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大直徑工程井鉆井法鑿井技術

作者:admin 發布日期: 2020-04-06 二維碼分享

一、大直徑工程井


大直徑工程井首先是為滿足礦山生產需要,從礦山開掘而逐漸興起。


目前,大直徑工程井已廣泛應用在國防、礦山、交通、房建、市政工程等領域,且應用范圍越來越廣。


對于大直徑工程井尚缺乏統一的定義,在不同的工程領域,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。


優點及適用范圍:鉆井法鑿井具有機械化程度高、施工工序簡便、安全、質量易控制、適用地層廣等優點。尤其適用于地下水較豐富、第四系覆蓋層較厚或易發生涌砂的地區。



二、大直徑工程井鉆井法鑿井在國外的發展


1850年德國(肯特(Kind)利用改造的沖擊鉆完成了世界上..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雜,易掉入井內,故沒有得到發展。


1871年德國人霍爾格曼(Honigmann)開始試驗研究回轉式鉆機,完成了兩口直徑1.5m、深85m的井筒。1892年到20世紀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鉆具破碎巖石,一次成井或多次擴孔成井、減壓鉆進,用泥漿沖洗及護壁,懸浮法下沉井壁。它的成功給現代鉆井法鑿井打下了基礎,該鉆機的基本型式和工藝沿用至今。目前,在我國使用的鉆機也屬于此類鉆機。


美國1910年從西歐引進鉆井技術,大量應用是在20世紀50年代以后。據不完全統計,1953年~1967年間,美國用鉆井法鉆成直徑0.91~5m的豎井360余口,其中半數為地下核試驗井,其余用于煤礦、天然氣、鉀礦、鹽礦等工業。


美國鉆井界認為,當鉆井直徑<3.6m時,鉆井法具有.佳經濟效益,因而在小直徑硬巖鉆井設備和技術方面處于..地位。美國休斯公司利用研制的CSD-300型鉆機于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的風井。近幾年,美國鉆井機國際公司(SDI)在煤礦施工大直徑工程井近百口,豎井直徑為1.52~4.9m,深度達到426m,多用于風井和進水井。19世紀末,美國將鉆井法施工應用于大直徑樁基工程,并逐漸推廣應用。


前蘇聯1936年開始用鉆井法鉆井,1940年~1950年利用改裝的石油鉆機施工直徑5~6.2m井26口,總深為1840m,20世紀50~60年代,先后研制成功了Y3TM型分級擴孔鉆機、YKE型取芯鉆機、PTE型渦輪鉆機等。據統計,蘇聯先后制成了35種以上不同型式和規格的鉆機,施工井筒170余口,總工作量達42700m。


荷蘭也是使用鉆井法較早的國家,早在19世紀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,但發展較快。1962年日本從西德引進PS-150型反循環鉆井機,隨后,日立建筑機械公司、利根鉆機公司、加藤公司等相繼研制和發展基礎工程用反循環回轉鉆機,型號多至幾十種。1972年日本研制的MD360型、KSD-4型等巖石鉆機在日本本州——四國聯絡線橋梁基礎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型鉆機在大鳴門大橋基礎工程中完成了直徑4m及7m的鉆井。在日本橫濱港橫斷大橋跨徑460m的鋼斜拉橋的基礎中,鉆孔經多次擴孔至直徑10m,是目前世界上.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。



三、大直徑工程井鉆井法鑿井在我國的發展


大直徑工程井鉆井法在我國應分成三個方面:


——礦山豎井;包括煤礦、鐵礦等。

——樁基礎;主要應用于大型橋梁或高層建筑等領域

——國防工程的導彈發射井、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.煤礦領域

1963年煤炭科學研究院進行了鉆井法小型試驗,1968年底利用石油鉆機改裝成ZZS-1型中間試驗鉆井機,1969年在淮北煤礦礦區朔里南風井成功地鉆鑿了..個直徑4.3m,成井直徑3.5m,深90m的井筒,填補了我國鉆井法鑿井技術的空白。由于鉆井法施工技術新穎,優點突出,一些地區在很短時間內相繼配套了四臺性能類似的鉆機,并先后完成了20個井筒的施工。期間對鉆機的結構形式進行了各種探索,但均因可靠性不高、效率低等原因,每種鉆機僅施工一兩口豎井就被后來的專用鉆機所淘汰。但通過這些鉆機的工程實踐,比較完整地總結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的研制奠定了基礎。


從1972年開始,我國煤礦鉆井法施工進入了專用鉆井機階段,研制了一臺ND-1型鉆機;針對淮南、淮北礦區的地質條件,多家單位聯合研制了SZ-9/700型大型鉆井機和AS-9/500型大型鉆井機;也引進原西德產的L40/800型鉆機。這些鉆機為我國的大直徑工程井鉆井法施工做出了很大的貢獻。


與初期改裝的鉆機相比,鉆機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,基本適應了大直徑深井鉆井工程的需要。大鉆機采用抱鉤提升、轉盤旋轉無級調速,恒鉆壓自動給進,起下鉆具時各抱卡壓氣驅動,鉆進過程鉆進參數控制臺面自動顯示,集中操作等一系列先進技術,機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水平,這些鉆機已成為我國鉆井法突破500~600m深大井筒鉆進的基本設備。特別是在1982年~1997年間,兩臺AS-9/500型鉆機和兩臺L-40/800型鉆機共鉆成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的發展立下了大功。

進入21世紀后,鉆井法鑿井朝著兩個方向發展,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)公司研制了四臺中型鉆機,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、兩臺AS-9/500型鉆機、兩臺L40/800型鉆機進行了改造,提高了鉆機的能力。為進一步提高鉆進效率,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AS-12/800型豎井鉆機,該機設計大鉤提升能力6376kN,轉盤.大扭矩500kN·m,.大鉆孔直徑12m,鉆井深度800m。2005年開始研制的AD130/1000型鉆機,采用全液壓動力頭結構,鉆機.大提升力8000kN,鉆機扭矩達600kN·m,鉆井深度1000m,鉆孔直徑為13m,動力頭轉速為0~18r/min。這些新鉆機的投入,進一步促進我國煤礦鉆井法鑿井技術的發展。


至今,在煤炭行業,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、風井三個井筒,.大鉆井直徑達到了10.8m。

2.鐵礦領域

鐵礦相對于煤礦而言,基巖為脆性巖石(硬巖),巖石強度高達100MPa以上,鉆進更為困難,但鉆井直徑和深度較小,所施工的工程井數量也相對較少,目前可以說處于開始起步階段。


2004年,河北建設勘察研究院有限公司利用自行研制生產的GYD-400型全液壓動力頭鉆機在河北遵化完成了..口直徑3.4m的鐵礦豎井,豎井深度為59m。在此基礎上,針對鐵礦豎井施工的特點,河北建設勘察研究院有限公司進行了鉆井法施工工藝和設備的研究,2005年12月,該公司完成的《機械鉆孔豎井施工工藝研究》課題通過了..鑒定,2006年《機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。


結合鐵礦豎井鉆井法鑿井的特點,河北建設勘察研究院有限公司分別和洛陽礦山機械工程設計研究院、中升建機(南京)重工有限公司聯合研制了AD60/400型和ZSD-400型全液壓動力頭鉆機。其中AD60/400鉆機扭矩為300kN·m,鉆機提升力3000kN,鉆井深度400m,鉆孔直徑(一次成孔直徑)6m;ZSD-400鉆機扭矩為300kN·m,鉆機提升力3000kN,鉆井深度300m,鉆孔直徑(一次成孔直徑)4m。


到目前為止,在唐山地區已施工了鐵礦豎井40余口,鉆井直徑達6.3m,深度132m。

3.樁基礎

20世紀60年代初在大直徑鉆孔混凝土灌法樁開始應用,進而推廣至全國。隨著我國交通運輸事業的不斷發展,橋梁工藝的不斷更新,大型鉆孔施工機械的問世,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,其中韶關五里亭大橋采用了直徑Φ5.6m/Φ3.5m/Φ3.0m的變截面樁,湖南石龜山大橋采用鉆埋空心樁,.大鉆井直徑為Φ5.0m。



四、大直徑工程井鉆井法鑿井的發展趨勢


1.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、泥漿護壁、氣舉反循環排渣的施工工藝。礦山豎井多采用一次超前鉆孔、多次擴孔的成孔方法,而樁基施工則多采用一次鉆進成孔。


2.性能先進的專用鉆機不斷研制成功。近年來,一些單位加大了設備的投入,先后研制成功了AD60/400型、AS-12/800型、AD130/1000型等專用礦山豎井鉆機和KTY-400型、ZSD-400型等大型樁基鉆機,這些鉆機多采用液壓驅動,自動化程度高,性能先進,適應范圍廣,為大直徑工程井鉆井法鑿井技術的再發展奠定了基礎。


3.泥漿護壁技術和廢棄泥漿處理技術的不斷完善。隨著大直徑工程井向更深、更大的方向發展,鉆井施工的時間也會相應延長,這就要求泥漿具有更好的穩定性,并能根據地層的具體條件配制相應的化學泥漿,在煤礦大直徑工程井鉆井法施工中研究應用了深井泥漿;在大直徑樁基鉆井法施工中采用PHP化學泥漿護壁,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。目前通常采用優化泥漿循環系統、在泥漿中添加化學處理劑,以抑制原地層造漿;通過機械和化學處理,使泥漿中水土分離,對廢棄泥漿進行處理。


4.大直徑工程井的偏斜率要求較高,促進測斜技術不斷發展。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井井筒的施工。目前,通過對防偏斜技術的研究和測斜技術的不斷提高,鉆井法所施工的大直徑工程井偏斜率可控制在0.2‰之內。同時利用超聲波測井儀對鉆井進行測斜,.大測井直徑可達12m,測井深度達1000m,測量精度達5‰。


5.破巖機理及刀具研究不斷深入。隨著鉆井的深度增加,要求破巖刀具具有更好的耐壓性、耐磨性和較長的使用壽命。在大直徑工程井施工中,在表土層可采用刮刀鉆進,在基巖層采用滾刀破巖,根據巖石強度不同,可選用楔齒滾刀或球齒滾刀。破巖刀具已形成系列化產品,可破碎單軸抗壓強度180MPa之內的各類巖石。

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