CN110107301A - 一种正向-反向-正向三级钻进的机械破岩凿井方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开正向‑反向‑正向三级钻进的机械破岩凿井方法，包括如下步骤：(A)井筒挖掘准备工作；(B)第一级正向钻孔；(C)第二级反向钻孔；(D)第三级正向钻孔；(E)井筒支护。实现打井不下井，具有机械化程度高以及安全性高等优点，实现在具有坚硬岩石的地层，可以进行直径超过6米竖井井筒的施工作业；满足各种功能需要，促进机械破岩凿井技术的发展满足提升、通风和设施安装等功能需要，解决了现有井筒成井工艺中井内工作人员多、劳动强度高、作业环境艰苦、安全条件差、机械化程度低等问题。
Description
技术领域
本发明涉及地下工程中井筒建设技术领域。具体地说是一种正向-反向-正向三级钻进的机械破岩凿井方法。
背景技术
随着我国地下空间工程需求的增长和建设步伐的加快，每年需要建设大量的井筒。其施工技术复杂，作业场所狭窄，在工程量和施工时间上，占有非常重要的地位。井筒施工的质量，直接影响到正常使用及后期稳定性。
以伞钻凿岩爆破、抓斗装岩、混凝土砌壁为核心的普通凿井法经过长期发展，已达到国际先进水平。但普通法凿井存在机械化程度低、下井人员多、作业环境差以及安全隐患多等问题。机械化钻井替代普通法凿井是建井技术发展的趋势。
此外，现有技术中也出现了采用反井工艺进行竖井井筒的施工，但是对于岩石比较坚硬的地层来说，现有反井工艺无法进行大直径竖井井筒的施工，只能进行小直径竖井井筒的施工作业。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于针对矿山、电站、隧道等地下工程井筒建设，对于现有反井工艺无法在坚硬岩石地层中施工大直径竖井井筒，利用井筒已经形成的下部巷道或隧道，提供一种实现打井不下井，具有机械化程度高以及安全性高等优点，能够形成高精度大直径井筒正向-反向-正向三级钻进的机械破岩凿井方法。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种正向-反向-正向三级钻进的机械破岩凿井方法，包括如下步骤：
(A)井筒挖掘准备工作；
(B)第一级正向钻孔：自上水平巷道或隧道由上向下正向钻进导孔至下水平巷道或隧道；
(C)第二级反向钻孔：自下水平巷道或隧道由下向上反向扩孔钻进至上水平巷道或隧道；
(D)第三级正向钻孔：自上水平巷道或隧道由上向下正向扩孔钻进至下水平巷道或隧道；
(E)井筒支护：安装井架结构和提升、悬吊设施，自上水平巷道或隧道由上向下至下水平巷道或隧道进行井筒支护，形成井筒工程结构。
上正向-反向-正向三级钻进的机械破岩凿井方法，在步骤(A)中，包括如下步骤：
(A-1)在上水平巷道或隧道内，以井筒轴线和上水平巷道或隧道轴线的交线为基础，根据采用的设备单件最大重量和体积，设计辅助隧道达到所需要的断面；
(A-2)根据掘进设备的重量和体积，安装提吊设备钢结构；
(A-3)进行锁口开挖与支护，施工满足反井钻机设备的混凝土基础；锁口由不稳定表土层开挖至稳定岩石，浇筑井壁混凝土，施工钻机基础，并预留地脚螺栓孔；根据井筒地质柱状图、井筒设计直径、钻机型号和技术参数，设计井筒锁口厚度、深度及混凝土强度等级。
上正向-反向-正向三级钻进的机械破岩凿井方法，在步骤(B)中，安装反井钻机，采用三牙轮钻头破岩，稳定钻杆，保证钻孔精度，正循环排渣，由上向下，正向钻进直径d1的导孔，当上水平巷道或隧道与下水平巷道或隧道贯通后，形成第一级钻孔。
上正向-反向-正向三级钻进的机械破岩凿井方法，在步骤(C)中，拆除步骤(B)中的三牙轮钻头，换接第二级反向扩孔钻头，利用滚刀破碎岩石，岩渣依靠自重下落至下水平巷道或隧道中，由下向上，反向钻进直径d2的钻孔，d2大于或等于1.4米且小于或等于2米；当第二级反向扩孔钻头钻透至上水平巷道或隧道地面后，形成第二级钻孔。
上正向-反向-正向三级钻进的机械破岩凿井方法，在步骤(D)中，拆除反井钻机，将第二级反向扩孔钻头提吊出井，将第三级正向扩孔钻头提吊入井，重新安装反井钻机，通过钻杆连接第三级正向扩孔钻头，利用滚刀破碎岩石，岩渣依靠自重经第二级钻孔下落至下水平巷道或隧道中，由上向下，正向钻进直径d3的钻孔，当第三级正向扩孔钻头钻透至下水平巷道或隧道后，形成第三级钻孔。
上正向-反向-正向三级钻进的机械破岩凿井方法，在步骤(E)中，利用钻机、钻杆将第三级正向扩孔钻头提吊固定于井口位置，拆除钻机钻架结构，将第三级正向扩孔钻头提吊出井，安装井筒内的防护吊盘，安装支护用井架结构和提升设施、悬吊设施，由上向下进行井筒支护，形成井筒工程结构，根据井筒功能需求安装相应的井筒设施，所述提升设施为绞车或稳车。
上正向-反向-正向三级钻进的机械破岩凿井方法，在步骤(C)第二级钻进和步骤(D)第三级钻进过程中，破碎的岩渣均掉落到下水平巷道或隧道中，由运输车辆装运，运输车辆为装岩机或运渣车辆。
上正向-反向-正向三级钻进的机械破岩凿井方法，在步骤(D)中，第三级正向扩孔钻头为锥形结构，钻进时利用第三级正向扩孔钻头上的镶齿滚刀进行破岩，形成锥形的井底结构。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
本发明提出利用井筒已经形成的下部巷道或隧道，采用本发明的方法实现三级钻进，通过正向导孔钻进、反向扩孔钻进、再次正向扩孔钻进以及进行井帮支护的方法，形成井筒工程结构，实现打井不下井，具有机械化程度高以及安全性高等优点，实现在具有坚硬岩石的地层，可以进行直径超过6米的竖井井筒的施工作业；满足各种功能需要，促进机械破岩凿井技术的发展满足提升、通风和设施安装等功能需要，解决了现有井筒成井工艺中井内工作人员多、劳动强度高、作业环境艰苦、安全条件差、机械化程度低等问题。
附图说明
图1本发明正向-反向-正向三级钻进的机械破岩凿井方法的井筒锁口开挖与支护示意图；
图2本发明正向-反向-正向三级钻进的机械破岩凿井方法的第一级正向钻进示意图；
图3本发明正向-反向-正向三级钻进的机械破岩凿井方法的第二级反向钻进示意图；
图4本发明正向-反向-正向三级钻进的机械破岩凿井方法的第三级正向钻进示意图；
图5本发明正向-反向-正向三级钻进的机械破岩凿井方法的井筒支护示意图。
图中附图标记表示为：1-提吊设备钢结构，2-不稳定表土层，3-稳定岩层，4-下水平巷道或隧道，5-反井钻机，6-第一级钻孔，7-三牙轮钻头，8-第二级钻孔，9-第二级反向扩孔钻头，10-运输车辆，11-第三级钻孔，12-第三级正向扩孔钻头，13-支护用井架结构，14-提升设施，15-已支护段井壁，16-支护吊盘，17-未支护段井筒。
具体实施方式
正向-反向-正向三级钻进的机械破岩凿井方法：
(A)井筒挖掘准备工作，如图1所示。
(A-1)利用井筒已经形成的巷道或隧道，在上水平巷道或隧道内，以井筒轴线和上水平巷道或隧道轴线的交线为基础，根据采用的设备单件最大重量和体积，设计辅助隧道达到所需要的断面；
(A-2)根据掘进设备的重量和体积，安装提吊设备钢结构1；
(A-3)进行锁口开挖与支护，施工满足反井钻机设备的混凝土基础；锁口由不稳定表土层2开挖至稳定岩石3，浇筑井壁混凝土，施工钻机基础，并预留地脚螺栓孔；根据井筒地质柱状图、井筒设计直径、钻机型号和技术参数，设计井筒锁口厚度、深度及混凝土强度等级。
(B)如图2所示，第一级正向钻孔：自上水平巷道或隧道由上向下正向钻进导孔至下水平巷道或隧道4；安装反井钻机5，采用三牙轮钻头7破岩，稳定钻杆，保证钻孔精度，正循环排渣，由上向下，正向钻进直径d1的导孔，当上水平巷道或隧道与下水平巷道或隧道4贯通后，形成第一级钻孔6。
(C)如图3所示，第二级反向钻孔：自下水平巷道或隧道4由下向上反向扩孔钻进至上水平巷道或隧道；拆除步骤B中的三牙轮钻头7，换接直径较大的第二级反向扩孔钻头9，利用滚刀破碎岩石，岩渣依靠自重下落至下水平巷道或隧道4中，由下向上，反向钻进直径d2的钻孔，d2大于或等于1.4米且小于或等于2米；当第二级反向扩孔钻头9钻透至上水平巷道或隧道地面后，形成第二级钻孔8。
(D)如图4所示，第三级正向钻孔：自上水平巷道或隧道由上向下正向扩孔钻进至下水平巷道或隧道4；拆除反井钻机5，将第二级反向扩孔钻头9提吊出井，将第三级正向扩孔钻头11提吊入井，重新安装反井钻机5，通过钻杆连接第三级正向扩孔钻头11，利用滚刀破碎岩石，岩渣依靠自重经第二级钻孔8下落至下水平巷道或隧道4中，由上向下，正向钻进直径d3的钻孔，当第三级正向扩孔钻头11钻透至下水平巷道或隧道4后，形成第三级钻孔11。
第三级正向扩孔钻头11为锥形结构，钻进时利用第三级正向扩孔钻头11上的镶齿滚刀进行破岩，形成锥形的井底结构。
在步骤C第二级钻进和步骤D第三级钻进过程中，破碎的岩渣均掉落到下水平巷道或隧道4中，由运输车辆10装运，运输车辆10为不同型式的装岩机或运渣车辆。
(E)如图5所示，井筒支护：安装井架结构和提升、悬吊设施，自上水平巷道或隧道由上向下至下水平巷道或隧道4进行井筒支护，形成井筒工程结构。
利用钻机、钻杆将第三级正向扩孔钻头11提吊固定于井口位置，拆除钻机钻架结构，将第三级正向扩孔钻头11提吊出井，安装井筒内的防护吊盘16，安装支护用井架结构13和提升设施14、悬吊设施，由上向下进行井筒支护，形成井筒工程结构，根据井筒功能需求安装相应的井筒设施，提升设施14为绞车或稳车。本发明在第一级正向钻孔、第二级反向钻孔和第三级正向钻孔中均使用反井钻机，减少钻机更换，通过多级钻进，实现使用小钻机施工大井筒。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种正向-反向-正向三级钻进的机械破岩凿井方法，其特征在于，包括如下步骤：
(A)井筒挖掘准备工作；
(B)第一级正向钻孔：自上水平巷道或隧道由上向下正向钻进导孔至下水平巷道或隧道(4)；
(C)第二级反向钻孔：自下水平巷道或隧道(4)由下向上反向扩孔钻进至上水平巷道或隧道；
(D)第三级正向钻孔：自上水平巷道或隧道由上向下正向扩孔钻进至下水平巷道或隧道(4)；
(E)井筒支护：安装井架结构和提升、悬吊设施，自上水平巷道或隧道由上向下至下水平巷道或隧道(4)进行井筒支护，形成井筒工程结构。
2.根据权利要求1所述的正向-反向-正向三级钻进的机械破岩凿井方法，其特征在于，在步骤(A)中，包括如下步骤：
(A-1)在上水平巷道或隧道内，以井筒轴线和上水平巷道或隧道轴线的交线为基础，根据采用的设备单件最大重量和体积，设计辅助隧道达到所需要的断面；
(A-2)根据掘进设备的重量和体积，安装提吊设备钢结构(1)；
(A-3)进行锁口开挖与支护，施工满足反井钻机设备的混凝土基础；锁口由不稳定表土层(2)开挖至稳定岩石(3)，浇筑井壁混凝土，施工钻机基础，并预留地脚螺栓孔；根据井筒地质柱状图、井筒设计直径、钻机型号和技术参数，设计井筒锁口厚度、深度及混凝土强度等级。
3.根据权利要求1所述的正向-反向-正向三级钻进的机械破岩凿井方法，其特征在于，在步骤(B)中，安装反井钻机(5)，采用三牙轮钻头(7)破岩，稳定钻杆，保证钻孔精度，正循环排渣，由上向下，正向钻进直径d1的导孔，当上水平巷道或隧道与下水平巷道或隧道(4)贯通后，形成第一级钻孔(6)。
4.根据权利要求1所述的正向-反向-正向三级钻进的机械破岩凿井方法，其特征在于，在步骤(C)中，拆除步骤(B)中的三牙轮钻头(7)，换接第二级反向扩孔钻头(9)，利用滚刀破碎岩石，岩渣依靠自重下落至下水平巷道或隧道(4)中，由下向上，反向钻进直径d2的钻孔，d2大于或等于1.4米且小于或等于2米；当第二级反向扩孔钻头(9)钻透至上水平巷道或隧道地面后，形成第二级钻孔(8)。
5.根据权利要求1所述的正向-反向-正向三级钻进的机械破岩凿井方法，其特征在于，在步骤(D)中，拆除反井钻机(5)，将第二级反向扩孔钻头(9)提吊出井，将第三级正向扩孔钻头(11)提吊入井，重新安装反井钻机(5)，通过钻杆连接第三级正向扩孔钻头(11)，利用滚刀破碎岩石，岩渣依靠自重经第二级钻孔(8)下落至下水平巷道或隧道(4)中，由上向下，正向钻进直径d3的钻孔，当第三级正向扩孔钻头(11)钻透至下水平巷道或隧道(4)后，形成第三级钻孔(11)。
6.根据权利要求1所述的正向-反向-正向三级钻进的机械破岩凿井方法，其特征在于，在步骤(E)中，利用钻机、钻杆将第三级正向扩孔钻头(11)提吊固定于井口位置，拆除钻机钻架结构，将第三级正向扩孔钻头(11)提吊出井，安装井筒内的防护吊盘(16)，安装支护用井架结构(13)和提升设施(14)、悬吊设施，由上向下进行井筒支护，形成井筒工程结构，根据井筒功能需求安装相应的井筒设施，所述提升设施(14)为绞车或稳车。
7.根据权利要求1所述的正向-反向-正向三级钻进的机械破岩凿井方法，其特征在于，在步骤(C)第二级钻进和步骤(D)第三级钻进过程中，破碎的岩渣均掉落到下水平巷道或隧道(4)中，由运输车辆(10)装运，运输车辆(10)为装岩机或运渣车辆。
8.根据权利要求5所述的正向-反向-正向三级钻进的机械破岩凿井方法，其特征在于，在步骤(D)中，第三级正向扩孔钻头(11)为锥形结构，钻进时利用第三级正向扩孔钻头(11)上的镶齿滚刀进行破岩，形成锥形的井底结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190809 |