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反井鉆機、鉆頭及刀具、輔助設施的選擇
來源：www.www.penastar.com.cn 作者：admin 日期：2015-06-29 03:40:43 熱度：768 ℃
第一節 反井鉆機選擇的依據
1． 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； 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定，不發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，發生塌 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。需要再擴挖（刷大）的工程，擴挖期間不發生堵塞。擴孔直徑太小，除了容易發生堵塞外，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。
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。需要再擴挖（刷大）的工程，擴挖期間不發生堵塞。擴孔直徑太小，除了容易發生堵塞外，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
3.2 選擇破巖滾刀 反井鉆機靠滾刀對巖石的擠壓、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100MPa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100MPa的巖石中，鉆進深度200m、直徑1.4m的鉆孔，可以初步選擇LM－200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）＋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。
3.3 鉆桿選擇 鉆桿包括普通鉆桿、穩定鉆桿、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100MPa的巖石中，鉆進深度200m、直徑1.4m的鉆孔，可以初步選擇LM－200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）＋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 鉆頭及刀具的選擇
一、 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。同時還應具有中等范圍的內列切割結構， 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度、高可鉆性巖層或沖積層到半磨蝕性巖層中，反井鉆機一般不采用。鑲齒鉆頭主要用在磨蝕性強的高抗壓強度的巖層中。導孔鉆頭的選擇，應根據工程巖石情況， 比廠家推薦的鉆頭適用范圍高一級使用。
二、 擴孔鉆頭的選擇 擴孔鉆頭由刀具、刀盤體、中心管、穩定器、冷卻裝置等部分組成。根據擴孔方式分為一次擴孔鉆頭和分次擴孔鉆頭。反井擴孔鉆頭
一、 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。同時還應具有中等范圍的內列切割結構， 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度、高可鉆性巖層或沖積層到半磨蝕性巖層中，反井鉆機一般不采用。鑲齒鉆頭主要用在磨蝕性強的高抗壓強度的巖層中。導孔鉆頭的選擇，應根據工程巖石情況， 比廠家推薦的鉆頭適用范圍高一級使用。
二、 擴孔鉆頭的選擇 擴孔鉆頭由刀具、刀盤體、中心管、穩定器、冷卻裝置等部分組成。根據擴孔方式分為一次擴孔鉆頭和分次擴孔鉆頭。反井擴孔鉆頭
結構如圖4-3所示。 擴孔鉆頭應根據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的關鍵工具，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，單軸抗壓強度達到310MPa，這類巖石石英、長石等磨粒性強的礦物含量在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，破巖刀具費用達到1萬元/m以上，這樣必將限制了反井鉆機作為工程設備的推廣應用。為此，北京中煤礦山工程有限公司，對硬巖反井破巖滾刀進行了專項研究，研制出特殊的極硬巖滾刀，在泰安工程應用時其壽命達到125m以上，并經多個水電站不同巖石條件應用實踐，硬巖滾刀可以滿足不同工程需要，解決了硬巖地層中鉆進反井的難題，使反井鉆機能夠較 高效地破碎巖石，提高了反井鉆機功效，降低了工程成本。
圖4-3 反井擴孔鉆頭結構示意圖
第三節 輔助設施選擇
1. 導孔鉆頭選擇 第三節 輔助設施選擇
2. 循環液選擇
3. 循環泵選擇
4. 出渣設備選擇
5. 電控設備選擇
6. 冷卻系統選擇
反井鉆井施工鉆機穩裝（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3.0m×3.0m，混凝土基礎厚度可增 至0.8m以上。
（2） 注意事項。穩裝的好壞對鉆機工作十分重要。鉆進時，如果穩裝失效，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，為了不使鉆機穩裝失效，必須做好以下工作：
①安裝鉆機前的鉆機基礎準備工作，必須嚴格按照鉆機基礎設計施工，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，發現損壞的應及時更換，決不能敷衍湊數；
②安裝時，要按規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；
③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，發現稍有松動，務必及時緊固處理。
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