大直径硬质基岩井钻进7

大直径硬质基岩井钻进一、大直径井的界定标准

大直径井：钻孔直径φ≥800mm；中等直径井：钻孔直径φ=250～800mm；小直径井：钻孔直径φ≤250mm。

二、大直径基岩井的应用

桥梁、水工建筑、高层建筑基础、矿山通风井、国防工程用的地下核试验井、导弹发射井、雷达天线井、自来水工程的集水井、环境保护污水处理井等等。云南国土资源职业学院三、工程实例我国于1954年在修建武汉长江大桥时，曾采用钢粒钻进口径为φ2.5m的桥梁桩。到1960年前后，该项技术用于水利工程地质勘探井、工程质量检查井，后来由于国防需要，施工了深达数百米，井径为φ2.5～4m的地下核试验井。我国煤炭系统特殊钻凿工程公司曾采用钻井法施工井径φ9.3m、井深476m及井径φ9.0m、井深508.2m的大直径井，曾荣获国家科技进步一等奖和煤炭部科技进步一等奖。云南国土资源职业学院四、机械化钻进施工大直径井的优越性

与用人工凿岩挖井相比，具有无井下作业，劳动强度轻、效率高、成本低、生产安全等优点。五、大直径井施工存在的问题

大直径井在工程上的启用，还是近些年，其范畴为井径在0.5～5m之间，井深在百米范围之内，多用于桥梁基础、高层建筑基础、抗滑桩以及水工建筑的基础。而且要求越来越高，将原来的摩擦桩改为端承桩，这样就遇到了钻入基岩的问题。

云南国土资源职业学院六、大直径基岩井钻进特点

井的直径大又较浅：钻压很难满足要求；

钻井穿越地层复杂：软层要解决护壁问题，基岩要解决提高钻进效率问题；

钻进时产生的岩屑多：所选钻进方法应有利排粉；

钻进的阻力大：随井径的增大，扭矩成级数增加，所以配备的钻井设备庞大，功率消耗也大；

施工机具和辅助设施增大：引起设备及台班费用的增加。云南国土资源职业学院七、大直径基岩井碎岩方法分类

全断面破碎钻进：即将孔底岩石全断面破碎；

半无岩心钻进：即指岩心直径相对于孔径而言所占的比例较小，换句话说是大直径钻孔采取小直径岩心。钻头内径与外径比值为1:5；

环状取心钻进：由于破碎岩石面积减少，钻压和扭矩可减小，所以总功率相对较小，因而钻进效率高。大直径井环状钻进取心难点是在中硬以上硬岩中折断岩心和提取岩心。

云南国土资源职业学院八、大直径基岩井一般的施工方法

挖掘法成孔：只能用于浅孔、干孔及孔壁较稳定的地层；

硬质合金钻进：适于钻进表土层、淤泥层、砂土层、风化基岩层等；

钢粒钻进：适于钻进坚硬或研磨性强的岩石；

组合牙轮及滚刀钻进：在大直径基岩中钻进常用；

潜孔锤钻进：适于钻进硬而破碎的基岩。云南国土资源职业学院八、大直径基岩井一般的施工方法

1、挖掘法成孔

挖孔桩的孔径为0.8－3.0m，而且只能用于浅孔和干孔及孔壁较稳定的地层。传统的凿井法——即工人下入井内进行凿岩、爆破(挖掘)、通风、排水、出渣、支护等工序的施工方法。目前的人工挖孔桩是沿用了上列这套工序，不过机具、设备更简单，主要以人工为主。云南国土资源职业学院2、硬质合金钻进

适于钻进表土层、淤泥层、砂土层、砂砾、小颗粒卵砾石以及风化基岩层等。其钻头类型为翼状。钻头结构形式根据不同地层、不同循环方式有不同要求。在砂土、粘土层中正循环回转钻进：除笼式钻头外，还应广泛使多阶梯小翼片钻头；

在粘土层中进行反循环钻进：由于钻头容易糊钻，要求钻头翼板数量少；螺旋形矮翼板切削角小；翼板底边上的齿板间距大，呈梳齿状，切削具出刃大；钻头的结构见图7—1。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院

在砂砾、卵砾石层反循环钻进：由于大于吸渣口尺寸的卵砾石既难以破碎，又不能排出，给钻进造成障碍。为此，要求钻头结构应具有储渣筒，呈筐兜状，卵砾岩屑一但进入兜筐内随钻头一并提出孔外；另外，钻头应设置垂直、细长的钢齿，便于插入砂砾卵层，回转时能有效地疏松地层，兼有排、装、挤的功能。钻头结构如图7－2所示。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院

在硬质基岩中钻进：采用传统的大翼状钻头回转钻进，其效率极低，甚至不进尺。所以，不能把翼状钻头当作“万能”钻头使用，应设法提高硬质合金镶齿质量。国外大直径翼状钻头在切削具上提高了硬质基岩中的钻进性能，如钻头采用大扭矩抗冲击切削齿，能够钻进固结砂砾、巨砾卵石、基岩及钢筋混凝土等，并且使用寿命长。此外，人工合成超硬材料在工程施工中的应用，也为翼状钻头有效钻进硬质基岩创造了条件。如图7－3所示的钻头是镶金刚石复合片的翼状钻头，通过合理布置和安装复合片，能够提高钻头的抗冲击性，即使不加大钻头压力，也能够有效地钻进中硬和硬岩层。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院

3、钢粒钻进

设计的钢粒钻头应有利于压砂及带动钢粒滚动，能顺利地流通冲洗液，有利于导砂和补砂作用。钻头体材质应具有耐磨、寿命长和具有稳定性、导正性，成孔质量高等特点。显然，影响上述性能的主要因素是钻头体的材质、钻头磨盘材质、底面结构，水口形状尺寸，钻头体高度等。合理选择钢粒的材质及规格是钢粒回转钻进中另一主要问题。大直径硬质基岩井由于孔径大，钻屑多，冲洗液量大，钢粒的粒度必须大于常规地质勘探用的钢粒，否则易被冲洗液携带出孔口而不起作用；而且粒度大，磨盘单位面积下的颗粒数减少，每颗钻粒随着所受的压力增大，有利于破碎岩石，达到体积破碎。钻头结构如图7－4所示。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院

4、组合牙轮及滚刀钻进

牙轮及滚刀钻进是目前广泛用于大直径硬质基岩的钻进方法。组合式牙轮及滚刀钻头，是一种多刃组合式碎岩工具，它以轴承装在自身的回转轴及其支座上。工作时，既绕钻头中心轴线回转(公转)，又绕其自身的心轴回转(自转)。在回转过程中，交替地变换碎岩刃齿。碎岩工具牙轮和滚刀为独立克取碎岩的部件，单独安装在钻头上，也就是将单个滚刀或牙轮(掌)按一定水力学原理排列、组装在钻头体上，其碎岩机理仍然是牙轮和滚刀钻头的破碎机理，属于冲击凿碎一剪切滑动，既具有冲击碎岩作用，又有回转剪切碎岩作用。正由于牙轮及滚刀钻头是基于冲击剪切碎岩，因此，它能在相对较小的单位钻压下破碎较硬岩石。云南国土资源职业学院

牙轮和滚刀两者的区别

牙轮：呈全锥形，由于其心轴一端不外露，故均采用支点悬臂支承结构。

滚刀：呈截锥形，心轴两端外露，故采用双支点鞍式支承结构。云南国土资源职业学院

钻头类型及适用范围在实际应用中，用于大直径硬岩钻进的牙轮钻头和滚刀钻头，可根据具体施工情况选用不同结构型式和切削齿形。平底型牙轮钻头：适用于均质基岩地层钻进；

阶梯型牙轮钻头：适用于易斜地层；

镶齿型滚刀钻头：适用于硬岩；

钢齿或焊齿滚刀钻头：适用于中硬地层及较软地层。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院

九、卵、砾石、弧石、漂石地层的钻进

1、地层特征卵、砾石地层一般出现在峡谷出口处或河床地带，粒径从几厘米到30－50厘米；孤石漂石地层可随机分布于淤泥质粘土、流砂等软层中，一般岩性坚硬致密、表面光滑，可钻性达9－12级，单个粒径由50－700cm不等，是目前大直径钻孔施工中一大难题。

2、成孔难点卵砾石地层不胶结，破碎、排屑、护孔都较困难；孤石漂石表面光滑，自头导正作用差，孔斜严重超差；孔内钻具与岩石摩擦，导致钻杆折断和掉钻头事故。如图9和图10所示。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院3、钻进方法

粒径小于Φ10－50毫米：一般可用气举、泵吸全孔反循环直接排出孔外；也可用冲击挤密式钻头挤往孔壁或用贯通式反循环连续取心法排出孔外；

粒径在Φ100－200毫米：可用硬质合金筐兜式钻头直接捞出，钻头形式见图7－2，可用冲击挤密或用贯通式反循环连续取心方法成孔；

粒径在Φ300－400毫米：可用冲抓斗抓取，如图7－11所示，也可用大冲击钻头直接冲击由密成孔。

云南国土资源职业学院冲抓成孔：是冲击成孔方法的发展。它利用了冲击钻进和抽筒捞渣的优点，克服了它们的不足。冲抓锥是冲抓成孔的主要钻具。它是利用自身质量，以一定速度落下冲击破碎孔底岩石，并由其锥瓣直接抓取岩石，形成各类工程孔。根据施工地层情况，可以采用干孔裸眼成孔、泥浆护壁成孔、全套管护壁成孔等无循环施工技术。对环境无污染，施工技术简单，而且用途广泛，结构多样。有的适用于成孔，有的适用于成槽(即地下连续墙成槽机)。冲抓锥按孔底抓岩闭合锥瓣的方式不同，又可分为机械式和液压式冲抓锥。机械式冲抓锥又包括单绳和双绳冲抓锥。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院

探孔预爆法：即在大井原位，用小直径风动潜孔锤钻凿小孔，既是补充详勘，探明岩性及孤石、漂石分布情况(如遇到大孤石、漂石)又可作为装药爆破的炮眼。待大岩块炸碎后、再用大直径潜孔锤直接钻进。钻进工艺过程见图7－12所示。

探孔预爆法是在原岩中进行预爆，装药量可大一些，爆破效果会更好，也不需顾忌孔壁的坍塌问题，此法在长江三峡水利枢纽工程一期围堰防渗墙施工中，共爆破62个孔，取得了十分理想的效果。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院筒状钻头进行环槽破碎岩石+爆破+反循环排渣：用筒状钻头钻进，形成岩心，再从钻杆中下入炸药包炸碎炸裂岩心，再送风使潜孔锤工作，由筒状钻头顶部冲碎岩心，再用泵吸反循环排屑。这样反复钻进成孔，钻进工艺见图7－13。爆破方法有打眼爆破及聚能爆破两种。打眼爆破法：即在钻孔钻进遇到大孤石、漂石时，再在岩块上钻一个或多个小孔，在小孔内装药爆破。这种方法对比探孔预爆法虽可节省钻进工作量，但是在大孔内钻小孔必须先下小套管，同样会产生钻具偏斜，难于固定套管等问题。在实践中曾采用小口径金刚石钻头钻进，由于无法提高转速，结果不仅效率低，钻头寿命短，成本很高，而且实现上述钻小孔时，必须将孔中大直径潜孔锤钻具提出，增加了辅助时间。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院聚能爆破法：利用药包(柱)一端的孔穴来提高炸药的爆破破坏作用效应，称为聚能爆破。影响聚能爆破的威力，与下列因素有关：①炸药性能；②药包(柱)下端型罩的材料、形状、锥角、壁厚等；③炸高；④药包(柱)的壳体及几何形状。图7一14a是药包柱端部不带锥形孔穴的罩，爆炸产物沿近似垂直于药柱表面向四周飞散，作用于底面上的仅仅是从药柱一端飞散出的爆炸物，约等于药柱端面面积，所以，在底端只炸出一个很浅的凹坑。图7一14b药包(柱)药量虽然比a药包少，但由于在下端有一锥形孔，爆炸后在底部炸出一个较深凹坑；图7—14c是药包柱下端锥形