反井钻机钻进工艺

反井钻进工艺  
反井钻机可用于施工竖井和斜井甚至可以施工水平钻孔，其主要施工工艺包括导孔钻进和扩孔钻进，在上部施工出反井钻机平台，浇筑钻机基础和其它辅助临时设施，安装钻机，由上向下钻进一小直径导孔，导孔钻头后，将扩孔钻头运到下部，拆下导孔钻头，连接扩孔钻头，由下向上扩孔。导孔钻进过程中破碎的岩石靠水泵或泥浆泵产生的压力水或泥浆排到地面，扩孔时岩屑靠自重落到下水平，由装载设备运出。 

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。  

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


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4-2 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。对于软岩滚刀刀齿接触时间可取小值，相反则应取大值。一般认为接触时间不快于0.02～0.03s之间比较适宜。对镶齿滚刀的转速（n），可用下式求得：
式中   n—转速，（r/min）；  c—滚刀大端半径，（cm）；  —同一排齿上两齿之间的夹角（°）； Rt—破岩所需量的接触时间，（s）；  Rb—钻头半径，（cm）。  例如，当c=15cm，Rb=60、70、100cm；Rt=0.02～0.03s， =10°～20°时，其n值如表4-3：
表4-3  不同钻头直径n值的变化
转速（r/min）     钻头半径（mm）  10°  15°  20°  600 13～20 20～31 27～41 700 11～17 17～26 23～35 1000  8～12 12～18 16～24 
（3）钻速  钻速是指单位时间内钻进长度，包括导孔钻速和扩孔钻速。它和钻机推进和提拉速度不完全相同，与地层条件、排渣有关。 
（4）钻孔倾角  钻孔倾角是指钻孔轴线和水平面的夹角。反井钻机钻孔倾角也是由工程需要确定，但一般要满足扩孔过程破碎下来的岩屑靠自重可以
自动下落；另一方面，随着钻孔倾角的变小，钻孔精度控制难度也在加大，综合考虑，一般要求钻孔倾角大于40°，这也可以满足一般地下工程需要。但对于一些市政管网，不能采用其它方法施工时，反井钻机也可以施工近水平孔，但工序复杂，要采取控制钻孔精度的特 殊设备，施工成本较高。 
（5）钻孔偏斜  钻孔偏斜是指导孔钻进开孔中心点和透孔中心点在垂直于钻孔设计轴线的平面内投影的最大偏移距离除以钻孔设计长度的百分比。它是衡量钻孔精度的重要依据。工程类型不同，对钻孔精度要求也不同，如对于一些通风孔，钻孔精度可要求低一些，但对于还要刷大的工程，钻孔至少要在开挖荒径内，要求钻孔精度高一些。钻孔精度与钻机和钻具设计结构有关，对反井施工实际操作有更重要的关系，即是衡量钻机性能和操作管理水平的重要指标。一些反井钻机虽然标明 钻孔偏斜率，但这并不是一个限定的指标，可作为参考。