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滾刀鑽頭在大口徑礦井施工

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  隨著我國工程建設的迅猛發展,大型礦井的建設日益增多,井筒的掘進施工是礦井建設的關鍵過程,采用合理的掘進方法對礦井的建設具有重要意義。到目前爲止,鑽井施工法仍然是一種最好的礦井掘進方法之一,這種施工方法操作全在地面進行,人員不用下井,安全可靠。
  在大口径矿井的钻井法施工中,一般井筒较深,通常钻进施工是在表土层、中软岩地层和硬岩地层等比较宽的地质条件范围内进行,大都选用滚刀钻头进行钻进,而矿井的直径和井深一般都比普通的工程柱桩孔的直径和井深大得多,其所用的滚刀钻头形状设计、刀座的选用、锥形滚刀锥角的选用以及布刀方法和布刀数量,都与钻进普通工程柱桩孔用钻头有所不同。在此就洛陽九久公司设计制造的大口径矿井钻进施工用滚刀钻头和应注意的一些问题做一简单介绍,共同商榷,以期提高大口径矿井井筒钻进施工的效率和经济性。
  1滾刀鑽頭的設計與制造
  大口徑礦井(直徑5米以上)的井筒成井,一般都是分級鑽進的。第一級鑽孔口徑的大小一般是根據工程的綜合因素來決定的,主要考慮的因素有礦井井深、地層條件、鑽機及配套設備能力、鑽進方法等,一般大都在φ3米-φ5米之間選取。我們設計制造的第一級鑽頭規格有φ3米、φ3.4米、φ4米、φ4.5米和φ5米幾種規格,其形狀有平底和錐底兩種;第二級、第三級的擴孔鑽頭的規格則要根據業主的礦井施工設計方案來決定。現就第一級滾刀鑽頭的設計制造和施工應用進行討論。
  1.1平底滾刀鑽頭的設計制造
  平底滾刀鑽頭結構簡單、價格便宜,配置鞍式刀座,配套選用12″的20°錐角的錐形滾刀(滾刀分焊接楔齒滾刀和鑲齒球齒滾刀兩種形式)。滾刀的潤滑方式有幹油潤滑和稀油潤滑兩種,一般的講,在中軟岩地層和中硬岩地層(硬度在45MPa-120MPa之間)條件下,對于淺井(深度在100米左右)的鑽井施工,選用幹油潤滑的焊齒滾刀即可滿足施工的需要,在中硬岩地層和硬岩地層(硬度在120MPa-180MPa之間)條件下,選用稀油潤滑的球齒滾刀爲宜;對于深井(深度在150米以上)的鑽井施工,同等條件下,選用帶自平衡活塞的稀油潤滑滾刀較好。
  就錐形滾刀的耐磨性而言,在鑽進過程中,滾刀在圍繞鑽頭旋轉中心進行公轉的同時,滾刀刀殼還要圍繞自身刀軸進行自轉,要使滾刀在施工過程中磨損小壽命長,除了滾刀材料本身要有良好的耐磨性外,還要在滾刀鑽頭的設計制造時盡可能減小滾刀的滑移,使每把滾刀都在純滾動的狀態下工作,才能實現其最高的耐磨性,使滾刀的使用壽命最大化。然而平底鑽頭在布刀時是不能保證每一把滾刀都滿足純滾動條件的,以12″的20°錐角的錐形滾刀爲例,滾刀的純滾動的公轉半徑爲925mm,也就是說12″的20°錐角的滾刀只有布置在直徑爲一米八五圓上的一圈滾刀才能實現純滾動,在小于該直徑上的滾刀和大于該直徑上的滾刀都不能實現純滾動,都會産生滑移加快滾刀的磨損,並且在偏離滾刀純滾動公轉半徑越大的地方滑移越大,産生的摩擦熱越大,消耗的動能也越大,同時還會增加鑽進阻力,使得刀具的消耗和能耗增加,鑽進效率降低。因此從理論上講,刀盤上各圈的滾刀應布置成錐角不等、直徑大小不同的滾刀才能實現純滾動,但這樣會增加刀具制造和備件供應的難度,一般仍選用同一規格的滾刀;另一個重要原因是當平底鑽頭直徑大于3米時排渣困難,考慮到綜合效益成本,一般在進行直徑爲3米以內的井筒鑽進施工時,選用平底鑽頭比較適宜。
  1.2錐底滾刀鑽頭的設計制造
  錐底滾刀鑽頭,它的結構複雜,有的需要制成分體組裝結構,(分成兩半、三半甚至四半)制造成本高,一般用于大口徑(直徑在3米以上)的礦井鑽進和特大口徑(直
  徑在5米以上)礦井的一級孔鑽進。
  用于深井(深度在150米以上)的鑽進施工的錐底鑽頭配套選用罐式刀座;用于淺井的鑽進施工的錐底鑽頭可以配套選用鞍式刀座和罐式刀座混合布置的形式,也可選用罐式刀座。配套的滾刀選用12″的6°錐角的稀油潤滑的帶自平衡活塞的錐形焊齒滾刀或鑲球齒滾刀(根據地層條件選用),這是因爲6°錐角的滾刀比20°錐角的滾刀的公轉純滾動半徑大,滾刀純滾動公轉半徑可以達到2860mm,可以有效的減小滾刀在鑽進施工過程中的相對滑移。鑽頭中心對稱布置兩把12″單支座中心滾刀,可以最大限度的減小中心滾刀的滑移,既滾刀與岩層的磨擦,降低能耗;其余各回轉半徑上的滾刀,可以通過改變錐面底板的錐度和罐式刀座的傾斜角來優化每把滾刀的公轉滾動條件,以達到使每把滾刀在鑽進過程中與岩層的相對滑移最小,減小滾刀與岩層的磨擦的目的,從而最大限度的提高滾刀的耐磨性,降低能源消耗,提高鑽進施工效率。錐底滾刀的另一個優點是它的定心效果好,擺動小,穩定性能好,但自糾偏效果差。又由于滾刀布置在錐底鑽頭上,在鑽進過程中滾刀與井底的岩石有一定的傾斜角,這樣就改變了鑽進時滾刀切削岩石的切削角,減小鑽進阻力。在鑽深井時配套使用帶自平衡活塞滾刀,隨著鑽進深度的增加,井筒內泥漿壓力增大,滾刀內腔油壓也隨之升高,使刀具密封的內外壓力差趨于平衡,起到保護密封的作用,提高密封的壽命,綜合來講,在鑽進大口徑深井時錐底鑽頭有平底鑽頭無法替帶的優點。
  2大滾刀鑽頭的正確使用和維護
  大直徑滾刀鑽頭與普通鑽頭相比較貴重,直接制約著鑽進速度、井筒施工質量、成本能耗等方面,特別是錐底滾刀鑽頭,結構比較複雜,價格也比較高,更換一個鑽頭要花費較大的代價。合理使用和及時維護是充分發揮大滾刀鑽頭的經濟效益最大化的關鍵因素之一,因此在使用過程中要密切注意以下幾個方面的問題,才能保證大滾刀鑽頭在正常狀態下工作並充分發揮大鑽頭應有的價值。
  2.1適當控制配重的加載質量,保證滾刀承載能力不超標。
  大口徑深井鑽進一般都是采用減壓鑽進的方法,大口徑滾刀鑽頭在設計制造時,若已知配套鑽機設備的能力參數是會考慮布刀的數量與之相匹配的,但不能保證每個鑽頭都固定在同一台鑽機上使用。因此施工單位在使用大鑽頭時,應根據鑽頭上的布刀數量配置配重的加載質量,通常在鑽進過程中要保持作用到每把滾刀上的平均壓力最大不應超過5噸。直徑在3米以上的大鑽頭,作用到每把滾刀上的平均壓力還應再小一點,這是因爲大鑽頭受力不均勻的可能性更大一些,而滾刀單個受力過大對滾刀壽命的影響是致命的。
  2.2及時正確更換滾刀,避免刀座、刀盤的磨損。
  在大口徑的深井鑽進過程中,應根據地層具體情況建立定期提鑽檢查制度,定期換刀。在鑽進過程中,如果在各個鑽進參數都正常的情況下,不能正常進尺,則可能是滾刀已經磨損嚴重,需要更換新的滾刀,以避免刀座和刀盤的磨損,同時可以減少能耗,提高綜合經濟效益。換刀時要注意三個問題:一是要掌握每把滾刀的實際應用時間,根據同一地層條件下同一種滾刀的使用壽命的統計結果,滾刀的剩余壽命不足以堅持到下一個換刀周期的要堅決更換掉;二是所更換的滾刀的直徑大小要基本一致,直徑誤差不得大于5~8mm;三是所更換的新滾刀錐度角必須與更換前所使用的滾刀錐度角一致,這一點非常關鍵,特別是在中硬岩和硬岩地層就顯得更爲重要,這是因爲井底已經按原使用的滾刀形成軌迹,也就是已按原使用滾刀的錐角形成不同直徑的環槽,若更換成與原使用滾刀錐角不同的滾刀,除了增加滾刀的滑動和磨擦外,勢必造成新滾刀與原軌迹不吻合,造成滾刀一端受力較大,磨損加快,甚至造成刀軸斷裂、刀座斷裂使滾刀掉落井底,後果嚴重。已有施工單位出現過這樣的問題,應引起有關施工人員的注意。同時改變滾刀的錐角也會引起滾刀的純滾動公轉半徑發生變化,更加大了滾刀的滑移磨擦,從而增加動能消耗和鑽進成本。
  2.3密切注意井底情況,發現異常及時停鑽排除。
  在大口徑的鑽進施工過程中,鑽機的功率一般都比較大,轉速也比較慢,鑽進過程中的井底異常情況應能及時發現,一但出現異常跳鑽和不進尺的情況,應立即停鑽分析原因,排除異常情況後再進行鑽進。尤其是井底有鐵塊硬物或超硬孤石等引起的跳鑽,這時減壓鑽進的減壓功能也會瞬間失去作用,巨大的壓力和沖量將會作用在一兩把滾刀上,引起刀齒崩裂、刀軸折斷、甚至刀座斷裂等破壞現象,如果不及時排除,進而將會引起其它滾刀的關聯惡性循環破壞,造成嚴重後果。
  2.4要保證鑽機設備能力與施工要求相匹配。
  前已述及,錐底大滾刀鑽頭的鑽進穩定性好,但自糾偏能力較差,因此在鑽進施工中,要充分考慮鑽機的穩定性,鑽機的支反扭矩、配重量的大小、減壓功能的調整,都要能抗衡鑽進時地層對鑽頭的反扭距的作用,保證鑽機的穩定性、可靠性,防止鑽機出現微量位移而産生斜孔,進而引起卡鑽或造成鑽頭變形、滾刀及刀座損壞等不應有的損失,更嚴重者,會造成井筒的斜度超標。
  3鑽頭及滾刀的研制和改進
  鑽頭結構是否合理將對鑽進工作的穩定性、成井的偏斜率、岩渣的吸收效果等都産生較
  大的影響,那麽在什麽情況下選用什麽樣的鑽頭結構形式,怎麽防止成井的偏斜、提高鑽進效率呢?我們從以下幾個方面來討論:
  3.1成井的偏斜率控制
  鑽井成井的偏斜率一直是鑽井施工的重要考核指標,在鑽機設備能力滿足要求的前提下,除在施工過程中嚴格按規範操作進行控制外,鑽頭的配套結構設計也是重要的一個方面。在鑽進第一級孔的淺井施工時,只要操作方法得當,成井的直線性一般都能滿足要求,但當鑽進深度超過150米以上的深井時,應考慮在設計鑽頭時配套設置後置同孔穩定器,以保證成井的直線性;當進行第二級或第三級的擴孔鑽進施工時,可以根據具體的施工條件,在設計鑽頭時配套設置超前孔穩定器或者同孔後置穩定器,以保證成井的直線性。穩定器(也有人稱爲導向器)對導直鑽孔、改善鑽進條件都有很好的效果,我們相繼研制成了托棍式、導板式和回轉式穩定器,起到了很好的效果。
  3.2改善滾刀布置和吸渣條件,提高鑽進效率
  大多數滾刀鑽頭滾刀布置安裝方法相同,即在永久固定的刀座上安裝可拆卸的滾刀,爲了備件供應和保管的統一方便,一般采用單一規格的滾刀。但對大直徑超深井的施工來講,這並不是最好的布刀方法,不利于滾刀作純滾動破岩切削,滾刀滑動量大、效率低。現在大直徑鑽頭的發展趨勢是在不同公轉半徑上的布刀,采用不同的安裝角度並布置不同尺寸和錐角的滾刀,使之接近純滾動,減小滑動現象,提高鑽進效率。另一點就是盡可能改善吸渣條件,合理設計吸渣口,配置適當比例的洗井介質,特別是在岩層中掘進時,保證岩渣及時排出,使滾刀在完全清潔的工作面上工作,能大大減少滾刀的磨損和能耗,提高鑽進效率。
  3.3改進滾刀的設計結構,提高其使用性能
  隨著近幾年大口徑礦井施工數量的增加,對滾刀的性能和使用壽命的要求不斷提高,我們對滾刀的耐磨性、承載能力和密封性能作了大量的研究改進工作。在刀齒焊接方面,針對不同地層選用不同合金刀片和堆焊焊條,力爭使刀齒耐磨性最好;在刀軸的制造工藝方面,我們改進設計結構,調整了熱處理工藝順序和參數,減小了應力集中的可能性,提高了承載能力;軸承材料也研制出了矽钼釩鋼系列。同時我們還對鑽進深井使用的滾刀密封作了大量改進,爲適應深井下的洗井介質的巨大壓力增加了滾刀自動調壓功能,並且我們還研制出了在軸承套圈上鑲嵌高耐磨性能的耐磨密封,使滾刀的潤滑和密封功能有很好的改善,滿足了大口徑深井的鑽進需要。目前我們公司已經開發研制出多種規格的系列滾刀,基本滿足各種地層、各種井筒的施工要求。

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