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大直径深反井施工工艺及新技术

大直径深反井施工工艺包括：导孔钻进，扩孔钻进，井筒刷大和井筒支护4 个阶段。
1 导孔钻进
    导孔施工是反井钻机施工，尤其是深反井施工的关键工序，导孔的偏斜率往往决定了整个深反井施工的偏斜率。由于反井钻具没有专业纠偏功能，在施工时虽然可以通过优化稳定钻杆布置、提高开孔精度、合理控制钻进参数等手段提高导孔施工的偏斜率。但对于较深井筒，尤其遇到倾角较大的岩层，导孔的偏斜率随深度呈几何倍数增长，甚至超过5%，造成导孔施工失败。随着国内外测斜与纠偏技术的发展，偏斜率要求较高的导孔可以采用定向钻具进行施工。
    目前国内较为常用的定向技术为第一代定向钻井技术，即利用螺杆钻具等造斜器纠偏，实现钻进方向的调整。螺杆钻具是利用钻井液在马达的进出口形成的压差，驱动转子带动钻头旋转，而带有弯角的钻具外壳不旋转，从而实现纠偏的目的。目前螺杆钻具在反井施工中应用受到限制：首先螺杆钻具长度通常为7 m 左右，而反井钻机动力头的最大行程只有2 m，不能直接在反井钻机上使用，施工定向孔时仍然需要钻探机、泥浆泵等常规钻探装备；其次螺杆钻具的输出扭矩较小，其钻孔直径通常达不到导孔要求，仍需要反井钻机扫孔形成导孔，因此工艺较复杂。
    垂直钻进系统是一种先进的钻井工具，它通过井下闭环控制系统，可实现井下自动纠偏，也可通过泥浆脉冲与地面通讯，保持导孔相对垂直的目的。该钻进系统外形类似反井钻机的稳定钻杆，适用于地层倾角较大、高陡构造带等复杂地质条件。
    其工作原理是利用径向可伸缩翼板的近钻头稳定器控制井斜。该系统具有：（1）控制精度高当井筒偏斜角＞0.01°时，系统即可启动；（2）效率高垂直钻进系统可以在没有地面人为干涉下自动控制钻进方向；（3）操作简便该系统直接安装在导孔钻头和反井钻杆之间，操作人员通过简单培训即可上岗。在反井施工中最成熟的技术是德国MICON 公司的RVDS 系统，其最长的部分1 815 mm，适合和反井钻机配合定向钻进，但造价比较高，且其使用寿命只有150~200 h，增加了工程的施工成本。国内目前尚处于引进阶段，在工程上使用有限。但利用垂直钻进系统是深反井导孔施工的发展趋势。
2 扩孔钻进
    反向扩孔是反井施工的特色工艺。由于岩渣在破碎瞬间即开始下落，减少了岩渣在工作面的重复破碎，实现了快速破岩钻进。
    近年来北京中煤矿山工程有限公司在反井设备和施工工艺方面，开展了大量的研究工作。新研制了ZFY5.0/600（BMC600）型反井钻机，配套Φ327 mm 锯齿形螺纹接头钻杆，在扩孔时最大可以输出7 000 kN拉力和450 kN·m 扭矩，应用在煤矿中硬岩层（岩石单向抗压强度＜120 MPa），钻凿直径5 m，深度600 m的竖井。扩孔钻头采用阶梯式分体组装，能够快速拼装成直径2.0～5.0 m 的反井钻头。人造金刚石涂层碳化钨硬质合金钻齿、双金属复合离心铸造的滚刀刀壳、矿用深井破岩滚刀恒压复合密封分别解决了滚刀钻齿耐磨性，滚刀刀壳耐磨性和滚刀的密封，提高了滚刀使用寿命，使滚刀的使用寿命超过1 500 m，充分保证滚刀满足深反井施工要求。通过大量的反井井筒施工，逐步积累了大直径反井扩孔钻进经验，实现钻压、扭矩、转速和钻进速度等参数的合理匹配，提高钻进效率；建立了反井扩孔钻进工程中井筒稳定性分析与风险控制体系，形成了普通大直径深反井施工的新工艺。
3 井筒刷大
    目前水电站和煤矿的大直径竖井钻进直径都在6～10 m，甚至有些水电站的调压井的直径达到20 m。由于受反井钻机能力限制，扩孔直径如果达不到大直径井筒设计要求，就需要进一步刷大。刷大时破碎的岩石从反井扩孔形成的溜渣井滑落，施工过程中还可以对溜渣井进行纠偏。
    （1）钻爆刷孔
    目前井筒刷大主要采用钻爆法施工。扩挖时利用反井扩孔作为溜渣井，全断面一次钻爆的方式开挖。采用多掘一砌多循环爆破施工方式，在爆破时严格控制单循环钻孔深度和炮孔间排距，降低矸石块度，适当加长分段延时爆破，减少溜渣井堵塞的可能性。
    （2）竖井掘进机刷孔
    目前北京中煤矿山工程有限公司研制有溜渣井的竖井掘进机2015 年即可投入使用，届时可以实现机械破岩刷孔施工，为井筒刷大施工提供新选择（见图2）。它利用反井钻机扩出的溜渣井做导井，施工时钻头旋转，滚刀将“V”形工作面的岩石滚压破碎，破碎岩石滚落进导井后由下部巷道运出，同时在掘进机的上部进行支护。竖井掘进机具有机械化程度高、智能纠偏、不需爆破、作业围岩扰动小、井下人员少、施工效率高、成井质量好、安全性高等优点，具有广阔的应用前景。

    2.4 井筒支护
    井筒支护（即砌壁）通常伴随井筒刷大同时进行。根据井壁质量要求不同，常采用的支护方式有挂网锚喷支护和滑模砌壁2 种方式。
    （1）锚喷支护
    喷射混凝土是将按一定比例配置的搅拌料，通过管道输送并利用压缩空气做动力高速喷射到井筒内壁，混凝土凝结硬化作为支护层。用插入井壁内的锚杆固定焊接金属网、桁架或钢带，然后在其上喷射混凝土，使钢筋、工作面及混凝土结合为一个整体联合支护，把这种加锚杆和金属网片的工艺称为挂网锚喷支护。挂网锚喷作业工艺流程：钻眼→打注锚杆→安装网→整形→初喷（封闭）→复喷成井。
    （2）滑模砌壁
    滑模即竖井整体移动金属模板主体由数段弧形模板块组成单缝式环状结构，并由数层圆环连成只有一个收缩口的刚性模板。靠活塞缸调节模板直径变化实现脱模、立模。由于金属模板具有刚性好、整体强度高、直径变化自如、多次拆装后变形量小等特点，在水电、煤矿等井筒砌壁时被广泛使用。采用整体移动金属模板砌壁时，混凝土由井口设置的搅拌机搅制，通过无缝钢管下放到吊盘上可旋转的分料管，利用分料管实现多工位浇筑。混凝土在插入式高频振捣器作用下浇筑更加密实，提高了井壁浇筑质量，实现快速高效砌壁。

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点击次数：更新时间：2015-7-17 15:17:04 【打印此页】【关闭】

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