礦山建設(shè)：大直徑工程井鉆井法鑿井技術(shù)

大直徑工程井鉆井法鑿井技術(shù)一、大直徑工程井大直徑工程井首先是為滿足礦山生產(chǎn)需要，從礦山開掘而逐漸興起。目前，大直徑工程井已廣泛應(yīng)用在國防、礦山、交通、房建、市政工程等領(lǐng)域，且應(yīng)用范圍越來越廣。對于大直徑工程井尚缺乏統(tǒng)一的定義，在不同的工程領(lǐng)域，大直徑工程井的定義有所不同。如在樁基工程中，對于直徑大于800mm的樁，稱為大直徑樁;在水文水井工程中，對于井徑大于800mm的井，稱為大直徑工程井；在交通、市政工程中，對于污水曝氣井、通風(fēng)井等也稱為大直徑工程井。在礦山工程中，直徑一般均在2米以上，稱為大直徑工程井。優(yōu)點及適用范圍：鉆井法鑿井具有機(jī)械化程度高、施工工序簡便、安全、質(zhì)量易控制、適用地層廣等優(yōu)點。尤其適用于地下水較豐富、第四系覆蓋層較厚或易發(fā)生涌砂的地區(qū)。二、大直徑工程井鉆井法鑿井在國外的發(fā)展1850年德國（肯特（Kind）利用改造的沖擊鉆完成了世界上第一口直徑4.25m、深98m的井筒。但由于這種方法鉆井時鉆具受力復(fù)雜，易掉入井內(nèi)，故沒有得到發(fā)展。1871年德國人霍爾格曼（Honigmann）開始試驗研究回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)，完成了兩口直徑1.5m、深85m的井筒。1892年到20世紀(jì)50年代，歐洲國家采用霍爾格曼方法鉆成了40余個井筒，直徑在2?7.65m，井深為80?512m，總累計深度為5300m。這種鉆井法的特點是通過旋轉(zhuǎn)鉆具破碎巖石，一次成井或多次擴(kuò)孔成井、減壓鉆進(jìn)，用泥漿沖洗及護(hù)壁，懸浮法下沉井壁。它的成功給現(xiàn)代鉆井法鑿井打下了基礎(chǔ)，該鉆機(jī)的基本型式和工藝沿用至今。目前，在我國使用的鉆機(jī)也屬于此類鉆機(jī)。美國1910年從西歐引進(jìn)鉆井技術(shù)，大量應(yīng)用是在20世紀(jì)50年代以后。據(jù)不完全統(tǒng)計，1953年?1967年間，美國用鉆井法鉆成直徑0.91?5m的豎井360余口，其中半數(shù)為地下核試驗井，其余用于煤礦、天然氣、鉀礦、鹽礦等工業(yè)。美國鉆井界認(rèn)為，當(dāng)鉆井直徑＜3.6m時，鉆井法具有最佳經(jīng)濟(jì)效益，因而在小直徑硬巖鉆井設(shè)備和技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位。美國休斯公司利用研制的CSD-300型鉆機(jī)于1981年10月在澳大利亞西部的阿格紐鎳礦巖層中，鉆成一個直徑4.267m,深663m的風(fēng)井。近幾年，美國鉆井機(jī)國際公司（SDI）在煤礦施工大直徑工程井近百口，豎井直徑為1.52?4.9m,深度達(dá)到426m,多用于風(fēng)井和進(jìn)水井。19世紀(jì)末，美國將鉆井法施工應(yīng)用于大直徑樁基工程，并逐漸推廣應(yīng)用。前蘇聯(lián)1936年開始用鉆井法鉆井，1940年?1950年利用改裝的石油鉆機(jī)施工直徑5?6.2m井26口，總深為1840m,20世紀(jì)50?60年代，先后研制成功了丫3TM型分級擴(kuò)孔鉆機(jī)、YKE型取芯鉆機(jī)、PTE型渦輪鉆機(jī)等。據(jù)統(tǒng)計，蘇聯(lián)先后制成了35種以上不同型式和規(guī)格的鉆機(jī),施工井筒170余口,總工作量達(dá)42700m。荷蘭也是使用鉆井法較早的國家,早在19世紀(jì)90年代,荷蘭就采用霍爾格曼法鉆成直徑4.5m、深108m的煤礦豎井。1955年?1960年鉆成直徑7.65m、深度分別為512m和505m、完全不滲水，中心誤差僅為30mm的兩口豎井。在日本鉆井法使用較晚，但發(fā)展較快。1962年日本從西德引進(jìn)PS-150型反循環(huán)鉆井機(jī),隨后,日立建筑機(jī)械公司、利根鉆機(jī)公司、加藤公司等相繼研制和發(fā)展基礎(chǔ)工程用反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，型號多至幾十種。1972年日本研制的MD360型、KSD-4型等巖石鉆機(jī)在日本本州——四國聯(lián)絡(luò)線橋梁基礎(chǔ)工程中完成了在海底花崗巖中直徑3.6m的鉆井，1977年利用MD400型鉆機(jī)在大鳴門大橋基礎(chǔ)工程中完成了直徑4m及7m的鉆井。在日本橫濱港橫斷大橋跨徑460m的鋼斜拉橋的基礎(chǔ)中，鉆孔經(jīng)多次擴(kuò)孔至直徑10m,是目前世界上最大直徑的鉆孔樁。此外,英國、法國、加拿大、波蘭、羅馬尼亞等20多個國家也先后采用鉆井法完成了上千口大直徑工程井的施工任務(wù)。三、大直徑工程井鉆井法鑿井在我國的發(fā)展大直徑工程井鉆井法在我國應(yīng)分成三個方面：——礦山豎井；包括煤礦、鐵礦等。——樁基礎(chǔ)；主要應(yīng)用于大型橋梁或高層建筑等領(lǐng)域——國防工程的導(dǎo)彈發(fā)射井、核試驗井，天然氣、油、水的貯藏井等中也利用鉆井法施工大直徑工程井。1煤.礦領(lǐng)域1963年煤炭科學(xué)研究院進(jìn)行了鉆井法小型試驗，1968年底利用石油鉆機(jī)改裝成ZZS-1型中間試驗鉆井機(jī)，1969年在淮北煤礦礦區(qū)朔里南風(fēng)井成功地鉆鑿了第一個直徑4.3m,成井直徑3.5m,深90m的井筒，填補(bǔ)了我國鉆井法鑿井技術(shù)的空白。由于鉆井法施工技術(shù)新穎，優(yōu)點突出，一些地區(qū)在很短時間內(nèi)相繼配套了四臺性能類似的鉆機(jī),并先后完成了20個井筒的施工。期間對鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了各種探索,但均因可靠性不高、效率低等原因,每種鉆機(jī)僅施工一兩口豎井就被后來的專用鉆機(jī)所淘汰。但通過這些鉆機(jī)的工程實踐,比較完整地總結(jié)出了具有我國特色的大直徑豎井井筒的鉆井工藝,為煤礦大型專用鉆機(jī)的研制奠定了基礎(chǔ)。從1972年開始,我國煤礦鉆井法施工進(jìn)入了專用鉆井機(jī)階段,研制了一臺ND-1型鉆機(jī)；針對淮南、淮北礦區(qū)的地質(zhì)條件，多家單位聯(lián)合研制了SZ-9/700型大型鉆井機(jī)和AS-9/500型大型鉆井機(jī)；也引進(jìn)原西德產(chǎn)的L40/800型鉆機(jī)。這些鉆機(jī)為我國的大直徑工程井鉆井法施工做出了很大的貢獻(xiàn)。與初期改裝的鉆機(jī)相比，鉆機(jī)能力得到了很大的提高，提升能力由1300kN提高到3000kN，扭矩40kN-m提高到300kN-m。鉆深由150m提高到500m，直徑由4.3m提高9.3m，基本適應(yīng)了大直徑深井鉆井工程的需要。大鉆機(jī)采用抱鉤提升、轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)無級調(diào)速,恒鉆壓自動給進(jìn),起下鉆具時各抱卡壓氣驅(qū)動,鉆進(jìn)過程鉆進(jìn)參數(shù)控制臺面自動顯示，集中操作等一系列先進(jìn)技術(shù)，機(jī)械化和自動化程度較高，從而大大地提高了我國鉆井法鑿井的技術(shù)水平，這些鉆機(jī)已成為我國鉆井法突破500?600m深大井筒鉆進(jìn)的基本設(shè)備。特別是在1982年?1997年間，兩臺AS-9/500型鉆機(jī)和兩臺L-40/800型鉆機(jī)共鉆成7個400m以上的深大型井筒，為大直徑工程井鉆井法鑿井技術(shù)的發(fā)展立下了大功。進(jìn)入21世紀(jì)后，鉆井法鑿井朝著兩個方向發(fā)展，一是小型的淺表土井筒鑿井；一是大型的深厚沖積層井筒鑿井，特別是沖積層大于500m的井筒。中煤特殊鑿井（集團(tuán)）公司研制了四臺中型鉆機(jī)，在2000年?2005年間完成12個中小井筒，同時對一臺SZ-9/700型鉆機(jī)、兩臺AS-9/500型鉆機(jī)、兩臺L40/800型鉆機(jī)進(jìn)行了改造，提高了鉆機(jī)的能力。為進(jìn)一步提高鉆進(jìn)效率，加快建井速度，降低成本，滿足特大直徑井筒施工的需要，2004年研制并投入使用了八5-12/800型豎井鉆機(jī)，該機(jī)設(shè)計大鉤提升能力6376kN,轉(zhuǎn)盤最大扭矩500kN?m,最大鉆孔直徑12m,鉆井深度800m。2005年開始研制的AD130/1000型鉆機(jī)，采用全液壓動力頭結(jié)構(gòu)，鉆機(jī)最大提升力8000kN,鉆機(jī)扭矩達(dá)600kN?m,鉆井深度1000m，鉆孔直徑為13m,動力頭轉(zhuǎn)速為0?18r/min。這些新鉆機(jī)的投入，進(jìn)一步促進(jìn)我國煤礦鉆井法鑿井技術(shù)的發(fā)展。至今，在煤炭行業(yè)，鉆井法鑿井已竣工70多個井筒，累計長度超過16000m,其中深度超過300m的有21個，深度超過400m的有10個，施工井筒平均深度逐年增加。目前正在施工的板集煤礦主、副、風(fēng)井三個井筒,最大鉆井直徑達(dá)到了10.8m。2鐵.礦領(lǐng)域鐵礦相對于煤礦而言，基巖為脆性巖石（硬巖），巖石強(qiáng)度高達(dá)100MPa以上,鉆進(jìn)更為困難,但鉆井直徑和深度較小,所施工的工程井?dāng)?shù)量也相對較少,目前可以說處于開始起步階段。2004年，河北建設(shè)勘察研究院有限公司利用自行研制生產(chǎn)的GYD-400型全液壓動力頭鉆機(jī)在河北遵化完成了第一口直徑3.4m的鐵礦豎井，豎井深度為59m。在此基礎(chǔ)上，針對鐵礦豎井施工的特點，河北建設(shè)勘察研究院有限公司進(jìn)行了鉆井法施工工藝和設(shè)備的研究,2005年12月,該公司完成的《機(jī)械鉆孔豎井施工工藝研究》課題通過了專家鑒定,2006年《機(jī)械鉆孔礦山豎井施工工法》申報為河北省省級工法,為鐵礦豎井的鉆井法鑿井施工奠定了基礎(chǔ)。結(jié)合鐵礦豎井鉆井法鑿井的特點，河北建設(shè)勘察研究院有限公司分別和洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計研究院、中升建機(jī)（南京）重工有限公司聯(lián)合研制了AD60/400型和ZSD-400型全液壓動力頭鉆機(jī)。其中AD60/400鉆機(jī)扭矩為300kN-m,鉆機(jī)提升力3000kN，鉆井深度400m，鉆孔直徑（一次成孔直徑）6m；ZSD-400鉆機(jī)扭矩為300kN?m，鉆機(jī)提升力3000kN，鉆井深度300m，鉆孔直徑（一次成孔直徑）4m。到目前為止，在唐山地區(qū)已施工了鐵礦豎井40余口，鉆井直徑達(dá)6.3m，深度132m。3樁.基礎(chǔ)20世紀(jì)60年代初在大直徑鉆孔混凝土灌法樁開始應(yīng)用，進(jìn)而推廣至全國。隨著我國交通運輸事業(yè)的不斷發(fā)展，橋梁工藝的不斷更新，大型鉆孔施工機(jī)械的問世，樁基鉆孔直徑逐漸加大，到目前為止，全國許多大型橋梁都采用了大直徑鉆孔樁，其中韶關(guān)五里亭大橋采用了直徑①5.6m/①3.5m/①3.0m的變截面樁，湖南石龜山大橋采用鉆埋空心樁，最大鉆井直徑為①5.0m。四、大直徑工程井鉆井法鑿井的發(fā)展趨勢.形成完善的鉆井法鑿井工藝。大直徑工程井鉆井法鑿井基本采用減壓鉆進(jìn)、泥漿護(hù)壁、氣舉反循環(huán)排渣的施工工藝。礦山豎井多采用一次超前鉆孔、多次擴(kuò)孔的成孔方法，而樁基施工則多采用一次鉆進(jìn)成孔。.性能先進(jìn)的專用鉆機(jī)不斷研制成功。近年來，一些單位加大了設(shè)備的投入，先后研制成功了人口60/400型、AS-12/800型、AD130/1000型等專用礦山豎井鉆機(jī)和KTY-400型、ZSD-400型等大型樁基鉆機(jī)，這些鉆機(jī)多采用液壓驅(qū)動，自動化程度高，性能先進(jìn)，適應(yīng)范圍廣，為大直徑工程井鉆井法鑿井技術(shù)的再發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。.泥漿護(hù)壁技術(shù)和廢棄泥漿處理技術(shù)的不斷完善。隨著大直徑工程井向更深、更大的方向發(fā)展，鉆井施工的時間也會相應(yīng)延長，這就要求泥漿具有更好的穩(wěn)定性，并能根據(jù)地層的具體條件配制相應(yīng)的化學(xué)泥漿，在煤礦大直徑工程井鉆井法施工中研究應(yīng)用了深井泥漿；在大直徑樁基鉆井法施工中采用PHP化學(xué)泥漿護(hù)壁，均取得了較好的效果。由于大直徑工程井體積大，在鉆井過程中將產(chǎn)生大量的廢棄泥漿，抑制原地層造漿和對廢棄泥漿的處理是制約大直徑工程井鉆井法施工的重要因素。目前通常采用優(yōu)化泥漿循環(huán)系統(tǒng)、在泥漿中添加化學(xué)處理劑，以抑制原地層造漿；通過機(jī)械和化學(xué)處理，使泥漿中水土分離，對廢棄泥漿進(jìn)行處理。.大直徑工程井的偏斜率要求較高，促進(jìn)測斜技術(shù)不斷發(fā)展。鉆井偏斜率是影響大直徑工程井的一個主要方面。以前，由于井筒的偏斜較大，礦山豎井中鉆井法多用于風(fēng)井井筒的施工。目前，通過對防偏斜技術(shù)的研究和