反井钻机施工工艺

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）＋200m×155kg×9.8（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3.0m×3.0m，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）钻速与钻压的关系表4-2 （D2 =2.0m）钻速与钻压的关系（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。