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第一章 反井钻机选择
煤矿、金属矿和非金属矿、水电站和蓄能电站、人防工程、交通、铁路和隧道、军事工程等地下工程施工环境、工程参数（深度、直径和倾角等）、地质条件（岩石岩性、硬度、抗压强度、结构等）千差万别；怎样正确地配置适宜施工机具、制订优异施工工艺、合理选择多种参数、落实可靠安全方法是反井钻井施工成败关键。
第一节 反井钻机选型
1． 设备选择依据
依据竖井或斜井施工综合条件，在确定采取反井钻井法施工后，即要开始选择反井钻机和配套设备及工艺选择。选择设备关键依据是：
（1） 工程条件。关键包含工程性质、用途、关键技术参数（井孔深度、终孔直径、井孔倾角度等）、相关工程情况。依据施工井筒深度和倾角等要求，结合现有设备及市场情况确定钻机。
（2） 地质条件。包含岩石物理力学性质、岩体产状、关键地质结构及参数、水文地质条件等。对于深孔、斜孔，应有钻孔位置勘探孔资料和地质柱状图。依据施工井位地质结构及岩性，确定冲洗液为泥浆或清水，从而选择用泥浆泵或水泵。
（3） 施工条件。运输条件，吊装条件和供电、供水情况。依据井位供电、供水、运输及井位下水平巷道开通情况确定钻机类型。通常在井位处应有供电、供水，含有钻机工作空间，在下水平巷道开通情况下，选择上扩法施工，应选择上扩类全断面反井钻机。在煤矿多选择电驱动液压反井钻机。
2． 可行性分析和风险评定
对工程施工条件进行分析，包含上下水平隧道是否形含有运输、出渣、供水、供电、通风等生产系统；
对地质条件进行分析，分析围岩在反井钻井施工过程中和扩孔期间能否稳定，不发生较大涌水和塌方，造成钻孔堵塞和下部设施淹没。因为在反井施工期间，无法进行支护，若围岩不能自稳，发生塌方，将会堵塞钻孔，造成事故；
对施工位置安全情况进行分析，包含交通运输、通风、隧道支护情况及稳定情况、洪水、有害气体等是否对施工人员和设备伤害程度。
综合以上分析，以确定是否含有采取反井钻机施工可能。
3． 反井钻机选择
3.1 钻孔参数确实定
工程本身已确定了钻孔深度和倾角，还要确定扩孔直径。钻孔作用是溜渣、排水、通风，所以要有足够断面强。需要再扩挖（刷大）工程，扩挖期间不发生堵塞。扩孔直径太小，除了轻易发生堵塞外，还增加了扩挖时打眼和出渣工作量，降低扩挖速度。导井直径过大，反井钻井施工成本增加，所以，钻孔直径选择必需合理，通常钻孔直径选择如表4-1。
表 4-1 钻孔直径选择参考
开挖直径（m）
通风井等偏斜精度要求低工程
井筒、压力管道等偏斜精度要求高工程
<2
一次钻成
一次钻成
2~3
一次钻成、用两个小直径孔替换、导井直径1m后扩挖
导井直径1m后扩挖
3~5
导井直径1~1.5m后扩挖
导井直径1~1.5m后扩挖
5~7
导井直径1.5~2m后扩挖
导井直径1.5~2m后扩挖
>7
导井直径2m后扩挖
导井直径2m后扩挖
3.2 选择破岩滚刀
反井钻机靠滚刀对岩石挤压、刮削和剪切破碎岩石，依据岩石矿物组成、硬度、磨蚀性和抗压、抗拉、抗剪等力学指标来确定滚刀齿形类型，选择以下：
岩石磨蚀性：低→中→高；
硬度：软→中硬→坚硬
齿形：楔齿→锥形→复合型→球形；
滚刀结构：单刃盘形滚刀（无镶齿）→多刃盘形滚刀（刀刃上镶齿）→无刃滚刀（刀体锥面镶齿）。
反井钻机滚刀选择后，依据岩石条件在扩孔钻头合理部署滚刀，也就能够确定，破碎岩石需要最大钻压。
如在抗压强度100MPa岩石中，钻进深度200m、直径1.4m钻孔，在扩孔钻头上需要部署6把中硬岩滚刀，每把滚刀需要约30kN破岩压力，整个钻头破岩钻压180kN。
3.3 钻杆选择
钻杆包含一般钻杆、稳定钻杆、接头钻杆，选择钻杆时要满足拉力和扭矩共同作用下强度、刚度要求，同时要达成一定抗疲惫破坏能力，钻杆连接丝扣要有通用性和交换性。钻杆选择完成后，钻杆重量是影响钻机选择原因。如有效长度1.0m、外径182mm钻杆，重量约155kg。稳定钻杆和接头钻杆外径，要予导孔钻头外径匹配。
3.4 反井钻机选择
首先依据钻孔深度、钻孔直径，初步选择对应反井钻机，然后对钻机关键技术参数进行验算：
实际工作拉力=动力头重量+扩孔钻头重量+钻杆重量+最大钻压
实际工作扭矩=破岩阻力矩+摩擦阻力
如在抗压强度100MPa岩石中，钻进深度200m、直径1.4m钻孔，能够初步选择LM－200型反井钻机（其参数前面以作说明），进行钻机拉力和扭矩验算：
实际工作拉力＝40kN（动力头及油缸重量）＋25kN（扩空钻头重量）＋200m×155kg×9.8（重力加速度）/1000＋180kN（钻压）＝548.8kN
扭矩
通常要求实际工作拉力不超出钻机设计最大提升力60%，扭矩不超出设计最大扭矩60%。在本例中LM－200型反井钻机最大拉力为850kN，实际工作拉力/最大拉力比是64.5％，LM－200型基础上满足工程要求，但也能够选择更大型号反井钻机。
第二节 辅助设施选择
1. 导孔钻头选择
2. 循环液选择
3. 循环泵选择
4. 出渣设备选择
5. 电控设备选择
6. 冷却系统选择
反井钻井施工钻机稳装（固定）
反井钻机在开钻前，必需将其固定在基础上或钻进峒室中，以承受因钻进而产生推拉力和扭矩，以预防机器偏移和振动，这种对钻机固定方法称之为钻机稳装。
（1） 技术要求。选定钻孔地点后，按主机基础图进行基础施工。该基础必需水平，而且要有足够强度。井字型框架在离扩孔直径地基上用数根底脚螺栓紧固，螺栓紧固形式可依据现场岩石（煤）情况而定，但每根螺栓锚固力不得低于4t，螺栓和井字框架和井字框架和钻机底脚板连接必需紧固，基础混凝土厚度不得小于300mm，强度不得低于25MPa标准强度。当钻机没有顶部支撑，则钻机自重及钻机在作业中反扭矩、反钻压全靠基础承受。基础施工好坏直接影响成井质量，甚至造成钻机稳装失效，所以，基础浮渣必需根本清除洁净，浇筑时必需捣固，仔细找平。对于井位是煤层或破碎地层及对井筒偏斜率要求较高深井，应合适加大基础面积和厚度，通常可将面积增至3.0m×3.0m，混凝土基础厚度可增至0.8m以上。
（2） 注意事项。稳装好坏对钻机工作十分关键。钻进时，假如稳装失效，往往会引发钻机偏移，机器振动急剧加大，钻进效率显著降低，严重时损坏钻杆、钻头和钻机各部件，甚至迫使钻进中止。实践证实，为了不使钻机稳装失效，必需做好以下工作：①安装钻机前钻机基础准备工作，必需严格根据钻机基础设计施工，混凝土质量符合技术要求，底脚螺栓质量、基础井字框架质量必需在基础施工前做认真检验，发觉损坏应立即更换，决不能敷衍凑数；②安装时，要按要求将全部紧固件固紧，尤其是基础底脚螺栓和基础井字框架及基础井字框架和钻机底脚板上螺栓、螺母，一定要逐一检验紧固；③钻进工作开始后，当班辅助工要依据钻机工作情况，常常注意检验关键性紧固件，发觉稍有松动，务必立即紧固处理。
第三节 反井钻进工艺
一、 反井钻机工艺原理
反井钻进工艺（关键说明第一类反井钻机），包含导孔钻进和扩孔钻进。反井钻进工艺原理是经过钻机电机带动液压马达，液压马达驱动水龙头，并利用液压动力将扭矩传输给钻具系统，带动钻杆及钻头旋转，导孔钻头或扩孔钻头上滚刀在钻压作用下，沿井底岩石工作面作纯滚动和微量滑移。同时，主机油缸产生轴向拉、压力，也经过动力头、钻杆作用在导孔钻头或扩孔钻头上，使导孔钻头滚刀在钻压作用下滚动，产生冲击载荷，使滚刀齿对岩石产生冲击、挤压和剪切作用，破碎岩石。被破碎岩屑在导孔钻进时被正循环洗井液冲洗，岩屑沿着钻杆和孔壁间环形空间由洗井液提升到钻孔外。在扩孔时岩屑靠自重直接落到下水平巷道内，采取装岩机和运输设备立即清理运出。导孔钻进时钻杆不停加长，从上水平到钻透下水平形成小直径（200～300mm）钻孔。以后将导孔钻头卸下，装上扩孔钻头。扩孔钻进时不停拆下钻杆，直到钻杆拆完，扩孔钻头从下水平拉到上水平为止。比如，钻凿Φ1.4m井孔时，只需先钻Φ216mm导孔，直至导孔钻透下水平巷道，将导孔钻头在此卸下，接上Φ1.4m扩孔钻头，再由下往上扩孔钻至上水平巷道即可。若需钻进Φ2.0m井孔，再将Φ1.4m钻头下放到下水平巷道拆掉，接上Φ2.0m扩孔钻头，继续由下往上钻进，直至钻头露出。
好反井钻机只是钻成高质量反井必需条件，必需依据不一样条件确定不一样施工工艺。反井钻机功效关键考虑是满足反井钻进推进和旋转基础要求，和其它方面辅助工艺要求，还要由掌握工艺技术人员实施，才能达成应有效果。
可见，反井钻机在地下恶劣环境、复杂地质条件下钻进地下工程，不仅需要有可靠设备，而且需要有适合钻进工艺，方便在达成一定质量要求前提下，安全、高效、快速完成施工任务。导孔作用是将钻具下放到下水平，方便连接扩孔钻头。导孔破岩量即使只占总破岩量2.5%或更小，但导孔钻进关系到钻孔质量，是反井施工关键。导孔垂直度决定了钻孔偏斜率；导孔钻进过程也是对地层探测过程，能够了解岩石性质、地质结构等，对扩孔钻头破岩刀具选择及工程支护方法选择全部有参考价值；还能够经过导孔，对稳定性较差地层进行预加固处理。导孔钻进时通常要求推进速度较快、推进压力大（有时需要上拉）、转速高。反井钻机钻进导孔施工工艺见图4-1。
扩孔钻进过程是大量破碎岩石过程，需要依据岩石条件选择破岩滚刀，部署扩孔钻头，制订对应钻进参数。扩孔钻进通常要求推进速度较慢、推进力大（上拉力大）、转速低，以达成钻进效率最高。反井钻机扩孔施工工艺见图4-2。
图4-1 反井钻机导孔工艺
1- 动力水龙头；2- 钻杆；3- 导孔钻头；4- 从泥浆泵压入泥浆；
5- 从环形空间返回携带岩渣泥浆；6- 泥浆循环池；7- 泥浆泵
图4-2 反井钻机扩孔工艺
1- 扩孔钻头；2- 下水平巷道；3- 扩孔自由落下岩渣
二、 钻进参数选择
（1） 钻压
钻压是指钻机施加给破岩滚刀上压力总和。但有效钻压应使岩石达成体积破碎，也就是能够达成合理钻进速度（m/h）。
钻进导孔时，钻压是钻机对钻具推力和钻具重量之和。为了确保钻孔垂直度，要恒压钻进。开孔时要以小钻压钻进，钻压大小依据钻孔直径、破岩刀具类型、钻进速度和地质条件而定。不一样类型岩石所需要钻压也不一样，通常情况下，对松软地层和过渡地层岩石抗压强度低，应采取低钻压，对坚硬岩石和稳定地层宜采取高钻压。在导孔快要钻透时，应逐步降低钻压。施工直径1.2m和2.0m钻孔时，在不一样岩石中，钻压和钻速关系，可参考表4-1、表4-2所表示。
表4-1 （D2 =1.2m）钻速和钻压关系
钻 速（mm/h）
钻 压（kN）
岩石抗压强度（MPa）
2500
1500
1000
500
300
20
116.2
103.9
90.0
40
207.8
180.0
146.9
80
311.8
270.0
220.3
155.9
120
450.0
367.4
259.8
160
367.3
281.7
表4-2 （D2 =2.0m）钻速和钻压关系
钻 速（mm/h）
钻 压（kN）
岩石抗压强度（MPa）
2500
1500
1000
500
300
20
205.5
183.8
159.2
40
367.6
318.4
249.0
80
477.5
389.9
120
649.8
459.5
160
643.2
498.3
（2） 转速
为了使岩石从岩体上破碎下来，必需使刀齿和岩石有足够接触时间。因为钻进过程中，钻具受力情况十分复杂，刀齿和岩石接触时间过短，破岩钻压关键消耗在使岩石发生变形，而使机械能损耗掉，只有合适接触时间，破碎效率才高，所以转速应满足导孔钻进和扩孔钻进需要。导孔钻进钻孔直径小，为提升导孔钻速和钻孔精度，需要转速高部分，采取三牙轮钻头，有对应推荐转速范围，通常取推荐下限。扩孔钻进时要考虑边刀最大线速度和刀齿破岩需要和岩石接触最短时间，转速要低部分，因为边刀自转速度限制，其大小关键依据扩孔直径确定。对于软岩滚刀刀齿接触时间可取小值，相反则应取大值。通常认为接触时间不快于0.02～0.03s之间比较适宜。对镶齿滚刀转速（n），可用下式求得：
式中 n—转速，（r/min）；
—滚刀大端半径，（cm）；
—同一排齿上两齿之间夹角（°）；
—破岩所需量接触时间，（s）；
Rb—钻头半径，（cm）。
比如，当=15cm，Rb=60、70、100cm；=0.02～0.03s，=10°～20°时，其n值如表4-3：
表4-3 不一样钻头直径n值改变
转速（r/min）
钻头半径（mm）
10°
15°
20°
600
13～20
20～31
27～41
700
11～17
17～26
23～35
1000
8～12
12～18
16～24
（3） 钻速
钻速是指单位时间内钻进长度，包含导孔钻速和扩孔钻速。它和钻机推进和提拉速度不完全相同，和地层条件、排渣相关。
（4） 钻孔倾角
钻孔倾角是指钻孔轴线和水平面夹角。反井钻机钻孔倾角也是由工程需要确定，但通常要满足扩孔过程破碎下来岩屑靠自重能够自动下落；其次，伴随钻孔倾角变小，钻孔精度控制难度也在加大，综合考虑，通常要求钻孔倾角大于40°，这也能够满足通常地下工程需要。但对于部分市政管网，不能采取其它方法施工时，反井钻机也能够施工近水平孔，但工序复杂，要采取控制钻孔精度特殊设备，施工成本较高。
（5） 钻孔偏斜
钻孔偏斜是指导孔钻进开孔中心点和透孔中心点在垂直于钻孔设计轴线平面内投影最大偏移距离除以钻孔设计长度百分比。它是衡量钻孔精度关键依据。工程类型不一样，对钻孔精度要求也不一样，如对于部分通风孔，钻孔精度可要求低部分，但对于还要刷大工程，钻孔最少要在开挖荒径内，要求钻孔精度高部分。钻孔精度和钻机和钻具设计结构相关，对反井施工实际操作有更关键关系，即是衡量钻机性能和操作管理水平关键指标。部分反井钻机即使标明钻孔偏斜率，但这并不是一个限定指标，可作为参考。
第四节 反井钻进洗井液
反井钻进洗井液关键用于导孔钻进，在施工中，应依据不一样地层，选择不一样钻孔洗井液，如清水、泥浆等。反井钻进通常采取正循环洗井方法，对于软岩和硬岩互层或破碎岩石，水敏性地层，和部分涌漏水地层，采取泥浆作为钻孔洗井液，故本节着重介绍泥浆洗井液。
一、 泥浆洗井液作用及其类型
1. 泥浆洗井液作用
（1） 经过钻孔洗井液往复循环，将孔底岩屑携带到孔外，保持孔底清洁。
（2） 冷却钻头、润滑钻具，或水力冲击松软地层，提升钻头进尺。
（3） 形成泥皮，保护孔壁，确保安全钻进。
（4） 借助孔内泥浆柱压力，可预防孔内坍塌、掉块、涌漏水等。
2. 泥浆洗井液类型
反井钻进泥浆洗井液采取水基泥浆，其关键组成部分是粘土、水和化学处理剂。其中，粘土为分散相，水为分散介质。按分散状态及应用范围，反井钻进泥浆洗井液属细分散钠基泥浆，也称淡水泥浆。其中，含盐量（NaCl）＜1%，含钙量（Ca2+）＜120mg/L，通常是用纯碱作处理剂。有时对一些地层还需加入部分有机处理剂，如降失水剂、增粘剂和稀释剂。
该种泥浆特点是固相（粘土）含量高，易分散于水中。它是经过粘土分散程度来调整泥浆多种性能，以满足钻进地层需要。
二、 泥浆洗井液基础原料
反井钻进常见水基泥浆洗井液，其关键基础原料为粘土和水，其中，粘土是关键组成部分，它性质对泥浆性能改变及化学处理效果有着直接影响。
1. 造浆粘土
反井钻进泥浆常见膨润土配制，对膨润土要求：
（1） 要使用钠质膨润土（可交换性离子，即钠离子）或钙土经改性处理为人工钠土。
（2） 蒙脱石含量高，阳离子交换容量大。
（3） 可溶性盐和非粘土矿物含量少。
（4） 膨胀倍数大，分散性好，造浆率高。
（5） 配制出泥浆流变特征好，失水量小。
2. 造浆用水
水是泥浆关键组成部分，水含有很强溶解能力，能溶解很多有机物和无机物。通常水中全部含有不一样杂质，最多是钙、镁等盐类。水中这些杂质存在对泥浆质量有着很大影响。假如造浆用水含杂质较多时，或矿化度高时，应事先加纯碱（Na2CO3）进行软化处理，或造浆后再对泥浆进行处理。
通常均就地取水配制泥浆，如河水、塘水、湖水、地下水等。这些水均含有不一样程度碳酸盐、重碳酸盐、氯化物、硫酸盐、硝酸盐、氧化物和氢氧化物等盐碱物质。它们能溶于水，呈离子状态。高价离子对泥浆性能影响很大，其中以钙镁离子影响最大。所以水矿化度要低，中硬度以下水为好。
三、 泥浆洗井液性能参数
反井钻进泥浆洗井液性能关键包含密度、粘度、失水量、含砂量、胶体率和PH值等。这些性能优劣直接影响护壁堵漏、排除岩粉、润滑钻具、冷却钻头、钻进效率、成本及安全钻进。在反井钻进过程中，为了适应不一样地层对泥浆洗井液性能要求，就必需向泥浆内加入一定量化学处理剂，来改善泥浆洗井液性能。这种方法也称为泥浆化学处理，其常见化学处理剂关键有：
（1） 碳酸钠（Na2CO3）。碳酸钠又称纯碱、苏打，易溶于水，强碱性。在配制新泥浆时，若加入适量纯碱，就能够增加钠离子和碳酸根离子，它能够使粘土改性，从而改变粘土水化性能，提升泥浆洗井液质量。
（2） 钠羧甲基纤维素（Na-CMC）。依据其溶液粘度大小，分为高粘度、中粘度和低粘度三种类型。通常多用中粘度型作为泥浆洗井液处理剂，增大泥浆洗井液粘度，降低泥浆洗井液失水量，提升泥浆洗井液胶体率。
（3） 三聚磷酸钠（Na5P3O10）。它是一个链状缩合磷酸盐，极易溶于水，可作为泥浆稀释剂，能有效降低泥浆粘度、切力，改善泥浆流变性，维持较低相对密度；稍降失水量，有利净化，降低含砂量，减薄泥皮等。在配有三聚磷酸钠泥浆中，PH值可保持在最适宜范围内，即呈中性或弱碱性。反井钻进泥浆性能参数选择参考值见表4-4。
表4-4 反井钻进泥浆性能技术指标
相对密度
粘度
（S）
静切力
（Pa）
失水量
（mL/30min）
泥皮厚度
（mm）
胶体率
（%）
PH值
1.10～1.20
﹤30
4.9～19.6
10～20
﹤3
100
7～8.5
第四节 钻头及刀具选择
一、 导井钻头选择
导孔钻头本身及导孔钻头和地层匹配关系，对钻井偏斜和钻进速度影响很大。软岩钻头采取较小夹角长楔齿或碳化钨一字形镶齿；硬岩钻头则采取较大夹角短楔齿或碳化钨半球形镶齿。另外，软岩楔齿或镶齿之间间距比硬岩楔齿或镶齿之间间距大。理想反井导孔钻头应含有硬岩钻头设计大多数特征，以取得最小钻头移步量和最大边刀强度。同时还应含有中等范围内列切割结构，方便在低钻压下能够取得最大钻进速度。
多年来钻头设计甚至是软岩钻头设计全部趋向于采取碳化钨镶齿刀具，如选择碳化钨半球形镶齿短型球齿导井钻头，既满足了钻头和地层匹配关系，又降低了钻头本身移步量。
反井钻机导孔钻头通常为三牙轮钻头，三牙轮钻头可分为铣齿钻头和镶齿钻头。铣齿钻头关键用在低抗压强度、高可钻性岩层或冲积层到半磨蚀性岩层中，反井钻机通常不采取。镶齿钻头关键用在磨蚀性强高抗压强度岩层中。导孔钻头选择，应依据工程岩石情况，比厂家推荐钻头适用范围高一级使用。
二、 扩孔钻头选择
扩孔钻头由刀具、刀盘体、中心管、稳定器、冷却装置等部分组成。依据扩孔方法分为一次扩孔钻头和分次扩孔钻头。反井扩孔钻头结构图4-3所表示。
扩孔钻头应依据岩石坚硬程度来选择，有镶齿滚刀、盘形滚刀，可参考表4-4选择。
表4-4 滚刀类型表
滚刀类型
适应岩石类型
岩石单向抗压强度（MPa）
盘型滚刀 镶齿滚刀
（ZY）
钙质胶结砾岩，坚固页岩、坚固泥灰岩、砂眼、泥灰质石灰岩、致密灰岩、片麻岩
≤110
盘型滚刀 镶齿滚刀
（Y）
坚固石灰岩、坚固砂质页岩、石灰质胶结致密砂岩、白云岩
110～160
镶齿滚刀
花岗岩、石英岩、辉绿岩、玄武岩等
160～200
三、 破岩滚刀
破岩滚刀是反井钻井技术关键工具，尤其是硬岩反井破岩滚刀。在大部分水电站，坝址岩石坚硬，如山东泰安抽水蓄能电站、四川自一里水电站、吉林白山水电站、福建穆阳溪水电站等，多为花岗岩地层，岩石坚硬，单轴抗压强度达成310MPa，这类岩石石英、长石等磨粒性强矿物含量在70%以上。如在泰安抽水蓄能电站使用一般滚刀，其寿命只有5～10m，工效很低，破岩刀具费用达成1万元/m以上，这么必将限制了反井钻机作为工程设备推广应用。为此，北京中煤矿山工程，对硬岩反井破岩滚刀进行了专题研究，研制出特殊极硬岩滚刀，在泰安工程应用时其寿命达成125m以上，并经多个水电站不一样岩石条件应用实践，硬岩滚刀能够满足不一样工程需要，处理了硬岩地层中钻进反井难题，使反井钻机能够较高效地破碎岩石，提升了反井钻机功效，降低了工程成本。
图4-3 反井扩孔钻头结构示意图
a - Ф1.4m中间孔扩孔钻头; b -Ф2.0m中间孔扩孔钻头
1- 中心管；2- 滚刀；3- 刀盘体；4- 稳定器；5- 冷却水软管
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