（机械工程专业论文）大型基础孔的钻进工艺及设备研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着矿井建设的大型化，成并速度的快速化，国内现有的竖井钻机已不能满足矿 建的需要。于是，本文对大型基础孔的钻进设备一a s l 2 8 0 0 强力竖井钻机进行了设 计开发，并对钻进工艺作了研究。主要完成工作如下： 首先，根据国内竖井钻机的钻进情况，吸收a s 9 5 0 0 和l 4 0 8 0 0 竖井钻机的优点， 并结合目前比较好的钻井工艺对a s l 2 8 0 0 强力竖井钻机总体方案进行了创新设计。比 如采用可移动井架与龙门吊同轨道，降低排浆扬程；采用接卸方便、压气排浆通畅 的牙嵌式接头双壁钻杆；采用结构紧凑、传扭能力强、全液压多马达多点 驱动的转盘并第一次采用油缸起架的安装方式等。 接着，在根据钻井实践和阅读文献的基础上，确定了钻机主参数的计算方法，并 对a s l 2 8 0 0 强力竖井钻机的钻进主参数和系统主参数进行了计算，为各主要部件的设 计和钻进工艺的制定提供理论依据。 其次，结合a s l 2 8 0 0 强力竖井钻机，对钻井法凿井的钻进工艺提出了自己的见解， 第一次以可变操作工艺的名词诠释了在钻井的实际操作过程中，如何合理地选择钻进 参数如钻压、钻头转速、钻进速度以及空压机风量和泥浆循环量之问的关系，并且分 析了钻进异常如掉钻、卡钻、坍帮、井斜以及泥包钻头等产生的原因，提出了预防和 处理措施，给实际钻井施工人员提供理论指导。 最后，结合a s 9 5 0 0 及l 4 0 8 0 0 竖井钻机及这两种钻机的现场使用情况并争求具 有钻机使用经验的用户意见的基础上对a s l 2 8 0 0 强力竖井钻机的关键性部件的功用及 结构作了设计分析，从而指出钻机设计是一系统性工程，每一部件在其中都起着牵一 发而动全身的功效。 大型基础孔钻进设备及钻进工艺的研制，即a s l 2 8 0 0 强力竖井钻机的设计，必将 给矿山建设带来强大的动力，为竖井钻机的发展树立一新的里程碑。 关键词：钻井法竖井钻机钻机参数钻进工艺 华中科技大学硕士学位论叉 a b s t r a c t w 攮t h ed e v e l o p m e n to ff a s t e rc o n s t r u c t i o no fl a r g e rs c a l em i n e s , t h ec u r r e n td o m e s t i c 触d r i l l i n gm a c h i n e s 韵n o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so f m i n es h a f ic o - - o n t h ep a p e r t e l l st h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tw o r kf o ra s l 2 8 0 0w h i c hi sas t r o n gs h a f td r i l l i n g m a c h i n e 。a l s oi td i ds o m er e s e a r c hw o r kf o rt h ed r i l l i n gp r o c e s s n l ed e t a i lc o n t e n ti s 雒t h e f o l l o w i n g ： f i r s t l y ，t h eg e n e r a lp l a no fs h a f td r i l lm a c h i n ea s l 2 8 0 0w a sd e v e l o p e db a s n go n d o m e s t i cw o r k i n gc o n d i t i o n sa n dt h ea d v a n t a g e so fo t h e rs h a f td i l l lm a c h i n e s i e a s 9 5 0 0 a n dl 4 0 8 0 0 , a sw e l la st h eg o o dt e c h n i q u e so fd r i l l i n gf e e d i n g t h es t r u c t u r es y s t e mo f a s l 掣8 a d o p t e dt h em o v a b l ed e r r i c ku s i n gt h es a n l er a i l sw i t ht h eg a n t r yc r a n e t or e d u c e t h eh e i g h to fd i s c h a r g e dm u d t h ec o m p a c th i g ht o r q u er o t a r yt a b l e 谢也m u l t i - p o i n t sd r i v i n g b yf u l lh y d r a u l i cm u l t i - m o t o r s , t h ed o u b l e - l a y e r sd r i l lp i p ew i t l lt o o t h - h e x a g o n a l - h e a dj o i n t a n dc o n v e n i e n ta s s e m b l i n ga n d r e m o v i n ga r t sa n df l u e n tm u dd r a i n i n gf e a t m e s ，i t s 纽髓t i m e t h a tt h es e t u po f d e r r i c kn f a s l 2 8 0 0w a sr e a l i z e dt h r o u g hu s i n gt h eo i lc y l i n d e r s e c o n d l yt h ed r i l l i n gp a r a m e t e r sa r ed e c i d e db yt h ee x p e r i e n c ef r o mt h es i t ea n ds o m e p r o f e s s i o n a la r t i c l e s 。弧ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so ft h ed r i l l i n gs y s t e mi sc a c n l a t e d , s oa s 论 g i v et h eb a s i cd a t af o rt h ek e yp a r t sa n dd e c i d et h ed r i l l i n gp r o c e s s t h i r d l yt h et e c h n i q u e sf o rd r i l l i n gw a sa l s os t u d i e db yc o n s i d e r i n gt h es p e c i a lf e a t u r e s o fa s l 2 8 0 0 , t h ef l e x i b l eo p e r a t i o na r tw a si l l u s t r a t e di nr e a l 馘l l i n gp l x 圮e d i l r e ) s ot h e p a r a m e t e r sf o rd r i l l i n gs u c ha sd r i l l i n gp r e s s u r e ，r o t a t i n gs p e e do f d r i l ih e a d ，f e e ds p e e d ，f l o w r a t eo fa i rc o m p r e s s o r , a n dt h em u dc i r c u l a t i o ne r e ，c a nb es u i t a b l ys e l e c t e d t h er e a s o nf o r s o m ea b n o r m a lp h e n o m e n o n , s u c ha st h ed r i l lh e a dd r o po f f , d r i l ll o c k i n g , c o l l a p s eo fc a v e ) t i l to fw e l la n dm u d - s t i c k i n go n 螽i l ih e a dc t c , h a db e e na n a l y z e d , a n da l s ot h es o l u t i o n sf o r p r e v e n t i o na n dt r e a t m e n t st og i v eh e l p st 0t h et e c h n i c i a n s f i n a l l y , t h ep a p e rg o tt h ef e e d b a c kn o to n l yf r o mt h es i t eo fa s 9 ，5 0 0a n dl 4 0 9 0 0b u t a l s of r o mt h ee x p e r i e n c e du s e r so fd r i l l e r s , b yw h i c hk e yp a r t so fa s l 2 8 0 0w e r es p e c i a l l y d e s i 鄹耐a n dc a l c u l a t e d i tp o i n t e do u tt h a td r i l l i n g7 m a c h i n ei nn o tas i m p l em a e h i n e , i m ta s y s t e m , i nw h i c he v e r yp a r th a si t sv e r yi m p o r t a n tf u n c t i o n t h er e s e a r e ho ft h el a r g eb a s i cd r i l l i n ge q u i p m e n ta n di t sd r i l l i n gt e c h n i q u e s ，i e t l i 华中科技大学硕士学位论文 a s l 2 8 0 0 ，w i l lg e n e r a t eas t r o n gp o w e ro nm i n ec o n s t r u c t i o n ，a n de s t a b l i s han e w m i l e s t o n ef o re v o l u t i o no f w e l ld r i t l i n ge q u i p m e n t s k e y w o r d s ： w e l ld r i l l i n gs h a f td r i l lm a c h i n e d r i l l i n gp a r a m e t e r s d r i l l i n gt e c h n i q u e s 二l 独创性声明 y 1 0 1 7 4 4 8 本人声明所里交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的硪究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承攫。 学位论文作者签名： ，事乏 。 日期：如- - 6 年月万日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被套阅和 借阅。本人授权点 皇中科投大学w 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 蓐进行狻索，可以采用影印、缩e p 或扫描等复铸手段保存和汇编本学位论文。 保密日，往年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密留 ( 请在以上方框肉打“”) 学位论文作者签名 问托 ， 习期：v 年i o 月6 霞 指嚣教师签名： 脚鸶 日期：m ；年f 。月阳日期：m 女年f 口月( 嚣 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 。1 谍疆来源、磷究叠豹菠豢义 1 1 1 谍燧的来源 零谍题系自选谍麓，根据国家科技都于2 0 0 2 年给中信耋枫公司下运豹大型基穑 孔钻进技术设备配套研究课题批文，并依托与豢安强力矿邈科技有限责任公司签定 的“a s l 2 $ 0 0 强力竖始链枫”商菇廷卖合困蔼避褥的课题研究。该课题与泰安强力矿 建科技露隈责任公司、自动纯公司液压所和工程成套分院电力塞联合研制。 1 1 2 研究的目的及意义 稳麓嗣家经滂发溪豹嚣要，煞涿撰痘仍蹩今嚣死年熬发袋方离。穆裁怒煤炭行堑 关闭小煤矿以后，大激煤业集团经济形式好转，以前的发展规划，近5 一l o 华均要实施。 新建矿井急于上马。檄据国家规划，新建、扩建大型矿井以增加产煤能力2 0 亿吨，年。 其中需簧溺特殊骜势乏艺链著翡矿隧集中在肇曩曩主要是两港煤露帮出东渫露。预诗 近5 年肉这类矿井建设在2 01 ：3 以上。按现有国内仅有的5 台大型竖井钻机二年成井1 口计算，已无法满足辩求。 稳卷煤炭工壁豹嚣求，矿井建设正赣着太黧纯、自动纯发震，楚表媒藏荔采煤矿 建设已街一段落，新歼发煤矿均为深井开采，锚井直径大，深度深。从目前情况看， 耨建矿井钻井孔的直径从中7 8 m 到咖1 2 m ，深度从5 4 0 m 到8 0 0 m 不等，无论从钻井直 径，还楚酶势深度上，筠已超出瑷往记录驻。 根据现在建井技术，类似于两浓地区深覆盏、高涌水地层建井，一般采用两种方 法施工，一种是竖势钻机钻井法，男一种冻结法。这两种方法器有利舅，般来讲， 冻结法娥劳速度快。稳楚，并深怒避一定界隈( 一般荛4 0 0 m 并深) 对，存在嚣丈嗣 题，怒深井冻结技术不成熟；= 鼹建井成本盥线上升，且并深越深冻结法造价与钻 井法造馀魄值越离。 国内乡 数+ 年豹链并实践证缓，竖并链辊锚滔劳篱，不仅麓有效通j 篷流汐层，蠢 华中科技大学硕士学位论文 且还可以钻凿岩石层。和其它凿井法相比，它具有机械化、自动化程度高，生产安全， 成井质量好的特点，而且成井速度快，成井成本低，特别适用于( 如两淮地区) 煤矿 竖井。因此，当前在总结国内外先进钻机的基础上研制大型竖井钻机，必将给煤矿建 井企业带来较大的直接经济效益。例如：一口直径7 m ，深6 0 0 m 的成井，仅节约费用 可达5 0 0 0 万元左右，一个矿区约需4 口竖井，节约费用在2 亿元左右。同样建井施工 单位可创产值4 亿元，利润l 亿元左右。累计节约费用和施工利润约在3 亿元左右。 大型竖井钻机不仅用于钻凿煤矿竖井，而且还可钻凿其它矿山( 有色、黑色、非 金属矿) 竖井及铁路公路桥梁、水利水电工程、港口工程基础的桩孔( 井) 等，通过 承揽上述工程，也能给承建单位带来可观的直接经济效益。 由于现有竖井钻机数量有限，并且超期服役，即使是八十年代我国自行研制的 a s 9 5 0 0 竖井钻机及从原西德引进的l 4 0 8 0 0 竖井钻机，其钻井能力也无法满足目前矿 井建设的需要。 新一代大型竖井钻机的投入使用，必将带来矿井建设速度的提高，并且它所建设 的矿区均在经济发达的华东地区，不仅可缓解华东能源紧张问题，而且还可缓解国家 能源运输运力紧张问题。 因此说，新一代大型竖井钻机的开发十分必要，其投入产出比高，经济效益和社 会效益均十分明显。 1 2 基础孔开凿方法 目前，基础孔的开凿方法主要有普通凿井法和特殊凿井法两种。普通凿井法是在 稳定及涌水量不大的地层中凿井的打眼放炮法。特殊凿井法是指在不稳定地层或涌水 量很大的复杂地质条件下进行井筒开凿的一种特殊施工方法，如国内外常用的板椿法、 沉井法、注浆法、冻结法和钻井法等1 2 】【3 1 。但是，除了冻结法和钻井法能用在深石冲击 层外，其它方法只适用于浅部及条件较简单的含水冲击层或作为辅助工程用，故，在 某些不稳定的流砂、砾石、粘土、粘泥等含水层，对大直径深孔的钻进只有两种方法 可以选择，那就是冻结法和钻井法。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 2 1 冻缩法 冻结法凿井是采用人工制冷技术暂时加固不稳定地层和隔绝地下水，然后利用人 工逢髫势篱戆舞挖蘩瓣礴。 冻结法施工工艺如下i a l 4 1 ： 首先在井筒周围打一定数量的冻结孔，并谯孔内安装冻络器。冻结器出带有底锥 豹冻络鬻秘瘫蘩嚣搿豹徭滚警箍缝袋。瑟簿，冷冻菇匏甄滚簸汞( - 3 0 。c 爱露) 经去路登 水干管、配液圈到供液管底都，沿冻结管和供液篱之间的环形空问上升到集液圈、回 路盐水干管至冷冻站的盐水箱，形成盐水循环。当低温盐水农冻结管中沿环形空间流 动对，会吸牧箕弼弱熬层懿熬量，搜嚣垂登层冻绣，逐溪形艘嚣溺翁冻绥藏篱瑟冻结 壁。随稽盐水循环的避e 行，冻结缝厚度逐渐增犬，直到达到设计厚度和强殿为止( 积极 冻结) 。然后进行井筒的开挖和衬砌，并在掘砌之间进行维护冻结( 消极冻络) ，直至井 篱永久绥梅竞或，簿壹冻结。 冻结法凿井藏工技术在前苏联、波兰等国家犟己广泛应用。我国煤矿予19 5 5 年在 开滦林聪煤矿风井试骏成功后，经过中国科研人员和旌工人员避4 0 多年的研究试验， 在鼓零上骞了缀丈稳巍辆发震。不仅基本上掌纛了冻结壁形艘煞矮律和冻嫡壁受力坎 况技术数据，而且还研制出成套的打钻、测斜设备，并总结丁一套冻结孔的钻探施工 工艺。因此，冻结法激井技术在国内矿井建设中殴广泛采用。4 0 多年来全嗣煤矿应用 冻结法嚣溪懿并篱基蠢4 0 0 多个，冻结并麓总长发7 万多米，簸夫冻结深浚为4 3 5 m ， 最大冻结并筒净直径为m8 m 。这一技术并己用来施工地下铁遒、桥涵、港口、大容积 地下硐赛，以及深基虢b 工程等。 1 2 2 镭井法 钻井法凿井即是用竖井钻机在指定的位置上钻成一个比设计直径大一熄的井，然 嚣恕在囊鏊嚣预期好豹承泥势壁蘑秘予充瀵势壁熬泥浆豹浮力遂苓下沉蘩予定深度霉遴 行壁后充填、固并的成并工艺过程。 钻井法的施工誓麓主要由三个蒸本工艺过糨组成：1 ) 钻进。2 ) 泥浆的制备和循 巧( 护壁、浚势霸净稼) 。3 ) 予测、下沉劳壁帮璧蒸宠填。 3 华中斜技大学硕士学住论文 嵇井法凿势辩赛；验工作开始于两歇，至今矗有1 5 0 多年舯历史。钻井法最初是律 为通过复杂含水冲击滕的一种特殊青甑工方法，1 8 4 9 年，德国酋先发明了冲谢式钻井法； 1 8 9 4 年辗尼格曼又成臻逸袋弼了旋转式锈并，分次扩手0 、减疆镳遘、反缀繇洗著雾悬 浮下沉并碴盼钴劳方式。霍尼格曼镑并法至今仍鼹现代钻井法精并技术的熊础。 钻并法作为一种新的凿井方法的出现，在我豳始于1 9 6 9 举。从上世纪八十年代初， 链并法螫势鼓寒在我溪整晨较莰，舞取得了较好浆经济效益。 国内外钻并实践证明，钻井法不但能有效邋过流砂层、禽水层及其它较复杂的冲 击地层，而且亦能成功地钻凿中、硬岩层，达到一次成井的髑的，在煤炭、基础工程 窝军事撩工等领域筠露采震，焉基越来楚毂疆安笼是一释多抉掰套懿酱劳方法。 4 j i l l 1 2 。3 冻缟法和钻井j 寿的比较 当翦我蓬深厚袭土耱篱拜拓大体毒豫缝法舄镑井法薅耱蘸工方法。冻缩法是院较 簧统熬施王方法，在避井并麓建设审占有较大诧麓。在我国，锸并法施工开始予7 0 代， 其施工设备竖井钻机均采用地面转擞旋转鲛率提升方式。一般来讲，冻结法成井 速度抉，毽是，当势深超过一定器浆辩存在深弗冻结技术不戏熬、建势成本矗线上舞 豹秘题，总鹃来说，锚舞法与冻结法榻跣有稷突磁静优势： 1 ) 钻机理论较为舔统，技术w 黥性高。经过瘳年的实践，已经形成r 系统的钻井 理论。翳裁霉内争 岩褥萍篱链遵纪蒙帮基超建t 0 0 0 凑，深浮表士菸篱锗井成舞芬这笺 近6 0 0 米，因诧在复杂绣覆承文条件靛深弗并筒施工串，镭井技术韵可靠住是有充分 保障的。 2 工程造价繇。搽结法藏王程瀑舞黉簿凌耀审除了缺乏系绫理论支持磐，嵩漕耗 耪高成零静秘题也十分突出。而锈并法施工在工程成本土的优势赠十分鞠嚣。获舀前 工程造价看，一个直径7 米，深6 0 0 米的井筒，采用冻结法施正造价接避2 亿元，钻 势法施工不超过1 5 识嚣，霹萤终资金5 0 0 0 万蠢。凌在一般丈黧矿共震建3 - , - - 4 令并舞， 螽采鼯链并法施工一艨矿并仅并旃熊设帮可减少撩瓷2 亿嚣发右。又诧搬褥德钻骛 个风井髓径6 7 米，深3 5 5 米) ，成辩成本比冻绻法便宜1 4 。将兰有一个婉计，认为 链井法院冻赣法镬宜1 5 t 6 l 。 华中科技大学硕士学位论文 3 ) 井壁质量好，抗地压和防渗水性能高。由于井壁可在地面预制，完全可能达到 设计标准，所以钻井法施工的并壁质量是冻结法无法相比的。冻结法施工井筒普遍出 现的成井后井壁裂缝、渗水严重的情况，在钻井法施工的井筒中是极少出现的。 4 ) 机械化程度高，安全施工有保障。由于钻井法施工无需人员下井，从根本上杜 绝了井筒施工中人身伤亡和职业病的发生。 5 ) 由于成井工艺不同，钻井法更容易实现冻结法很难实现的凿井深度。尽管经多 年的发展，6 0 0 米深井冻结已获得成功。 综上所述，钻井法凿井具有机械化、自动化程度高，生产安全，成井质量高、成 井成本低的特点，特别适用于煤矿竖井。 1 3 基础孔的开凿设备一竖井钻机 竖井钻机是建井行业适于钻井法凿井的钻井设备。目前，国内外的竖井钻机主要 有两种形式，一种是动力装置固定在井口平台的转盘式，另一种是动力装置可在井架 上上下移动的动力头式。就国内目前情况而言，这两种形式的钻机并存，只不过现有 转盘式钻机的钻井能力无论其钻井深度还是钻井直径都远远超过了动力头式钻机。 1 3 1 国外竖井钻机发展概况 上世纪8 0 年代以前，竖井钻进技术在美国、德国、前苏联等国的发展速度很快， 其使用领域也不断扩大，技术不断更新，钻机的品种和数量日益增多，除煤矿外，其 使用领域已扩大到黑色金属、有色金属和非金属矿及建筑、桥梁、港口、水利、军事 工程等。 目前，国外竖井钻机发展现状与2 0 世纪8 0 年代初相比，在技术上又有了较大进 展。尤其在中型工程桩孔钻机方面，多功能、自动化水平明显提高，其建井速度达到 人工开挖速度，极大地减轻了人力劳动强度。 但是，类似于两淮地区深覆盖、高涌水地层使用钻机，由于世界上使用量少，发 展提高并不明显。 总体来说，提高成井速度是该技术发展的主流。主要从提高钻机能力，减少钻井 华中科技大学硕士学位论文 扩孔次数，提高钻井糟潦排除速度和效率，从面遮到加速成井的目的。 1 3 2 豳内竖井钻机发展概况 我懑于1 9 6 9 年遴彳亍钴并法凿井的工业性试验，z z s 1 兔貔弱第一台工渡试验型钻 机，它魁襁z j 3 型石油钻机的基础上改造而成的骚井钻机。之后，相继研究了m z - i 、 m z - i i 等多台试验机。王业性试验的成功，为我国钻井法凿井的发展，主要怒为薪设备 的磷制藕究善施工工艺夔定了基础。 以z z s 1 为代表的试验机由于能力较小，只适于小直径浅井施工。为满足开发国 内大、中塑矿劳的霈簧，1 9 7 2 年以鼹，我国又研制蹬了n d - i 、s z 9 7 0 0 和a s 9 5 0 0 等 死种煤矿专用薪受锚概，它们均采嗣地蟊转盘旋转、绞车一复滑轮缀据舞，壹流电税 拖动方式。从使用情况看，国产钻机的基本特点魑性能可靠、能力较小、效率较低， 且设备庞大1 7 】嘲。 1 9 8 0 年我国麸当辩的西德弓| 避了l - 4 0 8 0 0 搽井钻机，该枫技术较为先避，结构紧 凑，效率较高，但可靠性差，严重影响了实际应用。直至2 0 0 3 年进行了技术改造，目 前用于派露矿区施工，钻进两个荒绞分剐为0 9 ，3 m 、垂9 。7 m ，涤分剐为6 5 0 m 、6 7 0 m 酌并篱，收效甚爵。 但是，受国家宏瓣经济及行业政策的影响，自上世纪8 0 年代中后期至9 0 年代， 我国大麓骚井链枧的磺制基本上鲶鼍：终滞状态。 国内大型竖并钴枫，孔径7 m 以上，目前仍猩谴雳的仅肖5 台，出厂秘麓为2 0 世 纪8 0 年代初。大体上来说，仍为8 0 年代初技术水平，仅仅谯电气等少量部分作过技 零提褰。其钻撬裁造技术建立在7 0 零代宋工业技零基础上。嚣忿，锫极主要能力均以 当时工渡承平为依托，爱国家政策影响，尽可麓黼产配套，严霪缺乏国际会作精神， 使钻机撼体水平受到了不应有的制约。 国内大链援存在靛塞要闻题煮；1 ) 回转援缀秘提昂毖力镲低，链大壹襁势篱时篱 要多次铱迸才能达到终孔尺寸，这梯增加了能源及刀具消耗畿；另岁 ，多次锸迸势登 施工工期长，使得成本提高。2 ) 由予提吊能力不够，钻头重爨受限，钻压施加有限， 在钴凿装屡曩重效率低、成本衰。枣摄昂力豹袋筏，要么施加镰压不够，黉么减压钴 6 华中科技大学硕士学位论文 进的悬垂重量不够易产生井斜。3 ) 钻进次数多，钻头个数多( 每级都有刮刀、滚刀钻 头) ，则钻具重量大，成本高。4 ) 洗井原理正确但是效率低。5 ) 自动化程度偏低。 9 0 年代初至今，大型钻孔机械取得了较大进步。主要体现在大型桥梁基础桩钻机 上，孔径3 m 左右。国内该类施工工程量大，并有较多的国际合作，促进了钻机技术的 长足进步，其中全液压驱动钻机占据绝对优势，与国际同时期技术相当。例如：1 9 9 1 年由洛矿院开发研制的g z y - 3 0 0 0i 程钻机，采用全液压驱动技术，立足国内，关键 零部件采用进口，该产品生产能力大、技术先进、机重轻，性能可靠，带动了同规格 钻机的进步，创造了明显的经济效益，1 9 9 6 年获国家科技进步三等奖。但是从钻进技 术上讲，类似于两淮地区深覆盖、高涌水地层使用的钻机，由于世界上使用量少，发 展提高并不明显。目前，我国现有的竖井钻机见表1 1 。 表1 - 1 我国现有竖井钻机 主要技术参数 序 最 钻 起 研制 型号 大 回转 吊 钻井 结构 产地 号 进 扭矩能 深度 时间 形式 孔 级 k n m 力m径 数 mt 1z z s 10 5 34 01 3 01 5 0 转盘绞车中国 1 9 6 8 2s z 9 7 0 0m 9 4 3 0 03 0 07 0 0 转盘绞车中国 1 9 7 6 3a s 9 5 0 0m 943 0 03 0 05 0 0 转盘绞车中国 1 9 8 2 4 l 4 0 8 0 0824 2 04 0 08 0 0转盘绞车德国1 9 7 9 5 g z y - 3 0 0 0 工程钻机m 3l2 0 01 0 09 0 转盘绞车 中国1 9 9 1 6x z 3 0 斜孔钻机m 3l2 5 01 5 01 0 0 动力头中国 1 9 9 4 7d g 二3 0 中型钻机 巾3 19 0 1 5 01 0 0动力头中国2 0 0 3 89 2 a 钻机m 3l 3 0 03 0 0 1 0 0 0转盘绞车中国1 9 7 8 华中科技大学硕士学位论文 1 4 本文的主要工作 通过以上阐述可知，在长达二十多年时间中，我国大型竖井钻机的研制基本处于 停顿状态。目前现有的竖井钻机，无论是八十年代我国自行研制的a s 9 5 0 0 竖井钻机 还是从原西德引进的l a 0 8 0 0 竖井钻机，其主要性能指标( 开凿井径、井深、提吊力、 回转扭矩等) 均已满足不了现代矿建的要求，因此，研制一种大而新的竖井钻机势在 必行。 本文主要通过研究现有的煤矿竖井的开凿设备及钻凿竖井的钻进工艺，并结合国 内现有的竖井钻机a s 9 5 0 0 和l 4 0 8 0 0 及现在的竖井施工技术和操作习惯，研制出一 台能满足现代矿建需要的具有国际先进水平的开凿大型基础孔即煤矿竖井的强力竖井 钻机- - a s l 2 8 0 0 强力钻机。其主要宗旨是为了缩短矿建周期，缓解国家的能源紧张问 题。 华中科技大学硕士学位论文 2 。 寰要性襞摇舔 2 竖井钻机的总体方案设计 a s l 2 8 0 0 强力骚拌钻机应适用于大涌水、厚流砂层、易塌方、不稳定的地层( 以8 ) 的表土翔岩石中钻进，可锗凿最大嶷径1 2 米、黢大孔深戈8 0 0 米的煤矿烹、剐竖井、 风并及箕耗工程的井簿。萁主要魏施技术参数为： 1 ) 钻孔最大盥经：中1 2 米 2 ) 钻井最大深度：8 0 0 米 3 ) 适应锸速遗鼷；表主、密石( f s s ) 4 ) 转盘扭矩：5 0 0 k n 1 i t l 5 转盘转速：o 8 1 6 救癍珏 6 ) 提昂重量： 6 0 0 t 7 ) 钻进速度1 5 0 m 月 2 。2 秀案论述 2 2 1 设计原则 薪镶橇基本设诗指导愚想是：参照舀蓊国内瑷有的晷产“a s 9 5 0 0 鳖势锚视”帮西 德进口的“l 4 0 8 0 0 竖井钻机”的特点，并吸取像们的优点用于此次设计。弗且在方案 确定过程中多与用户海遥，利用镪们丰富的现场使用经验，究善姥钻枫的设计，使她 镑税戏为目翦国疼鬏建进豹链瓿，缝满足孺在建井要求，鑫渤纯程度鑫，操作褥单， 维护方便，钻井效率渤。 2 2 2 秀察论述 此钻机在钻进过獠中采用井架吊挂，转盘传扭，全断面分级扩孔，减愿钻进，压 气提升殷循环洗井的钻井工作方式。钻表土层超前孔用锥形05 米钻头，剿岩石层换 为平疯静5 米链头，箕钴头上篱蠢嚣滚乃链头，锤迸瓣鑫动邀绦。 9 华中科技大学硕士学位论文 为此，在考虑总体方案时，结合其工作原理，把此钻机分成五大系统及辅助设备 几个部分。见图2 一l 所示。 图2 - 1a s l 2 8 0 0 强力竖井钻机结构图 a ) 提吊系统：含有井口梁、井架、绞车、钢丝绳、天车、游车、气动抱钩、抱卡、 封口平车几个部件。 b ) 钻具旋转系统：含有水龙头、六方驱动钻杆、转盘几个部件。 c ) 钻具系统：含有钻杆( 普通钻杆、双壁钻杆、带混合器双壁钻杆) 、钻头( 中5 米超 前钻头、0 5 米平底岩石钻头、0 8 米扩孔钻头、0 1 0 7 米钻头等) 二个部件。 d ) 液压系统：含有动力平车机械部分、主系统、控制系统、辅助系统、冷却系统 几个部分。 e ) 电气系统：油泵控制部件、进给直流电机控制部件、行车控制部件、p l c 可 编程控制器部件。 f ) 辅助设备和工具：包含天车检修平台、压气系统、排浆管、排浆槽、六方钻杆 行车、钻杆行车、钻杆仓、梯子系统、附件( 包括吊卡、游车吊板、滑卡、吊帽、风 管卡搬、六方补心、起架装置) 几个部分。此台钻机的机械部分采用可移动a 型井架， 绞车一天车一游车一气动抱钩一压气排碴水龙头一六方驱动钻杆一钻杆钻头的传动 1 0 华中科技大学硕士学位论文 链。 结合囡产“a s 9 5 0 0 竖井钻机”和西德进口的“i a 0 8 0 0 竖井钻机”，襁吸取它们 的往点势耨惩户广泛沟遁数基醚上，确定诧链撬熬慧钵设谤方蹇是： 1 ) 锚机井架可移弗采用与龙门帑同轨道。藏常钻进时钻柄。井架位于并霸中心；当 龙门吊在井口作业时，钻机井架整体后移让开井口供龙门吊作业，龙门吊不必穿越井 椠。孬a s 9 5 0 0 竖势旗懿在起下铱熬孵，戈门跫黎要穿越芳絮，效劳架在像证接卸链 杆所需要的净空问外，还必须有可傲龙门吊穿越的净高空间，丽排浆用的水龙头吊挂 在井架之下，这势必会增加排浆时的扬程，增加避风深度，从而会增加空压机的能力； 孬德产1 4 0 8 0 0 竖势镶壤，鸯了谴牙势日供龙趣黪缛监，势絮霉在演缸豹佟用下顿斜 定角度，这会增加液压控制豹难发，增加井架倾斜时的不蜜垒因素。因j i ：，此钻机 与a s 9 5 0 0 竖井钻机棚比，设计井架时不必考虑笼门吊穿越的净高空间，必需保证钻 援正常王终肄瘊器戆净空趣，这样势絮煞裹度黪低了，这势必增热了井架豹稳定性， 减少了排浆时的扬程，减少了进风深度，从而减少了开孔时人工开挖深度，降低了钻 井工人的势动强度；岛i a 0 8 0 0 骚并钻机相比，此钻机的井架设计方案降低了液压控 制貔难凌，增搬了该锁戳戆安全梭。 2 ) 澍口平车与锚螽车合二为一，封口平车为两半结构，可在布置在两边的液压马 达和驱动镳的带动下。在锁日梁上的轨道上自由运动。在封口平车上放有钻机的动力 源一转纛。在链援键逡露，它是转纛戆基醚，谯怒下链其嚣，霹把转囊聚悫，馒其起 夹具的作用。 这怒吸收了i , 4 0 8 0 0 竖井钻机的特点。国产的a s 9 5 0 0 骚井钻机封口平车与钻台 车是蘧令嚣穗独立熬舞令罄磐，势蕊乎车毒置袭镰会车戆下疆，炙奁起下懿其薅起炙 具的作用。钻台车布谶在井口之上，可以移动，上放有转盘，只起到转盘的安装基础 的作用，在起下钻具时，钻台车须移走，露出井口，以供作业。与a s 9 5 0 0 骚井钻机 耦毙，疆袈会二隽一，会藏少一令帮终戆重量，获瑟会甍约羧零。 3 ) 阐转盘和绞车酌驱动均为全液压驱动。a s 9 5 0 0 竖并钻机设计制造予上世纪八 十年代柳，那时，由予液压元件的不成熟，以及我们对液压传动的认识不足，使得转 鑫窝绞攀驹驱蘩为惫糗逶遘减速爨减速羧窭。瑗在，夔着滚蕊元 孛魏国产识滋及滚嚣 华中科技大学硕士学位论文 驱动的独有的特性，如过载保护可靠性高，抗冲谢，吸收载荷震动麓力强，调速特性 稳定等，适合于钻机工作工况，因此新钻机拟采用液压传动。此台钻机回转盘和绞车 靛驱动改遴隽淫泵绘警达供涟，马达旋转，孬遂避减速器减速输出。黉虽，这里所采 用的是交麓泵和变量，码这，在钻进时，可方便地根据不同的地层采用不弼酾钻速和输 出不同的扭矩，而井下钻进情况的微小变化也可以通过操作嶷里油压表、钻压表和转 速表煞交纯发映出来，皴聪予对势下链迸馈嚣翁羧控。 4 ) 铺机的动力系统、控制系统、提升系统及揉作室安装在动力平车 液压绞帮：它生要完成起下键鞫绩迸时懋持钴葳的z 作，并兼有下散弗罄朝其 它井口裕逝之髑，霞述碍控剃锚盛。 s ) 羹爨警蘩；囊嚣囊擎麓戏，瓣壤攀爵超蠢帮会。宅懿眷封蓑势弱豹露爆，在镑 遴对，封强率嬲龠，上坡有转蠢帮嘏拳簿箨，律铱金使怒。 9 ) 水龙凝；宅是臻谯复动的游动系统及瓣浆管、谶气管与佟旋转动的六菇钻转、 钻其之间的过溅辉节。它一方瑟瑟承受锻具黝夔量，鹦方面也怒并内t 邋滁浆的排 窭强疆气洼入愿鼍蛰翡蘧蕴。 l o ) 蘩耱镶榉：氇鹾六方链姆，蹩转鑫霾链爨涵秀联接鲍孛溺环繁。 11 转擞；谨圭要鼹予镶邂辩旋转镀其，当掉锚打捞辩也可用予旋转静攒羔其。 1 2 ) 锚杼；钻杆是迄逮地鬻秽势下的枢纽。钻进过程中破者掘矩的传递、井底钻 殛魏调节、并髑鹣链遴惩讳、淀浆鹩返鳗及钻头豹超下铸麓作都要借助予锅释浓娄；现。 瓣簿锤避串，镶荧懿王露蘩嚣，雾簿缝蘑羲变毪跨凝穗簧懑遥键抒复致瑟蟪瓣上謇。 除锯避终鼗补，锻避孛鹃其它辅辩王佟，如露捞、澜勰铸也要诺聚予锫挺慕避舒。 1 3 ) 钻头：是钻具系统中爆蒸本的部分，由刀趱、刀其、中心管、醚魏块辅导舟 器等组戚，惩瓣籽的破碎工兵，键怒控镑i 井篱偏斜的誓鼹。 1 4 ) 鞭渤铸拇行车；其圭瑟掰程起下镑酵，褥六方锸轷、拳忿头等移剿舅，愆 下链竞，宅群将六方锗籍、采楚头警移器势心。 1 5 ) 链秆静举；主要用予慰遮期撩教链抒，斌时农穗楚起下俸鼗鼯( 如搜锑铱稃 华中科技大学硕士学位论文 等) 井阴不可缺少的怒吊设备。 一 1 6 ) 钻杆仓：它怒钻杆的存放仓库，钻杆崴接插放在钻秆座上。 1 7 ) 撵浆警：宅楚圭返泥浆弱攘敖遘遴，惑窳龙头窝拷浆攘之凌窭浆遴遂熬褥粱。 1 8 ) 排浆槽：它鼹上返泥浆流向泥浆池的通道。 1 9 ) 死绳装置：是绞车钢丝绳死绳端的固定装置，它的上面装有拉力传感器，当 绞车工童挈瓣，传感器鹣辕窭透号经放大霹显示您镶丝筑孛敦力豹交纯揍菠帮拖镌受芬 或钻压的变化情况。 2 0 ) 压气系统：像是竖井钻机的空气动力源，它不但用予钻机的气动控制系统而 显直接参与竖势链裁瓣链迸洗著王露。 2 1 ) 动力平车：像是液压站和控制柜的安装平台。 2 3 本章小结 本章系统论述了设计a s l 2 8 0 0 强力竖井钻机的设计思想及设计方案，井对此钻机 的大致络梅作了一褥豢余绍，使对其有一初步的认识。从论述中不难看出，此钻极在 设诗缮构及设计理念上均有其毯新之娃。 1 5 华中科技大学硕士学位论文 3 。1 镰撬主参羲 3 钻机主参数的设计计算 竖弗钻机的主参数主要包括主要钻进参数和主要系统参数。钻进参数烧使用条件 的反映，跫链规设诗戆囊接依握，它集中标恚豢钨规靛能力，在链避过程中，钻进参 数对实际的钻进工作翼有指导作用。系统参数受| j 蹩钻枫各部件设计的依据，鄹锫机各 部件应能满足所确定的系统参数。 主蘩镰进参数存隧下凡项”3 ： 1 ) 锚压一是钻进时钻头作用于钻进工作面上的铅垂压力，不是正压力，正压力等 于钻压与井底倾角余弦的乘积。 2 ) 翘垂_ 链其豹旋转力矩。 3 ) 转速一钻具的旋转速度。 4 ) 洗井能力一主要指洗井介质的排渣能力，包括排除岩漶所需的泥浆的循环量以 及获嚣豹窆压瓿豹压力露避风量。 5 ) 纯钻迸速度一怒不计任何辅助时间的锚避速度，它集巾反跌了钻进参数的合理 性，也慰钻机可靠性的一个体现。 圭鬟系绞参数鸯：l 结翼键释霹链头) 戆蘩爨。2 ) 疆墨系统魏负赘，提暴系统 包括绞车、钢丝绳、天车、游车、抱钩和水龙头以及并架。 3 。2 链进主参数的计算及选羽 3 2 1 钻压的计算 镳愿是对钻进效率影响最大的一个链进参数，链压对钻头刀具寿命也褰很大鲍影 确。一般在选定钻毯对应能保涯刀鼹楔入岩层，且达到一定深度，即是戳使岩层呈体 积破碎。这就要求在钻进过程中加给岩石的单位厩力应始终犬于岩石的极限抗压强度， 敲在不鞫瓣链遵地层，链压的选取壤是不一样豹，毽在选取辩必须兼顾至器方面的撑 1 6 华中科技太学硕士学位论文 标，使镪逡效栗达虱簸往1 3 1d g ! 泌l 。 一般，钻压按式( 3 1 ) 计算： p = k q l c o s a ( k g )( 3 一1 ) 式中：p 链压k 葑。 k 一刀具刀刃蘑合系数，k = l ，其中，l ：同时与岩石接触的刀刃总 长度( e r a ) ， 1 ：与崭石接触的键头的母线长( e r a ) ，三= 国一r ) e o s a t ，( r r ) 鸯酸岩镄宽度( c m ) 。实践表臻，觳取矗= 1 0 4 1 2 ，软瓣滚刀取夭值，硬岩滚刀 取小值。此设计中，刀刃重合系数的选取见表3 2 。 搿一并底倾角( 度) ，对乎您钻头，瑾= o 。，对锥形链头，g 等于钨头锥焦一 半弱余角。 q 一刀刃单位长度上的钻艨( k g c m ) ，眩在数值上威等于比压值q ( k g c m 2 ) ， 鬻见鲶装土比压值列予衰3 1 。 表3 - 1 岩比压值 地层q ( k g c r n 。)地层q ( k g c m 2 ) 砂层 l o 1 2严擞风化砂页岩6 0 8 0 骖土层i 5 2 0一般风纯痧页者9 0 1 2 0 贬粘土 2 4 3 2 砂页岩 1 2 0 1 6 0 粘土3 0 4 0砂岩1 5 0 2 0 0 粘夹繇石、砂疆 4 5 6 0砾塞1 8 0 2 4 0 软泥灰岩 5 0 6 0 石蘸岩等( f = - 8 1 2 ) 2 4 0 4 8 0 对澍石层，当= 8 时，按q = 3 0 0 k g c m 进行计算，计算结果见表3 2 。 3 。2 。2 镶头转速熬诗冀 钻头转速一般通过选定钻头外缘线速度来计算； 栉= 6 0 v m 9 ( r r a i n )( 3 2 式孛：妒链头终缘刀其熬线遥度( m s ) 。 对于不同岩性，钻头外缘线速度推荐值见装3 - 3 。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 表3 2 钻进岩石层各级钻头对应的钻压值 钻 钻头 破岩带宽度( r - r ) ( m ) 井底重合 钻压 头 直径 钻中5 米、钻0 9 米 钻钻0 1 2 倾角 系数 级 ( m ) m l o 7 米 a ( 。) k p 别 0 8 米井筒井筒 米井筒 井筒 i中52 52 52 5 2 52 51 0 8 89 8 i im 81 51 53 51 28 2 i中9223 51 1 29 9 l l l 西1 0 7 1 3 53 51 1 57 0 i v 0 1 2 1 53 51 0 57 1 表3 - 3 钻头外缘线速度幽】 地层类别土层软岩中硬岩硬岩流砂层 岩石单轴抗压强度( m p a ) o 5 6s 1 5 0墨3 5 0 线速度( m s ) 2 5 3 51 7 1 41 _ 20 7 此台钻机最高适用岩石为中硬岩，故线速度选为v = 1 4 m s ，又，根据以往钻机使 用经验，线速度最大不超过1 7 9 m s 。而对表土层，其线速度v - - - 2 5 3 5 m s ，取为v = 2 7 m s ，计算结果见表3 4 及表3 ，5 。 表3 - 4 表土层钻进转速计算 钻头级别ii i i i i v 钻头直径d ( m ) 5891 0 71 2 荐用转速1 1 ( r r a i n ) 1 0 36 45 74 84 3 表3 - 5 岩石层钻进转速计算 钻头级别ii ii i iv 钻头直径d ( m ) 5891 0 7 1 2 最高许用转速刀一( r r a i n ) 6 8 3 74 2 7 33 7 9 83 1 9 52 8 4 9 荐用转速n ( r r a i n ) 5 3 4 7 63 3 4 2 2 52 9 7 0 92 4 9 8 9 2 2 2 8 华中科技大学硕士学位论文 3 2 3 锸进速度的确定 钻进速度反映了钻进参数的含瑕性