定向?qū)Э兹亲兓蕦Υ笾睆椒淳@具掃孔影響研究

郝浩杰，荊國業(yè)，韓 博

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

隨著對我國礦產(chǎn)資源的持續(xù)開發(fā)，淺部資源已逐漸趨向枯竭，資源開發(fā)不斷走向地球深部[1，2]，豎井是進入深部地層的主要通道，作為地下空間利用和礦井生產(chǎn)全生命周期服務的核心構(gòu)筑物和安全保障，承擔著人員、設備、物料、產(chǎn)品的運輸和礦井通風等重要功能[3-5]。目前井筒施工以鉆眼爆破普通法鑿井為主，具有設備簡單、成本低、故障率低、維修方便等優(yōu)點，但各道工序均需要人員在淋水、低溫、潮濕的艱苦環(huán)境中作業(yè)，受到高強度噪聲、粉塵污染等職業(yè)傷害，面臨井筒突水、煤層瓦斯突出、塌方、落物等安全事故的風險較大[6]。機械破巖技術(shù)代替爆破技術(shù)[7-9]解決了反井施工的安全隱患問題，避免了傷亡事故，提高了工作效率。

反井鉆的施工工藝是先將反井鉆機安裝到上水平巷道，采用小直徑鉆具從上到下進行先導孔的鉆進，中間過程中用泥漿洗井排渣，當先導孔鉆透以后，在下部巷道卸下導孔的三牙輪鉆頭，裝上大直徑擴孔鉆頭，然后沿著導孔反拉至上部巷道進行破巖作業(yè)，破碎的巖屑靠著自身自重從擴孔滾刀處自由落下至下水平巷道，最后用刮板運輸機或者鏟車等裝運設備自下工作面運出[10]。導孔鉆進作為反井鉆機鉆井法施工的第一道工序，其破巖量只占總破巖量的2.5%或更小，但導孔的成孔質(zhì)量直接影響反井鉆井成井的質(zhì)量、效率及安全。目前反井鉆機導孔的精確度問題已經(jīng)成為反井工程成敗的重要因素[11]。由于反井鉆具沒有專業(yè)糾偏功能，在施工時雖然可以通過優(yōu)化穩(wěn)定鉆具布置、提高開孔精度、合理控制鉆進參數(shù)等手段提高導孔施工的偏斜率。但對于較深井筒，尤其遇到傾角較大的巖層，導孔的偏斜率隨深度呈幾何倍數(shù)增長，導孔偏斜率可超過5%，導致導孔施工失敗。本文就先導孔糾偏產(chǎn)生的“狗腿度”(全角變化率)對大直徑反井鉆機鉆具影響進行研究，并通過山西臨汾恒昇煤業(yè)后期回風立井進行驗證該研究的可靠性。

1 導孔彎曲和大直徑鉆具彎曲應力關(guān)系

導孔作為施工最初的一道工序，具有十分重要的作用，其次在鉆具掃孔下放過程中，近似認為鉆具和導孔孔段有著相同的曲率半徑。鉆具受彎變形后，外側(cè)受拉應力，內(nèi)側(cè)受壓應力。如圖1所示，假設鉆具外側(cè)被拉長一個很小的長度aa″，其應變?yōu)閇12-14]：

圖1 鉆具的彎曲變形

(1)

彎曲應力為：

σ=Eε=ED/2R

顯然該處的彎曲應力應小于或等于材料的屈服強度σs，即σ=Eε=ED/2R，由此可以得到鉆具破壞時的極限曲率半徑為R≥ED/2σs，則：

Rmin=ED/2σs

(2)

同時考慮到鉆具連接時并非是整體結(jié)構(gòu)，在連接處強度降低，因此加入安全系數(shù)n1，n2，得到極限曲率半徑公式：

Rmin=EDn1n2/2σs

(3)

式中，Rmin為鉆具破壞時的極限曲率半徑，m；E為鋼材彈性模量，2.1×105MPa；σs為管材屈服極限；n1為抗彎安全系數(shù)；n2為絲扣連接部分安全系數(shù)，1.5～2.25；D為井管直徑，mm。

當知道彎曲曲率半徑時，根據(jù)曲率和曲率半徑的關(guān)系K=1/R得：

(4)

從導孔彎曲與鉆具受彎時的應力關(guān)系來看，主要有以下情況：

1)當導孔曲率半徑R≥Rmin時，即導孔曲率很小，大直徑鉆具掃孔下放很順利，但也會產(chǎn)生相應的彎曲應力，但該應力在可允許范圍內(nèi)，其數(shù)值可以由式(2)求出。

2)當導孔曲率半徑R

實際工程中，一般得到的數(shù)據(jù)最多的是導孔的一些參數(shù)，比如，導孔深度、頂角、方位角等，無法利用導孔曲率半徑來求得彎曲應力和曲率，這時就需要利用導孔的參數(shù)進行反求曲率、曲率半徑。

2 導孔彎曲程度參數(shù)計算

導孔軌跡在空間的分布形式有三種：直線型、平面曲線型、空間曲線型。針對三種形式描述導孔軌跡的彎曲程度參數(shù)：Kα、Kθ、K。

2.1 直線型導孔

導孔在鉆進過程中，沿著直線鉆進，全孔只有一個頂角和一個方位角，即頂角和方位角改變量為0，則直線型導孔曲率為：頂角曲率Kα=0，方位角曲率Kθ=0。即：當導孔為垂直豎井時，方位角無意義，也是最理想的導孔，鉆具不承受應力。

2.2 平面曲線型導孔

平面曲線型鉆孔是指垂直于平面內(nèi)的曲線型導孔，雖然存在一個方位角，但是方位角變化為0，即Δθ=0，頂角存在變化，因此對于其中任一孔段有Δl：

Kθ=0

Kα=Δα/57.3Δl(rad/m)

Rα=57.3Δl/Δα

(5)

式中，Δα為孔段對應的頂角增量(°)；Δl為該孔段的實際孔身長度，m。

求得Rα后可利用式(1)計算鉆具的彎曲應力，從而判斷鉆具的真實情況。

2.3 空間曲線型導孔

圖2 空間曲線型導孔頂角及方位角

Kα=Δα/57.3Δl

Kθ=Δθ/57.3Δl

(6)

顯然，對于空間曲線型導孔來說，不但存在Kα，還存在Kθ，如果僅僅使用其中的任意一個都無法完整的描述導孔總體的彎曲程度，所以，要使用全角變化率[15，16]K來表達：

(7)

式中，α為所求孔段的頂角，可取該段的平均值或最大值計算。此時，利用K求出R，然后代入式(1)求出該孔段內(nèi)鉆具承受的彎曲應力。

總結(jié)以上三種曲線來說，無論設計的導孔曲線為平面曲線型還是直線型，在實際施工中，導孔的形態(tài)都是以空間曲線的形式存在，如果說導孔方位角不存在變化，那只是意味著變化程度很小，并不是絕對不變的。因為影響導孔偏斜的因素十分復雜，幾乎難以鉆出方位角無變化的導孔。因此在實際計算導孔全角變化率時，一般均按照空間曲線模型求解，才能最大程度上反映導孔彎曲的真實情況。在測斜資料中，可以得到導孔在每個孔段的測量數(shù)據(jù)，包括：測點孔深、頂角和方位角見表1。

表1 常規(guī)測斜數(shù)據(jù)表

利用該表，可以清楚的求出各個孔段的全角變化率K。第i個孔段的頂角曲率Kαi：

(8)

第i個孔段的方位角曲率Kθi：

(9)

第i個孔段的全角變化率K：

(10)

利用Ki求出各個孔段的曲率半徑Ri，與Rmin比較，若是Ri>Rmin，則鉆具掃孔下放安全，若Ri≤Rmin，則可能出現(xiàn)掃孔困難，難以下放，甚至出現(xiàn)斷鉆具事故，需要對導孔修正。

3 工程實例

山西恒昇煤業(yè)為了滿足礦井北翼三、四采區(qū)的通風需要，需新建后期風井為礦井服務，立井深度總深度為251.1m。采用定向鉆機從上向下進行?216mm先導孔施工，直至與下水平巷道貫通，二次擴刷至?270mm導孔，最后由?350mm鉆頭邊掃孔邊下放鉆具直到正常下放到井底，最后在下水平巷道將導孔鉆頭更換成?5.3m擴孔鉆頭，從下向上一次反擴成?5.3m井筒。

該井筒地質(zhì)情況經(jīng)勘察得知：0～6m為填土，主要為雜填土和坡積物，向下為基巖地層，基巖40～60m左右為基巖風化帶，風化層風化裂隙發(fā)育，力學強度降低，向下地層層序正常未遇構(gòu)造。風化裂隙逐漸減少，但是全孔測定上部RQD值較高，表明巖石的完整程度較好，部分大于50%，其中泥巖層大多為0%～40%，砂質(zhì)泥巖10%～40%，粉砂巖10%～50%，細粒砂巖40%～80%。灰?guī)r30%～50%，但深度200m層段以上RQD值偏低，多數(shù)出現(xiàn)了20%～40%以上，表明巖石完整較差。巖石力學測定結(jié)果是，泥巖自然抗壓強度在1.5～8.1MPa之間，平均4.98MPa；粉砂巖13.0～41.1MPa，平均28.36MPa；均屬于較軟弱巖層。細粒砂巖9.4～49.8MPa，平均36.71MPa，屬于半堅硬和堅硬巖層，中粒砂巖21.7～46.8MPa，平均41.56MPa，屬堅硬巖層。石灰?guī)r27.3～48.6MPa，平均44.3MPa，屬堅硬巖層。因此工程地質(zhì)特征是：基上部風化裂隙發(fā)育，強度變低，下部泥巖、粉砂巖類抗壓度較小，砂巖及石灰下部高。

先導孔鉆進時，由于多種因素的影響[17]，比如：鉆具軸向荷載、巖層對鉆頭的反作用力、鉆頭移步等均可能對導孔鉆進造成偏斜。該工程先導孔鉆進采用車載定向鉆機，同時配備隨鉆測斜儀，對導孔的偏斜精密多次測量，保證導孔的偏斜控制在規(guī)定范圍之內(nèi)。鉆進過程中每隔10m左右測量一次，當出現(xiàn)偏斜時，立即進行糾偏工作，使得導孔鉆進方向回到最初設定軸線上。但是，同時也是由于糾偏工作的出現(xiàn)，導致導孔出現(xiàn)“狗腿度”，特別是當偏斜角度較大，偏移量較遠時，糾偏產(chǎn)生的“狗腿度”越大，即井眼前進方向變化越快，井眼彎曲越厲害，井眼曲率越大，這就對后續(xù)反井鉆機鉆具的掃孔產(chǎn)生巨大影響。該立井的先導孔鉆進各參數(shù)見表2。

表2 先導孔鉆進各參數(shù)表

根據(jù)隨鉆測量的各項參數(shù)，進行導孔軌跡的繪制，如圖3、圖4、圖5所示，結(jié)合地質(zhì)資料進行分析導孔偏斜的原因，利用公式求得產(chǎn)生最大偏斜處的彎曲參數(shù)，最后帶入彎曲應力公式判斷鉆具的受力狀態(tài)，判斷鉆具是否可以掃孔下放。避免即使鉆具勉強掃孔成功后，由于該處的影響，擴孔施工時，鉆具的扭矩傳遞受到影響，影響工程的進度。

圖3 先導孔鉆孔軌跡圖

圖4 先導孔鉆孔軌跡X-Z剖面圖

圖5 先導孔鉆孔軌跡Y-Z剖面圖

由導孔鉆進參數(shù)表和繪制的導孔軌跡圖中，發(fā)現(xiàn)相比其他孔段的全角變化率，在深度77.58m、164.05m、241m這三個點的導孔軌跡圖存在較大的彎曲，選擇這三處進行計算導孔的全角變化率，判斷鉆具在此處是否能夠順利掃孔下放，最后結(jié)合曲率半徑檢驗鉆具在此處是否會發(fā)生疲勞破壞而造成鉆具斷裂事故的發(fā)生。

結(jié)合表2中的數(shù)據(jù)，利用式(8)、(9)、(10)進行計算，結(jié)果見表3，可以看出在深度為77.58m處，全角變化率達到了約1.92°/m。用相同的計算方法計算全導孔各個點全角變化率，對比得到在深度77.58m處的全角變化率為該導孔的最大值。按照國家規(guī)范的規(guī)定，全角變化率的單位表達應為度每三十米，則該處的全角變化率為6.03°/m，曲率半徑為285.01m。

表3 導孔全角變化率校核

已知鉆具管材為B231-70丙，σs取500MPa，n1取1.5，n2取1.8，D=327mm，代入式(3)計算，求得鉆具在絲扣連接的情況下，鉆具受彎破壞的極限曲率半徑為：

該計算結(jié)果說明，利用導孔測斜數(shù)據(jù)計算的導孔曲率半徑應該大于200m，否則，會出現(xiàn)卡管，或者鉆具疲勞破壞而造成斷具事故。對比表3的計算結(jié)果可以看出，該導孔最大全角變化率的曲率半徑為285.01m，大于Rmin。根據(jù)以上理論計算得出：反井鉆機大直徑鉆具在掃孔的過程中不會出現(xiàn)卡管現(xiàn)象，同時在擴孔階段，不會由于全角變化率的存在而造成鉆具疲勞破壞現(xiàn)象。

經(jīng)過該方法的計算后，結(jié)合恒昇煤業(yè)后期回風立井施工，反井鉆機大直徑鉆具掃孔和反拉擴孔施工都達到了預期的效果。也驗證了該方法的正確性，同時配合隨鉆測斜的實時監(jiān)控，使得施工的質(zhì)量大大提高。

4 結(jié) 論

1)全角變化率是先導孔最主要的參數(shù)指標，也是對大直徑鉆具掃孔下鉆最關(guān)鍵的指標，影響著后續(xù)反井鉆機施工的安全、進度等。

2)反井鉆機大直徑鉆具直徑越大，其抗彎性能越低，采用絲扣連接，能夠在一定程度上增大抗彎性能。

3)先導孔在鉆進時，結(jié)合地質(zhì)情況選擇合理的鉆具組合，鉆進過程中多測量；糾偏時，保證偏移距最小的情況下，盡量把全角變化曲率降低到最小。