá)到125m以上，并經(jīng)多個水電站不同巖石條件應(yīng)用實踐，硬巖滾刀可以滿足不同工程需要，解決了硬巖地層中鉆進(jìn)反井的難題，使反井鉆機(jī)能夠較 高效地破碎巖石，提高了反井鉆機(jī)功效，降低了工程成本。
圖4-3 反井?dāng)U孔鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖
第三節(jié) 輔助設(shè)施選擇
1. 導(dǎo)孔鉆頭選擇 第三節(jié) 輔助設(shè)施選擇
2. 循環(huán)液選擇
3. 循環(huán)泵選擇
4. 出渣設(shè)備選擇
5. 電控設(shè)備選擇
6. 冷卻系統(tǒng)選擇
反井鉆井施工鉆機(jī)穩(wěn)裝（固定） 反井鉆機(jī)在開鉆前，必須將其固定在基礎(chǔ)上或鉆進(jìn)峒室中，以承受因鉆進(jìn)而產(chǎn)生的推拉力和扭矩，以防止機(jī)器偏移和振動，這種對鉆 機(jī)的固定方法稱之為鉆機(jī)穩(wěn)裝。
（1） 技術(shù)要求。選定鉆孔地點后，按主機(jī)基礎(chǔ)圖進(jìn)行基礎(chǔ)施工。該基礎(chǔ)必須水平，而且要有足夠的強(qiáng)度。井字型框架在離擴(kuò)孔直徑的地基上用數(shù)根底腳螺栓緊固，螺栓緊固的形式可根據(jù)現(xiàn)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(jī)底腳板的連接必須緊固，基礎(chǔ)混凝土厚度不得小于300mm，強(qiáng)度不得低于25MPa標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)度。當(dāng)鉆機(jī)沒有頂部支撐，則鉆機(jī)的自重及鉆機(jī)在作業(yè)中的反扭矩、反鉆壓全靠基礎(chǔ)承受。基礎(chǔ)的施工好壞直接影響成井質(zhì)量，甚至造成鉆機(jī)穩(wěn)裝失效，因此，基礎(chǔ)的浮渣必須徹底清除干凈，澆筑時必須搗固，仔細(xì)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(yīng)適當(dāng)加大基礎(chǔ)的面積和厚度，一般可將面積增至3.0m×3.0m，混凝土基礎(chǔ)厚度可增 至0.8m以上。
（2） 注意事項。穩(wěn)裝的好壞對鉆機(jī)工作十分重要。鉆進(jìn)時，如果穩(wěn)裝失效，往往會引起鉆機(jī)偏移，機(jī)器振動急劇加大，鉆進(jìn)效率顯著降低，嚴(yán)重時損壞鉆桿、鉆頭以及鉆機(jī)各部件，甚至迫使鉆進(jìn)中斷。實踐證明，為了不使鉆機(jī)穩(wěn)裝失效，必須做好以下工作：
①安裝鉆機(jī)前的鉆機(jī)基礎(chǔ)準(zhǔn)備工作，必須嚴(yán)格按照鉆機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計施工，混凝土質(zhì)量符合技術(shù)要求，底腳螺栓質(zhì)量、基礎(chǔ)井字框架質(zhì)量必須在基礎(chǔ)施工前做認(rèn)真的檢查，發(fā)現(xiàn)損壞的應(yīng)及時更換，決不能敷衍湊數(shù)；
②安裝時，要按規(guī)定將所有緊固件固緊，特別是基礎(chǔ)底腳螺栓與基礎(chǔ)井字框架及基礎(chǔ)井字框架與鉆機(jī)底腳板上螺栓、螺母，一定要逐一檢查緊固；
③鉆進(jìn)工作開始后，當(dāng)班輔助工要根據(jù)鉆機(jī)的工作狀況，經(jīng)常注意檢查關(guān)鍵性緊固件，發(fā)現(xiàn)稍有松動，務(wù)必及時緊固處理。
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