郝浩杰，荊國(guó)業(yè)，韓 博

(1.煤炭科學(xué)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(duì)我國(guó)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(jìn)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(wù)的核心構(gòu)筑物和安全保障，承擔(dān)著人員、設(shè)備、物料、產(chǎn)品的運(yùn)輸和礦井通風(fēng)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(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、故障率低、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，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(qiáng)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(fēng)險(xiǎn)較大[6]。機(jī)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(jī)安裝到上水平巷道，采用小直徑鉆具從上到下進(jìn)行先導(dǎo)孔的鉆進(jìn)，中間過程中用泥漿洗井排渣，當(dāng)先導(dǎo)孔鉆透以后，在下部巷道卸下導(dǎo)孔的三牙輪鉆頭，裝上大直徑擴(kuò)孔鉆頭，然后沿著導(dǎo)孔反拉至上部巷道進(jìn)行破巖作業(yè)，破碎的巖屑靠著自身自重從擴(kuò)孔滾刀處自由落下至下水平巷道，最后用刮板運(yùn)輸機(jī)或者鏟車等裝運(yùn)設(shè)備自下工作面運(yùn)出[10]。導(dǎo)孔鉆進(jìn)作為反井鉆機(jī)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(dǎo)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(jī)導(dǎo)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(shí)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(jìn)參數(shù)等手段提高導(dǎo)孔施工的偏斜率。但對(duì)于較深井筒，尤其遇到傾角較大的巖層，導(dǎo)孔的偏斜率隨深度呈幾何倍數(shù)增長(zhǎng)，導(dǎo)孔偏斜率可超過5%，導(dǎo)致導(dǎo)孔施工失敗。本文就先導(dǎo)孔糾偏產(chǎn)生的“狗腿度”(全角變化率)對(duì)大直徑反井鉆機(jī)鉆具影響進(jìn)行研究，并通過山西臨汾恒昇煤業(yè)后期回風(fēng)立井進(jìn)行驗(yàn)證該研究的可靠性。

1 導(dǎo)孔彎曲和大直徑鉆具彎曲應(yīng)力關(guān)系

導(dǎo)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(rèn)為鉆具和導(dǎo)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(yīng)力，內(nèi)側(cè)受壓應(yīng)力。如圖1所示，假設(shè)鉆具外側(cè)被拉長(zhǎng)一個(gè)很小的長(zhǎng)度aa″，其應(yīng)變?yōu)閇12-14]：

圖1 鉆具的彎曲變形

(1)

彎曲應(yīng)力為：

σ=Eε=ED/2R

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

Rmin=ED/2σs

(2)

同時(shí)考慮到鉆具連接時(shí)并非是整體結(jié)構(gòu)，在連接處強(qiáng)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(shí)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(dāng)知道彎曲曲率半徑時(shí)，根據(jù)曲率和曲率半徑的關(guān)系K=1/R得：

(4)

從導(dǎo)孔彎曲與鉆具受彎時(shí)的應(yīng)力關(guān)系來看，主要有以下情況：

1)當(dāng)導(dǎo)孔曲率半徑R≥Rmin時(shí)，即導(dǎo)孔曲率很小，大直徑鉆具掃孔下放很順利，但也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的彎曲應(yīng)力，但該應(yīng)力在可允許范圍內(nèi)，其數(shù)值可以由式(2)求出。

2)當(dāng)導(dǎo)孔曲率半徑R

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

2 導(dǎo)孔彎曲程度參數(shù)計(jì)算

導(dǎo)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(duì)三種形式描述導(dǎo)孔軌跡的彎曲程度參數(shù)：Kα、Kθ、K。

2.1 直線型導(dǎo)孔

導(dǎo)孔在鉆進(jìn)過程中，沿著直線鉆進(jìn)，全孔只有一個(gè)頂角和一個(gè)方位角，即頂角和方位角改變量為0，則直線型導(dǎo)孔曲率為：頂角曲率Kα=0，方位角曲率Kθ=0。即：當(dāng)導(dǎo)孔為垂直豎井時(shí)，方位角無意義，也是最理想的導(dǎo)孔，鉆具不承受應(yīng)力。

2.2 平面曲線型導(dǎo)孔

平面曲線型鉆孔是指垂直于平面內(nèi)的曲線型導(dǎo)孔，雖然存在一個(gè)方位角，但是方位角變化為0，即Δθ=0，頂角存在變化，因此對(duì)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(duì)應(yīng)的頂角增量(°)；Δl為該孔段的實(shí)際孔身長(zhǎng)度，m。

求得Rα后可利用式(1)計(jì)算鉆具的彎曲應(yīng)力，從而判斷鉆具的真實(shí)情況。

2.3 空間曲線型導(dǎo)孔

圖2 空間曲線型導(dǎo)孔頂角及方位角

Kα=Δα/57.3Δl

Kθ=Δθ/57.3Δl

(6)

顯然，對(duì)于空間曲線型導(dǎo)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(gè)都無法完整的描述導(dǎo)孔總體的彎曲程度，所以，要使用全角變化率[15，16]K來表達(dá)：

(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(jì)算。此時(shí)，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(yīng)力。

總結(jié)以上三種曲線來說，無論設(shè)計(jì)的導(dǎo)孔曲線為平面曲線型還是直線型，在實(shí)際施工中，導(dǎo)孔的形態(tài)都是以空間曲線的形式存在，如果說導(dǎo)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(duì)不變的。因?yàn)橛绊憣?dǎo)孔偏斜的因素十分復(fù)雜，幾乎難以鉆出方位角無變化的導(dǎo)孔。因此在實(shí)際計(jì)算導(dǎo)孔全角變化率時(shí)，一般均按照空間曲線模型求解，才能最大程度上反映導(dǎo)孔彎曲的真實(shí)情況。在測(cè)斜資料中，可以得到導(dǎo)孔在每個(gè)孔段的測(cè)量數(shù)據(jù)，包括：測(cè)點(diǎn)孔深、頂角和方位角見表1。

表1 常規(guī)測(cè)斜數(shù)據(jù)表

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

(8)

第i個(gè)孔段的方位角曲率Kθi：

(9)

第i個(gè)孔段的全角變化率K：

(10)

利用Ki求出各個(gè)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(duì)導(dǎo)孔修正。

3 工程實(shí)例

山西恒昇煤業(yè)為了滿足礦井北翼三、四采區(qū)的通風(fēng)需要，需新建后期風(fēng)井為礦井服務(wù)，立井深度總深度為251.1m。采用定向鉆機(jī)從上向下進(jìn)行?216mm先導(dǎo)孔施工，直至與下水平巷道貫通，二次擴(kuò)刷至?270mm導(dǎo)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(dǎo)孔鉆頭更換成?5.3m擴(kuò)孔鉆頭，從下向上一次反擴(kuò)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(fēng)化帶，風(fēng)化層風(fēng)化裂隙發(fā)育，力學(xué)強(qiáng)度降低，向下地層層序正常未遇構(gòu)造。風(fēng)化裂隙逐漸減少，但是全孔測(cè)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(xì)粒砂巖40%～80%?；?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(xué)測(cè)定結(jié)果是，泥巖自然抗壓強(qiáng)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(xì)粒砂巖9.4～49.8MPa，平均36.71MPa，屬于半堅(jiān)硬和堅(jiān)硬巖層，中粒砂巖21.7～46.8MPa，平均41.56MPa，屬堅(jiān)硬巖層。石灰?guī)r27.3～48.6MPa，平均44.3MPa，屬堅(jiān)硬巖層。因此工程地質(zhì)特征是：基上部風(fēng)化裂隙發(fā)育，強(qiáng)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(dǎo)孔鉆進(jìn)時(shí)，由于多種因素的影響[17]，比如：鉆具軸向荷載、巖層對(duì)鉆頭的反作用力、鉆頭移步等均可能對(duì)導(dǎo)孔鉆進(jìn)造成偏斜。該工程先導(dǎo)孔鉆進(jìn)采用車載定向鉆機(jī)，同時(shí)配備隨鉆測(cè)斜儀，對(duì)導(dǎo)孔的偏斜精密多次測(cè)量，保證導(dǎo)孔的偏斜控制在規(guī)定范圍之內(nèi)。鉆進(jìn)過程中每隔10m左右測(cè)量一次，當(dāng)出現(xiàn)偏斜時(shí)，立即進(jìn)行糾偏工作，使得導(dǎo)孔鉆進(jìn)方向回到最初設(shè)定軸線上。但是，同時(shí)也是由于糾偏工作的出現(xiàn)，導(dǎo)致導(dǎo)孔出現(xiàn)“狗腿度”，特別是當(dāng)偏斜角度較大，偏移量較遠(yuǎn)時(shí)，糾偏產(chǎn)生的“狗腿度”越大，即井眼前進(jìn)方向變化越快，井眼彎曲越厲害，井眼曲率越大，這就對(duì)后續(xù)反井鉆機(jī)鉆具的掃孔產(chǎn)生巨大影響。該立井的先導(dǎo)孔鉆進(jìn)各參數(shù)見表2。

表2 先導(dǎo)孔鉆進(jìn)各參數(shù)表

根據(jù)隨鉆測(cè)量的各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)行導(dǎo)孔軌跡的繪制，如圖3、圖4、圖5所示，結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行分析導(dǎo)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(yīng)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(qiáng)掃孔成功后，由于該處的影響，擴(kuò)孔施工時(shí)，鉆具的扭矩傳遞受到影響，影響工程的進(jìn)度。

圖3 先導(dǎo)孔鉆孔軌跡圖

圖4 先導(dǎo)孔鉆孔軌跡X-Z剖面圖

圖5 先導(dǎo)孔鉆孔軌跡Y-Z剖面圖

由導(dǎo)孔鉆進(jìn)參數(shù)表和繪制的導(dǎo)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(gè)點(diǎn)的導(dǎo)孔軌跡圖存在較大的彎曲，選擇這三處進(jìn)行計(jì)算導(dǎo)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(yàn)鉆具在此處是否會(huì)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(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3，可以看出在深度為77.58m處，全角變化率達(dá)到了約1.92°/m。用相同的計(jì)算方法計(jì)算全導(dǎo)孔各個(gè)點(diǎn)全角變化率，對(duì)比得到在深度77.58m處的全角變化率為該導(dǎo)孔的最大值。按照國(guó)家規(guī)范的規(guī)定，全角變化率的單位表達(dá)應(yīng)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(dǎo)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(jì)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(jì)算結(jié)果說明，利用導(dǎo)孔測(cè)斜數(shù)據(jù)計(jì)算的導(dǎo)孔曲率半徑應(yīng)該大于200m，否則，會(huì)出現(xiàn)卡管，或者鉆具疲勞破壞而造成斷具事故。對(duì)比表3的計(jì)算結(jié)果可以看出，該導(dǎo)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(jì)算得出：反井鉆機(jī)大直徑鉆具在掃孔的過程中不會(huì)出現(xiàn)卡管現(xiàn)象，同時(shí)在擴(kuò)孔階段，不會(huì)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(jì)算后，結(jié)合恒昇煤業(yè)后期回風(fēng)立井施工，反井鉆機(jī)大直徑鉆具掃孔和反拉擴(kuò)孔施工都達(dá)到了預(yù)期的效果。也驗(yàn)證了該方法的正確性，同時(shí)配合隨鉆測(cè)斜的實(shí)時(shí)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(dǎo)孔最主要的參數(shù)指標(biāo)，也是對(duì)大直徑鉆具掃孔下鉆最關(guān)鍵的指標(biāo)，影響著后續(xù)反井鉆機(jī)施工的安全、進(jìn)度等。

2)反井鉆機(jī)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(dǎo)孔在鉆進(jìn)時(shí)，結(jié)合地質(zhì)情況選擇合理的鉆具組合，鉆進(jìn)過程中多測(cè)量；糾偏時(shí)，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。