礦山建設(shè)：大直徑工程井鉆井法鑿井技術(shù)

大直徑工程井鉆井法鑿井技術(shù)一、大直徑工程井大直徑工程井首先是為滿足礦山生產(chǎn)需要，從礦山開(kāi)掘而逐漸興起。目前，大直徑工程井已廣泛應(yīng)用在國(guó)防、礦山、交通、房建、市政工程等領(lǐng)域，且應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。對(duì)于大直徑工程井尚缺乏統(tǒng)一的定義，在不同的工程領(lǐng)域，大直徑工程井的定義有所不同。如在樁基工程中，對(duì)于直徑大于800mm的樁，稱(chēng)為大直徑樁;在水文水井工程中，對(duì)于井徑大于800mm的井，稱(chēng)為大直徑工程井；在交通、市政工程中，對(duì)于污水曝氣井、通風(fēng)井等也稱(chēng)為大直徑工程井。在礦山工程中，直徑一般均在2米以上，稱(chēng)為大直徑工程井。優(yōu)點(diǎn)及適用范圍：鉆井法鑿井具有機(jī)械化程度高、施工工序簡(jiǎn)便、安全、質(zhì)量易控制、適用地層廣等優(yōu)點(diǎn)。尤其適用于地下水較豐富、第四系覆蓋層較厚或易發(fā)生涌砂的地區(qū)。二、大直徑工程井鉆井法鑿井在國(guó)外的發(fā)展1850年德國(guó)（肯特（Kind）利用改造的沖擊鉆完成了世界上第一口直徑4.25m、深98m的井筒。但由于這種方法鉆井時(shí)鉆具受力復(fù)雜，易掉入井內(nèi)，故沒(méi)有得到發(fā)展。1871年德國(guó)人霍爾格曼（Honigmann）開(kāi)始試驗(yàn)研究回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)，完成了兩口直徑1.5m、深85m的井筒。1892年到20世紀(jì)50年代，歐洲國(guó)家采用霍爾格曼方法鉆成了40余個(gè)井筒，直徑在2?7.65m，井深為80?512m，總累計(jì)深度為5300m。這種鉆井法的特點(diǎn)是通過(guò)旋轉(zhuǎn)鉆具破碎巖石，一次成井或多次擴(kuò)孔成井、減壓鉆進(jìn)，用泥漿沖洗及護(hù)壁，懸浮法下沉井壁。它的成功給現(xiàn)代鉆井法鑿井打下了基礎(chǔ)，該鉆機(jī)的基本型式和工藝沿用至今。目前，在我國(guó)使用的鉆機(jī)也屬于此類(lèi)鉆機(jī)。美國(guó)1910年從西歐引進(jìn)鉆井技術(shù)，大量應(yīng)用是在20世紀(jì)50年代以后。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，1953年?1967年間，美國(guó)用鉆井法鉆成直徑0.91?5m的豎井360余口，其中半數(shù)為地下核試驗(yàn)井，其余用于煤礦、天然氣、鉀礦、鹽礦等工業(yè)。美國(guó)鉆井界認(rèn)為，當(dāng)鉆井直徑＜3.6m時(shí)，鉆井法具有最佳經(jīng)濟(jì)效益，因而在小直徑硬巖鉆井設(shè)備和技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位。美國(guó)休斯公司利用研制的CSD-300型鉆機(jī)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(gè)直徑4.267m,深663m的風(fēng)井。近幾年，美國(guó)鉆井機(jī)國(guó)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(dá)到426m,多用于風(fēng)井和進(jìn)水井。19世紀(jì)末，美國(guó)將鉆井法施工應(yīng)用于大直徑樁基工程，并逐漸推廣應(yīng)用。前蘇聯(lián)1936年開(kāi)始用鉆井法鉆井，1940年?1950年利用改裝的石油鉆機(jī)施工直徑5?6.2m井26口，總深為1840m,20世紀(jì)50?60年代，先后研制成功了丫3TM型分級(jí)擴(kuò)孔鉆機(jī)、YKE型取芯鉆機(jī)、PTE型渦輪鉆機(jī)等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，蘇聯(lián)先后制成了35種以上不同型式和規(guī)格的鉆機(jī),施工井筒170余口,總工作量達(dá)42700m。荷蘭也是使用鉆井法較早的國(guó)家,早在19世紀(jì)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(fā)展較快。1962年日本從西德引進(jìn)PS-150型反循環(huán)鉆井機(jī),隨后,日立建筑機(jī)械公司、利根鉆機(jī)公司、加藤公司等相繼研制和發(fā)展基礎(chǔ)工程用反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，型號(hào)多至幾十種。1972年日本研制的MD360型、KSD-4型等巖石鉆機(jī)在日本本州——四國(guó)聯(lián)絡(luò)線橋梁基礎(chǔ)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(jī)在大鳴門(mén)大橋基礎(chǔ)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(chǔ)中，鉆孔經(jīng)多次擴(kuò)孔至直徑10m,是目前世界上最大直徑的鉆孔樁。此外,英國(guó)、法國(guó)、加拿大、波蘭、羅馬尼亞等20多個(gè)國(guó)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(wù)。三、大直徑工程井鉆井法鑿井在我國(guó)的發(fā)展大直徑工程井鉆井法在我國(guó)應(yīng)分成三個(gè)方面：——礦山豎井；包括煤礦、鐵礦等?！獦痘A(chǔ)；主要應(yīng)用于大型橋梁或高層建筑等領(lǐng)域——國(guó)防工程的導(dǎo)彈發(fā)射井、核試驗(yàn)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(lǐng)域1963年煤炭科學(xué)研究院進(jìn)行了鉆井法小型試驗(yàn)，1968年底利用石油鉆機(jī)改裝成ZZS-1型中間試驗(yàn)鉆井機(jī)，1969年在淮北煤礦礦區(qū)朔里南風(fēng)井成功地鉆鑿了第一個(gè)直徑4.3m,成井直徑3.5m,深90m的井筒，填補(bǔ)了我國(guó)鉆井法鑿井技術(shù)的空白。由于鉆井法施工技術(shù)新穎，優(yōu)點(diǎn)突出，一些地區(qū)在很短時(shí)間內(nèi)相繼配套了四臺(tái)性能類(lèi)似的鉆機(jī),并先后完成了20個(gè)井筒的施工。期間對(duì)鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了各種探索,但均因可靠性不高、效率低等原因,每種鉆機(jī)僅施工一兩口豎井就被后來(lái)的專(zhuān)用鉆機(jī)所淘汰。但通過(guò)這些鉆機(jī)的工程實(shí)踐,比較完整地總結(jié)出了具有我國(guó)特色的大直徑豎井井筒的鉆井工藝,為煤礦大型專(zhuān)用鉆機(jī)的研制奠定了基礎(chǔ)。從1972年開(kāi)始,我國(guó)煤礦鉆井法施工進(jìn)入了專(zhuān)用鉆井機(jī)階段,研制了一臺(tái)ND-1型鉆機(jī)；針對(duì)淮南、淮北礦區(qū)的地質(zhì)條件，多家單位聯(lián)合研制了SZ-9/700型大型鉆井機(jī)和AS-9/500型大型鉆井機(jī)；也引進(jìn)原西德產(chǎn)的L40/800型鉆機(jī)。這些鉆機(jī)為我國(guó)的大直徑工程井鉆井法施工做出了很大的貢獻(xiàn)。與初期改裝的鉆機(jī)相比，鉆機(jī)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(yīng)了大直徑深井鉆井工程的需要。大鉆機(jī)采用抱鉤提升、轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)無(wú)級(jí)調(diào)速,恒鉆壓自動(dòng)給進(jìn),起下鉆具時(shí)各抱卡壓氣驅(qū)動(dòng),鉆進(jìn)過(guò)程鉆進(jìn)參數(shù)控制臺(tái)面自動(dòng)顯示，集中操作等一系列先進(jìn)技術(shù)，機(jī)械化和自動(dòng)化程度較高，從而大大地提高了我國(guó)鉆井法鑿井的技術(shù)水平，這些鉆機(jī)已成為我國(guó)鉆井法突破500?600m深大井筒鉆進(jìn)的基本設(shè)備。特別是在1982年?1997年間，兩臺(tái)AS-9/500型鉆機(jī)和兩臺(tái)L-40/800型鉆機(jī)共鉆成7個(gè)400m以上的深大型井筒，為大直徑工程井鉆井法鑿井技術(shù)的發(fā)展立下了大功。進(jìn)入21世紀(jì)后，鉆井法鑿井朝著兩個(gè)方向發(fā)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(tuán)）公司研制了四臺(tái)中型鉆機(jī)，在2000年?2005年間完成12個(gè)中小井筒，同時(shí)對(duì)一臺(tái)SZ-9/700型鉆機(jī)、兩臺(tái)AS-9/500型鉆機(jī)、兩臺(tái)L40/800型鉆機(jī)進(jìn)行了改造，提高了鉆機(jī)的能力。為進(jìn)一步提高鉆進(jìn)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八5-12/800型豎井鉆機(jī)，該機(jī)設(shè)計(jì)大鉤提升能力6376kN,轉(zhuǎn)盤(pán)最大扭矩500kN?m,最大鉆孔直徑12m,鉆井深度800m。2005年開(kāi)始研制的AD130/1000型鉆機(jī)，采用全液壓動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)，鉆機(jī)最大提升力8000kN,鉆機(jī)扭矩達(dá)600kN?m,鉆井深度1000m，鉆孔直徑為13m,動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速為0?18r/min。這些新鉆機(jī)的投入，進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)煤礦鉆井法鑿井技術(shù)的發(fā)展。至今，在煤炭行業(yè)，鉆井法鑿井已竣工70多個(gè)井筒，累計(jì)長(zhǎng)度超過(guò)16000m,其中深度超過(guò)300m的有21個(gè)，深度超過(guò)400m的有10個(gè)，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(fēng)井三個(gè)井筒,最大鉆井直徑達(dá)到了10.8m。2鐵.礦領(lǐng)域鐵礦相對(duì)于煤礦而言，基巖為脆性巖石（硬巖），巖石強(qiáng)度高達(dá)100MPa以上,鉆進(jìn)更為困難,但鉆井直徑和深度較小,所施工的工程井?dāng)?shù)量也相對(duì)較少,目前可以說(shuō)處于開(kāi)始起步階段。2004年，河北建設(shè)勘察研究院有限公司利用自行研制生產(chǎn)的GYD-400型全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)在河北遵化完成了第一口直徑3.4m的鐵礦豎井，豎井深度為59m。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)鐵礦豎井施工的特點(diǎn)，河北建設(shè)勘察研究院有限公司進(jìn)行了鉆井法施工工藝和設(shè)備的研究,2005年12月,該公司完成的《機(jī)械鉆孔豎井施工工藝研究》課題通過(guò)了專(zhuān)家鑒定,2006年《機(jī)械鉆孔礦山豎井施工工法》申報(bào)為河北省省級(jí)工法,為鐵礦豎井的鉆井法鑿井施工奠定了基礎(chǔ)。結(jié)合鐵礦豎井鉆井法鑿井的特點(diǎn)，河北建設(shè)勘察研究院有限公司分別和洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院、中升建機(jī)（南京）重工有限公司聯(lián)合研制了AD60/400型和ZSD-400型全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)。其中AD60/400鉆機(jī)扭矩為300kN-m,鉆機(jī)提升力3000kN，鉆井深度400m，鉆孔直徑（一次成孔直徑）6m；ZSD-400鉆機(jī)扭矩為300kN?m，鉆機(jī)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(qū)已施工了鐵礦豎井40余口，鉆井直徑達(dá)6.3m，深度132m。3樁.基礎(chǔ)20世紀(jì)60年代初在大直徑鉆孔混凝土灌法樁開(kāi)始應(yīng)用，進(jìn)而推廣至全國(guó)。隨著我國(guó)交通運(yùn)輸事業(yè)的不斷發(fā)展，橋梁工藝的不斷更新，大型鉆孔施工機(jī)械的問(wèn)世，樁基鉆孔直徑逐漸加大，到目前為止，全國(guó)許多大型橋梁都采用了大直徑鉆孔樁，其中韶關(guān)五里亭大橋采用了直徑①5.6m/①3.5m/①3.0m的變截面樁，湖南石龜山大橋采用鉆埋空心樁，最大鉆井直徑為①5.0m。四、大直徑工程井鉆井法鑿井的發(fā)展趨勢(shì).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(jìn)、泥漿護(hù)壁、氣舉反循環(huán)排渣的施工工藝。礦山豎井多采用一次超前鉆孔、多次擴(kuò)孔的成孔方法，而樁基施工則多采用一次鉆進(jìn)成孔。.性能先進(jìn)的專(zhuān)用鉆機(jī)不斷研制成功。近年來(lái)，一些單位加大了設(shè)備的投入，先后研制成功了人口60/400型、AS-12/800型、AD130/1000型等專(zhuān)用礦山豎井鉆機(jī)和KTY-400型、ZSD-400型等大型樁基鉆機(jī)，這些鉆機(jī)多采用液壓驅(qū)動(dòng)，自動(dòng)化程度高，性能先進(jìn)，適應(yīng)范圍廣，為大直徑工程井鉆井法鑿井技術(shù)的再發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。.泥漿護(hù)壁技術(shù)和廢棄泥漿處理技術(shù)的不斷完善。隨著大直徑工程井向更深、更大的方向發(fā)展，鉆井施工的時(shí)間也會(huì)相應(yīng)延長(zhǎng)，這就要求泥漿具有更好的穩(wěn)定性，并能根據(jù)地層的具體條件配制相應(yīng)的化學(xué)泥漿，在煤礦大直徑工程井鉆井法施工中研究應(yīng)用了深井泥漿；在大直徑樁基鉆井法施工中采用PHP化學(xué)泥漿護(hù)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(guò)程中將產(chǎn)生大量的廢棄泥漿，抑制原地層造漿和對(duì)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(yōu)化泥漿循環(huán)系統(tǒng)、在泥漿中添加化學(xué)處理劑，以抑制原地層造漿；通過(guò)機(jī)械和化學(xué)處理，使泥漿中水土分離，對(duì)廢棄泥漿進(jìn)行處理。.大直徑工程井的偏斜率要求較高，促進(jìn)測(cè)斜技術(shù)不斷發(fā)展。鉆井偏斜率是影響大直徑工程井的一個(gè)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(fēng)井井筒的施工。目前，通過(guò)對(duì)防偏斜技術(shù)的研究和