我國礦山,水電,交通等地下工程需要建設(shè)大量井筒,作為進(jìn)出口,通風(fēng),安全逃逸通道等,許多井筒都有下部出口.以前這類工程采用的鉆爆法正向施工,在安全和效率方面存在許多問題,沒有充分利用大部分工程具有下部出口這一有利工程條件.

因此,本文提出反井鉆井法鑿井新工藝,達(dá)到綜合機(jī)械化破巖鉆進(jìn),操作人員不下井作業(yè),從根本解決鑿井安全問題. 反井鉆機(jī)采用的是由上向下鉆進(jìn)導(dǎo)孔,然后由下向上擴(kuò)孔的施工工藝,以前多用作爆破刷大的導(dǎo)井,作為反井鉆井鑿井法,需要一次擴(kuò)孔到所需直徑,鉆進(jìn)直徑從1.4m到5m,破巖面積增大12.7倍,需要解決大體積機(jī)械破巖,大面積暴露井幫穩(wěn)定及控制理論,以及相適應(yīng)的大直徑反井鉆機(jī).

本文對反井鉆井鑿井新工藝的研究背景,研究目標(biāo)及技術(shù)路線進(jìn)行了分析,確定了大直徑反井鉆機(jī)技術(shù)關(guān)鍵. 大體積破巖采用的盤形滾刀和鑲齒滾刀,本文對兩種滾刀破巖機(jī)理進(jìn)行理論分析,實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn),并采用LS-DYNA動態(tài)有限元,對鑲齒盤型滾刀破巖進(jìn)行了數(shù)值分析,在巖石為花崗巖條件下,兩種滾刀壓入巖體的深度與正壓力成正比,同樣正壓力條件下,鑲齒滾刀壓入深度大,且破碎單位體積巖石能耗相對小,為了達(dá)到同樣破巖效果,盤形滾刀所需壓力大,也增大了切向推力,這樣也需要更大的扭矩和鉆機(jī)功率,考慮反井鉆機(jī)特點(diǎn),本文認(rèn)為鑲齒滾刀更適合反井鉆井法鑿井大體積破巖.對于大直徑反井鉆機(jī)擴(kuò)孔鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,提出了力矩平衡鉆頭滾刀布置原則,形成了5m大直徑擴(kuò)孔鉆頭.在對滾刀及擴(kuò)孔鉆頭受力分析基礎(chǔ)上,研究確定了大直徑反井鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù):導(dǎo)孔直徑350-380mm,擴(kuò)孔直徑3.5-5.0m,拉力600kN,出軸轉(zhuǎn)速0-5rpm,扭矩300kNm等,為大直徑反井鉆機(jī)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ). 大直徑反井井幫需要在擴(kuò)孔鉆進(jìn),設(shè)備拆除及支護(hù)期間長時間暴露,井幫穩(wěn)定是反井鉆井鑿井法成敗的技術(shù)關(guān)鍵,地層條件,地應(yīng)力及地質(zhì)構(gòu)造是影響井幫穩(wěn)定的主要因素,本文建立了井幫力學(xué)分析模型,采用剪切破壞強(qiáng)度理論,確定了井幫失穩(wěn)條件,提出采用地層改性方法,通過對破碎地層的注漿加固,提高了軟弱地層的完整性和等效模量,使地層中的塑性變形區(qū)域消失,軟弱地層塌孔和縮頸的風(fēng)險(xiǎn)大大減小.通過計(jì)算對比,在煤礦巖石地層條件下注漿擴(kuò)散直徑在10m,能夠達(dá)到反井井幫穩(wěn)定. 

本文在分析大直徑反井鉆井穿過的不同地層條件的基礎(chǔ)上,研究確定5種反井鉆井鑿井工藝,包括大直徑反井一次成井,局部開挖預(yù)支護(hù),定向鉆進(jìn)導(dǎo)孔,地表局部不穩(wěn)定地層加固,局部破碎地層單孔加固,地面預(yù)注漿地層改性等,使反井鉆井鑿井法能夠在不同工程條件和地質(zhì)條件得到應(yīng)用.

本文對倒"T"新型大直徑反井鉆架結(jié)構(gòu)在鉆進(jìn),拆卸鉆桿過程中,鉆架受力及變形進(jìn)行了模擬計(jì)算,對分體式大直徑擴(kuò)孔鉆頭及滾刀布置進(jìn)行了分析,成功研制出5.0m大直徑反井鉆機(jī).在此基礎(chǔ)上,在煤礦井筒工程中進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn),通過工程實(shí)踐檢驗(yàn)了滾刀破巖及地層穩(wěn)定理論,大直徑反井鉆機(jī)的設(shè)計(jì)和反井鉆井工藝合理性,證明反井鉆井鑿井法的是一種可靠地鑿井工藝.