井巷特殊施工(鉆井法基本原理)課件

第3章鉆井法§1

概述§2

鉆井設(shè)備§3

井筒鉆進§4

洗井與凈化§5

鉆井井壁§6

鉆井破巖機理§7

鉆井參數(shù)§8

立井鉆機的基本計算§9

反井鉆機定義：鉆井法是用鉆頭破碎巖石，用洗井液進行洗井排碴和護壁，當井筒鉆至設(shè)計直徑和深度以后，在洗井液中進行支護的機械化鑿井方法。鉆井法鑿井的主要工藝過程有鉆進、泥漿洗井護壁、下沉預(yù)制井壁和壁后注漿固井等。第3章鉆井法§1

概述1－天車；2－鉆塔；3－吊掛車；4－游車；5－大鉤；6－水龍頭；7－進風管；8－排漿管；9－轉(zhuǎn)盤；10－鉆臺；11－提升鋼絲繩；12－排漿槽；13－主動鉆桿；14－封口平車；15－鉆桿；16－鉆頭；17－二層平臺；18－鉆桿行車；19－鉆桿小吊車；20－鉆桿倉鉆進時，鉆頭的部分重量加在刀具上，使刀具壓入巖石，轉(zhuǎn)盤通過方鉆桿和鉆桿帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)破碎工作面巖石。在大直徑井筒中鉆井，為減小設(shè)備功率和重量，常采用多次擴孔的鉆進方式。鉆頭破碎下來的巖碴，由洗井液沖至吸收口吸入，經(jīng)鉆桿、水龍頭、排漿管至沉淀池沉淀。洗井液循環(huán)的動力是壓氣排液器(空汽吸泥機)產(chǎn)生。洗井液還起著維護井幫的作用。護壁作用在表土層中尤為重要，常常是選擇洗井液材料的主要依據(jù)在井筒鉆至設(shè)計直徑和深度后，一般是將地面預(yù)制好的井壁在井口聯(lián)結(jié)后下沉到井內(nèi)(漂浮下沉法)。也可以一段一段的下放到井筒中(分段下放法)。然后進行壁后注漿，充填井壁與井幫間的間隙。最后排除井筒內(nèi)的水，用鉆井法鑿井的工作就完成了。鉆井法除用機械刀具破巖外，已提出應(yīng)用高壓水射流等新技術(shù)破巖；以及在井筒涌水不大或用預(yù)注漿堵水后，利用綜合掘進機組鑿井，它也是用刀具等方式破巖?？傊@井法雖在破巖刀具和鉆井的方式方法上、洗井介質(zhì)的選用上多種多樣，但它們有共同的特點：即破巖方法是用機械力、高壓水等非爆破的方法。因此也稱作“非爆破破巖類施工法”。第3章鉆井法§1

概述鉆井法施工的地面化(掘進機組除外)、機械化，改變了傳統(tǒng)的井下作業(yè)方式，工作安全可靠，施工質(zhì)量好。從技術(shù)上講鉆井法可用于任何地層。在軟巖中．鉆井直徑小于6米時，技術(shù)經(jīng)濟效果好。直徑大的井筒，或巖石很堅硬時，技術(shù)經(jīng)濟指標不夠理想?，F(xiàn)鉆井深度和直徑都還受到鉆井設(shè)備能力的限制。第3章鉆井法§1

概述1854年德國工程師Kind采用沖擊鉆鉆鑿第一個直徑4.25m，深度98m井筒。近幾十年，德國大量采用鉆井法鉆鑿風井和疏干井，僅萊茵褐煤公司鉆進的疏干井就有2000多個，365000m。前蘇聯(lián)是應(yīng)用鉆井法的主要國家之一，1979年創(chuàng)造月成井160m的記錄。美國1910年才引進鉆井法，50、60年代出于地下核試驗和其他工程的需要，鉆井法得到廣泛應(yīng)用。僅美國原子能委員會內(nèi)華達洲地下核試驗場，在1960~1983年期間鉆鑿600多個，其中在阿留審群島的井筒深達1829m。第3章鉆井法§1

概述1969年元旦，我國第一口采用鉆井法鉆鑿的煤礦立井井筒是淮北朔里南風井，直徑4.3m，深90m。1984年施工鉆井直徑9.3m，成井直徑7m，深469m的淮南謝橋西風井的深大井筒，并實現(xiàn)全套設(shè)備國產(chǎn)化，綜合技術(shù)達到國際先進水平。1999年淮北許瞳礦井的主、副、風三個井筒，同時采用鉆井法施工，主井、風井，偏斜分別為0.21‰和0.1‰。第3章鉆井法§1

概述第3章鉆井法§1

概述第3章鉆井法§1

概述一、鉆井設(shè)備的組成鉆井法鑿井所用設(shè)備主要為鉆井機，簡稱“鉆機”。另有一些起重運輸、清碴、供電等輔助設(shè)備。最初的鉆機是借助于石油鉆機設(shè)備改造而成的，—般以地面轉(zhuǎn)盤鉆機為主。隨著大直徑鉆井工藝的完善及礦山鉆井的特殊要求，研究制造了礦山專用的鉆機。近年來反向鉆機發(fā)展很快，潛入式鉆機和井下掘進機組也有所發(fā)展。第3章鉆井法§2

鉆井設(shè)備(三)提吊系統(tǒng)包括鉆塔、絞車及其傳動裝置(簡稱“絞車”)復(fù)滑輪組(包括天車、游車、鋼過繩等)、大鉤。提吊系統(tǒng)的主要用途是提升或下放鉆具，以及在鉆進時提吊鉆具并調(diào)節(jié)給進速度，以達到控制鉆壓的目的，砌井時它提吊和下放并壁。近年來，國外開始用液壓缸裝置代替現(xiàn)有的絞車、天車和游車。(四)洗井系統(tǒng)煤礦大直徑鉆井一船用反循環(huán)洗井。洗井液自溝槽依自重流入并筒，在壓氣排液器的作用下，洗井液流動沖洗工作面上的巖碴至鉆頭的吸入口進入鉆桿，上升至水龍頭，流入排漿管，經(jīng)溜槽到沉淀池。洗井系統(tǒng)的功用是及時清除鉆頭破碎的巖碴，避免刀具重復(fù)破碎巖碴，以提高鉆進的速度和效率。同時對刀具進行冷卻。洗井系統(tǒng)的設(shè)備主要有水龍頭(也叫“緩轉(zhuǎn)器”)，壓氣排液器、排漿管和溜槽。在地面有沉淀凈化和清出巖碴等輔助設(shè)備。壓氣排液器的動力是空氣壓縮機供給的壓縮空氣。第3章鉆井法§2

鉆井設(shè)備(五)其它輔助設(shè)備包括各種專用車．例如：轉(zhuǎn)臺、封口平車等；各種專用起重運輸設(shè)備，如龍門吊車、吊車、吊卡、卡瓦等；各種專用儀表；打澇工具；供電供水等設(shè)備。鉆機的型式很多，它都是由上述的幾個系統(tǒng)組成。只是各個系統(tǒng)中由于工藝的特點使設(shè)備的位置或結(jié)構(gòu)不同而已。隨著鉆井技術(shù)和機械制造工業(yè)的發(fā)展，鉆機也將逐漸改進。

第3章鉆井法§2

鉆井設(shè)備二、鉆具系統(tǒng)的設(shè)備(一)鉆頭鉆頭是由刀具、刀盤(或鉆頭體)、中心管、加重塊、穩(wěn)定器等部分組成。由于鉆進方式不同鉆頭結(jié)構(gòu)也不同。轉(zhuǎn)盤鉆機在大直徑井筒中一般采用擴孔的鉆進方式。其鉆頭結(jié)構(gòu)形式分為超前孔鉆頭和擴孔鉆頭。例如我國sz9/700型鉆機；Bz—1型鉆機等。一次全斷面鉆進的鉆頭和超前孔鉆頭相似，僅直徑不同

第3章鉆井法§2

鉆井設(shè)備第3章鉆井法對鉆頭的要求：1)鉆頭的刀具和吸收口布置有利于破巖和工作面沖洗；2)鉆頭結(jié)構(gòu)具有足夠的強度和保持減壓鉆進時所必須的重量；3)結(jié)構(gòu)易于拆卸、組裝、運輸、檢修和打撈。鉆頭轉(zhuǎn)動平衡、平穩(wěn)。井下動力鉆機的鉆頭和傳動裝置連在一起。第3章鉆井法§2

鉆井設(shè)備第3章鉆井法第3章鉆井法第3章鉆井法在軟巖中多用楔齒滾刀。刀體一般用合金鋼鍛造而成。它是我國目前常用的一種破軟巖的刀具。刀齒的幾何形狀和布置對破巖效果和刀齒磨損有很大影響，目前以楔形為主。對于頁巖等較軟的巖石，齒尖角可小些；對稍硬的巖石如砂巖等，齒尖角可大些。也可以把齒形改為展開線形或拋物線形的。在硬巖石和極硬巖石中，一般選用球齒滾刀。球齒是用碳化鎢和鈷混合制形后．電燒冶制而成。齒鉚固在刀體上。球齒滾刀的刀座、刀體及結(jié)構(gòu)基本上與楔齒滾刀相同。球齒的形狀有半球、拋物線形和橢圓形。我國在堅硬的巖石中使用半圓形球齒滾刀．效果很好。球齒滾刀能承受很大的鉆壓，適用堅硬耐磨的巖石。其破巖塊度小，刀具成本高。由于它的壽命比楔齒滾刀高幾倍，因此有些研究者認為：按每把刀破巖體積計算，球齒滾刀的成本有可能比楔齒滾刀更合理。盤形滾刀有單刀刃的和多刀刃的，刀圈是由合金鋼制成，刀刃上堆焊硬質(zhì)合金或鑲硬合金齒。盤形滾刀適用于中硬以上的脆性巖石破巖塊度大，比能值小，多用在反向鉆井中。第3章鉆井法§2

鉆井設(shè)備鉆井中刀具的消耗量很大。是鉆井成本的建要組成部分。在使用中刀具常發(fā)生以下的問題：1)表土鉆進時的鉆頭泥包，除了和洗井凈度有很大關(guān)系外，刀具本身的形式和排列是很重要的影響因素。這是目前正待解決的一個重要問題；2)滾刀的損壞主要是軸承兩端密封不理想，洗井液滲入使軸承損壞，刀具卡住不轉(zhuǎn)造成刀具損壞、落齒、甚至刀具從刀盤上脫落。刀具的密封正在研究改進中，3)落齒和刀體破壞的重要原因是加工的問題?？偟膩碚f是刀具壽命不夠長，有待提高。第3章鉆井法§2

鉆井設(shè)備2．刀盤刀具按鉆進的需要安裝在刀盤上。大直徑鉆頭的刀盤一般采用拼裝結(jié)構(gòu)、比較小的超前鉆頭的刀盤采用整體結(jié)構(gòu)。刀盤的結(jié)構(gòu)形式有封閉式；半封閉式和敞開式三種。為提高洗井效果，在小直徑鉆頭多采用封閉式，大直徑鉆頭可采用半封閉式的。刀盤底面有平底、錐底、截錐底、球底和臺階式等多種形式。對于這些形式的優(yōu)劣其說不一。當錐底角較大利于洗井凈度，也有的研究者認為平底利于井直。吸收口采用偏心布置，一個或兩個均可，但其面積的總和約為鉆桿過流斷面的1．4倍左右為好。第3章鉆井法§2

鉆井設(shè)備第3章鉆井法第3章鉆井法3．中心管中心管的作用是把鉆桿傳來的扭矩傳給刀盤使鉆頭旋轉(zhuǎn)；承受鉆頭的重量；它的內(nèi)斷面是洗井液循環(huán)的通道。中心管一般由高強合金鋼管(例如35鉻銅鋼)加工的，上端焊有鉆桿接頭，下端與底法蘭盤或刀盤相連結(jié)。中心管受力狀況很復(fù)雜。鉆井實踐說明；焊接加工的質(zhì)量已成為中心管質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)。4．加重塊的作用是保證鉆頭所需要的重量。在結(jié)構(gòu)上可以把加重塊用螺栓聯(lián)接成整體圓筒來承受部分由于鉆頭傾斜所產(chǎn)生的彎矩。5．穩(wěn)定器對鉆頭起扶正和導向的作用。從構(gòu)造上有的穩(wěn)定器隨鉆頭旋轉(zhuǎn)，我國多采用此種形式。也有在中心管處裝軸承而使穩(wěn)定器不旋轉(zhuǎn)的。第3章鉆井法§2

鉆井設(shè)備(二)鉆桿鉆桿是由兩端帶接頭的無縫鋼管所組成。鉆桿在起下鉆具時，承受鉆具在洗井液中的重量，動力系數(shù)一般取1．2—1．3。在鉆進過程中，鉆桿即傳遞全部扭矩又承受拉力，拉力的數(shù)值是在洗井液中鉆頭重量的40一60％及鉆桿重量之和。也可以按鉆具(鉆頭與鉆桿)重量之和的2／3計算。按這兩個工作狀況計算選擇鉆桿壁的厚度。由于鉆扦受力大且復(fù)雜，一般選用合金的無縫鋼管。sz9／700鉆機采用35鉻鉬Φ406毫米的無縫鋼管，壁厚20毫米。第3章鉆井法§2

鉆井設(shè)備鉆桿接頭常用型式有三種：1．花鍵牙嵌式接頭：這種接頭是由花鍵螺紋式接頭發(fā)展來的。原來螺紋承拉，在裝拆鉆桿時扭螺紋費工費時，改進由牙嵌承受拉力，仍由花鍵傳遞扭矩。這種接頭已為我國目前普造采用。例如sz9／700鉆機和Bz—1鉆桿都用這種接頭。2．螺栓法蘭盤接頭：這種接頭扭矩和拉力都由螺栓承擔。西德L40型鉆機的鉆桿采用這種接頭。3．錐紋接頭：它同石油鉆機鉆桿的螺紋接頭相似，美國至今仍廣泛應(yīng)用螺紋接頭，即使在雙層鉆桿和三層鉆桿中也用錐螺紋接頭。這種接頭必須用專用工具擰緊或拆卸，其接頭制造精度和工藝要求很高。第3章鉆井法§2

鉆井設(shè)備第3章鉆井法第3章鉆井法三、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)備(一)轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生扭矩用以驅(qū)動鉆具旋轉(zhuǎn)的設(shè)備叫轉(zhuǎn)盤。1．大直徑鉆井對轉(zhuǎn)盤的技術(shù)要求1)轉(zhuǎn)盤的扭矩和轉(zhuǎn)數(shù)能滿足鉆井要求。在扭矩不變的情況下能改變轉(zhuǎn)數(shù)，一般要求轉(zhuǎn)數(shù)從0至30轉(zhuǎn)／分的范圍內(nèi)變化，經(jīng)常使用5—10轉(zhuǎn)／分，為此轉(zhuǎn)盤多用直流電動機或液壓馬達驅(qū)動。2)能承受鉆頭和鉆桿的全部載荷。3)裝有方補心的中心孔能通過鉆桿接頭。4)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，適宜野外條件工作。安裝、運輸和維修方便。第3章鉆井法§2

鉆井設(shè)備2．常用的幾種轉(zhuǎn)盤立井鉆機最初的轉(zhuǎn)盤是從石油鉆井的轉(zhuǎn)盤改裝的。由于其扭矩小(約4噸米)，后按大直徑鉆井需要設(shè)計制造了專用轉(zhuǎn)盤。最大扭炬30噸米，電動機400于瓦，通孔直徑Φ900毫米。它結(jié)構(gòu)緊湊、整體性好，安裝也方便。Bz—1型表土鉆機的轉(zhuǎn)盤的規(guī)矩為12噸米，通孔直徑Φ750毫米。它的特點是用四臺75千瓦直流電動機驅(qū)動，減小了齒輪模數(shù)，加工方便。它也具有結(jié)構(gòu)緊湊，整體性好，安裝方便的特點。西德L40鉆機采用兩臺或四臺液壓馬達驅(qū)動的大通孔轉(zhuǎn)盤。它的通孔直徑2110毫米。兩臺液壓馬達驅(qū)動可獲21噸米扭距．四臺液壓馬達同時工作，可得42噸米的扭矩。美國把轉(zhuǎn)盤和水龍頭二個設(shè)備的功用合在一個設(shè)備上，叫動力水龍頭(簡稱“動力頭”)。它也用液壓馬達驅(qū)動。液壓驅(qū)動和直流電動機驅(qū)動都可滿足鉆井的要求，液壓驅(qū)動在控制上比較簡單。第3章鉆井法§2

鉆井設(shè)備

(二)方鉆桿方鉆桿下端與鉆桿相接，上部與水龍頭相連，套在轉(zhuǎn)盤的方補心里，隨轉(zhuǎn)盤而轉(zhuǎn)動。方鉆扦的形式有四方形和六方形兩種(圖4—20)，帶方的長度應(yīng)比一根鉆桿長1米左右．以方便鉆進。sz9／700鉆機采用六方鉆桿，六方部分的長度為10．3米。方鉆桿受有轉(zhuǎn)盤方補心傳來的擠壓和扭矩及提吊系統(tǒng)的拉力。它的截面尺寸是在受這三力共同作用下計算選擇的。其內(nèi)管及接頭與鉆桿相同。與水龍頭間目前仍用螺紋連接為多．第3章鉆井法§2

鉆井設(shè)備第3章鉆井法四、提吊系統(tǒng)設(shè)備(一)鉆塔鉆塔承受提吊系統(tǒng)的全部裁荷，它是一個塔形的鋼結(jié)構(gòu)物。鉆井對鉆塔的要求是：1)底跨尺寸能滿足鉆機鉆最大直徑并筒的需要；且各種專用車(臺)運行無阻；2)二層臺以下的開口高度允許最長鉆桿和預(yù)制井壁進入鉆塔并移運至井口；3)在提吊的名義負荷和設(shè)計允許最大風力以內(nèi)均保證有足夠的強度和穩(wěn)定性；4)整體性好，拆裝移運方便，重量輕。第3章鉆井法§2

鉆井設(shè)備我國鉆塔形式有桁架式截頭棱錐型和四柱剛架式(圖4—21)。sz9／700鉆機等用這種結(jié)構(gòu)形式。衍架式鉆塔安裝拆除不便，剛性差。四柱剛架式鉆塔整體性強。國外用大直徑無縫鋼管或型鋼代替剛架。我國QZ型潛入式鉆機用卷焊大直徑鋼管作為柱腿。Bz—1鉆機把龍門起重機和鉆塔兩設(shè)備合并為可移動的龍門式鉆塔，簡化了井口設(shè)備和基礎(chǔ)工作量，實用效果也很好。西德L40鉆機用可移動n型鉆塔(圖4—22)o它由兩很大直徑鋼管作主受力柱腿，項部為箱形天車梁，每根柱腿有一個斜支腿。柱腿和斜支腿部鉸接固定在井口梁上。斜支腿上有液壓缸可以使鉆塔向前或向后傾斜，以配合鉆井操作需要。鉆塔用拖車平放運輸，安裝用絞車自行拉起，比較方便。第3章鉆井法§2

鉆井設(shè)備第3章鉆井法(二)絞車絞車是提吊系統(tǒng)的動力。它通過鋼絲繩復(fù)滑輪組和大鉤來完成提升或下放鉆具的工作。根據(jù)鉆井的需要，絞車應(yīng)具有以下性能：1．主提升工作狀態(tài)：即提下鉆具時，絞車和復(fù)滑輪組大鉤一起都承受大載荷，提絞速度較低。起、下一根鉆桿后，又要提吊單根鉆桿，這時載荷小，而速度應(yīng)大為提高，在起、下鉆具時這兩種工作狀況頻繁交替。因此絞車一般采用直流電動機或液壓馬達驅(qū)動。提升工作狀態(tài)時的額定提升速度為5—8米／分；提吊單根鉆桿速度則按電動機功率及轉(zhuǎn)數(shù)可相應(yīng)提高。2．鉆進工作狀態(tài)：在鉆進過程中，隨著工作面的向下推進，應(yīng)當以相應(yīng)的速度不斷的下放鉆頭，保持刀具始終在所確定的鉆壓下連續(xù)進行破巖工作。這種持續(xù)保持下放鉆頭的工作叫鉆頭給進。給進速度快，鉆壓增加．反之則鉆壓不足。我國一般采用等鉆壓給進，為此絞車要具有根據(jù)壓力傳感器的信號自動的調(diào)整滾筒的轉(zhuǎn)數(shù)和方向，以保持鉆壓不變。3．要求剎車靈活可靠。絞車安裝、移運、調(diào)整均方便，重量輕。第3章鉆井法§2

鉆井設(shè)備(三)復(fù)滑輪組鋼絲繩穿繞天車和游車構(gòu)成復(fù)滑輪組，用以增加提吊系統(tǒng)的提升能力。鋼絲繩穿繞天車和游車后，一端固定在井口基礎(chǔ)上或鉆塔上稱為死繩；另一端纏繞在絞車滾筒上稱為活繩(或快繩)：復(fù)滑輪組的表示方法是；游車滑輪數(shù)x天車滑輪數(shù)，例如：7x8，即表示游車滑輪7個，天車滑輪8個，有效繩數(shù)為14絞車用的鋼絲繩不僅受力大，負荷變化大，而從在各滑輪上多次彎曲摩擦，因此要求鋼絲繩除具有必要的強度，還要有良好的柔性和耐磨性。（四）大鉤源于石油鉆機，提吊系統(tǒng)與水龍頭或鉆桿的抓聯(lián)裝置通稱為大鉤。第3章鉆井法§2

鉆井設(shè)備五、洗井系統(tǒng)設(shè)備(一)水龍頭水龍頭這個名稱也是從石油鉆機的借用。它是提吊系統(tǒng)的不旋轉(zhuǎn)部分與旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)部分的過渡環(huán)節(jié)，故也叫緩轉(zhuǎn)器。它又是洗井液循環(huán)的出口和供壓風管的入口。(二)壓氣排液器和風管壓氣排液器是洗井液循環(huán)的動力。它隨鉆井深度的增加，而需要改變其沒入深度和供氣量。風管是向井下輸送高壓空氣的管路。風管均采用無縫鋼管，其外徑不超過鉆桿內(nèi)徑的1／4—1／3為宜。每節(jié)風管采用螺紋聯(lián)結(jié)和橡膠圈密封。風管的最下端為壓氣排液器的混合器。我國鉆機現(xiàn)均采用中心風管供壓縮空氣，這種方法設(shè)備簡單，對鉆桿無特殊要求。第3章鉆井法§2

鉆井設(shè)