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反井钻机、钻头及刀具、辅助设施的选择
来源：www.zmgk.net 作者：admin 日期：2015-06-29 03:40:43 热度：630 ℃
第一节 反井钻机选择的依据
1． 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。
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。
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 钻头及刀具的选择
一、 导井钻头的选择 导孔钻头本身及导孔钻头与地层的匹配关系，对钻井的偏斜和钻进速度影响很大。软岩钻头采用较小夹角的长楔齿或碳化钨一字形镶齿；硬岩钻头则采用较大夹角的短楔齿或碳化钨半球形镶齿。此外，软岩楔齿或镶齿之间的间距比硬岩楔齿或镶齿之间的间距大。理想的反井导孔钻头应具有硬岩钻头设计的大多数特性，以获得最小的钻头移步量和最大的边刀强度。同时还应具有中等范围的内列切割结构， 以便在低钻压下能够获得最大的钻进速度。 近年来钻头设计甚至是软岩钻头设计都趋向于采用碳化钨镶齿刀具，如选用碳化钨半球形镶齿短型球齿的导井钻头，既满足了钻头 和地层的匹配关系，又减少了钻头本身的移步量。 反井钻机导孔钻头一般为三牙轮钻头，三牙轮钻头可分为铣齿钻头和镶齿钻头。铣齿钻头主要用在低抗压强度、高可钻性岩层或冲积层到半磨蚀性岩层中，反井钻机一般不采用。镶齿钻头主要用在磨蚀性强的高抗压强度的岩层中。导孔钻头的选择，应根据工程岩石情况， 比厂家推荐的钻头适用范围高一级使用。
二、 扩孔钻头的选择 扩孔钻头由刀具、刀盘体、中心管、稳定器、冷却装置等部分组成。根据扩孔方式分为一次扩孔钻头和分次扩孔钻头。反井扩孔钻头
一、 导井钻头的选择 导孔钻头本身及导孔钻头与地层的匹配关系，对钻井的偏斜和钻进速度影响很大。软岩钻头采用较小夹角的长楔齿或碳化钨一字形镶齿；硬岩钻头则采用较大夹角的短楔齿或碳化钨半球形镶齿。此外，软岩楔齿或镶齿之间的间距比硬岩楔齿或镶齿之间的间距大。理想的反井导孔钻头应具有硬岩钻头设计的大多数特性，以获得最小的钻头移步量和最大的边刀强度。同时还应具有中等范围的内列切割结构， 以便在低钻压下能够获得最大的钻进速度。 近年来钻头设计甚至是软岩钻头设计都趋向于采用碳化钨镶齿刀具，如选用碳化钨半球形镶齿短型球齿的导井钻头，既满足了钻头 和地层的匹配关系，又减少了钻头本身的移步量。 反井钻机导孔钻头一般为三牙轮钻头，三牙轮钻头可分为铣齿钻头和镶齿钻头。铣齿钻头主要用在低抗压强度、高可钻性岩层或冲积层到半磨蚀性岩层中，反井钻机一般不采用。镶齿钻头主要用在磨蚀性强的高抗压强度的岩层中。导孔钻头的选择，应根据工程岩石情况， 比厂家推荐的钻头适用范围高一级使用。
二、 扩孔钻头的选择 扩孔钻头由刀具、刀盘体、中心管、稳定器、冷却装置等部分组成。根据扩孔方式分为一次扩孔钻头和分次扩孔钻头。反井扩孔钻头
结构如图4-3所示。 扩孔钻头应根据岩石的坚硬程度来选择，有镶齿滚刀、盘形滚刀， 可参照表4-4选用。
表4-4 滚刀类型表
表4-4 滚刀类型表
三、 破岩滚刀 破岩滚刀是反井钻井技术的关键工具，特别是硬岩反井破岩滚刀。在大部分水电站，坝址岩石坚硬，如山东泰安抽水蓄能电站、四川自一里水电站、吉林白山水电站、福建穆阳溪水电站等，多为花岗岩地层，岩石坚硬，单轴抗压强度达到310MPa，这类岩石石英、长石等磨粒性强的矿物含量在70%以上。如在泰安抽水蓄能电站使用普
通滚刀，其寿命只有5～10m，工效非常低，破岩刀具费用达到1万元/m以上，这样必将限制了反井钻机作为工程设备的推广应用。为此，北京中煤矿山工程有限公司，对硬岩反井破岩滚刀进行了专项研究，研制出特殊的极硬岩滚刀，在泰安工程应用时其寿命达到125m以上，并经多个水电站不同岩石条件应用实践，硬岩滚刀可以满足不同工程需要，解决了硬岩地层中钻进反井的难题，使反井钻机能够较 高效地破碎岩石，提高了反井钻机功效，降低了工程成本。
图4-3 反井扩孔钻头结构示意图
第三节 辅助设施选择
1. 导孔钻头选择 第三节 辅助设施选择
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。
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