【矿山图书3】钻井技术

发布时间:2018-04-07

一、前言

矿山钻井技术的发展已有100多年的历史，我国起步较晚约有40多年的历史，立井或者斜井，凡是能够适宜做通风井，下电缆井，排水井，安全通道，下放材料井，提升矿物井，下放人员井等等的各种垂直或有一定斜度的矿山工程用的井孔都可以称为井筒或立井井筒或斜井井筒，为满足上述功能的要求，其直径约在1.5m以上，所以本书原则上就以钻凿Ф1.5m以上的立井为其主要内容。

Ф1.5m左右的井孔的施工方法，主要有两种，一种是打眼，爆破，出矸，支护的普通施工方法，有时要辅以冷冻，注浆等工艺。这种方法是传统的方法也是普遍采用的方法，而且也达到了相当的水平，最大直径达Ф14.0m，深100m（美国弗吉尼亚洲Bath county），最深的井达到3300m，横截面积为75m²（Western Deep Levels, US.A）。用于矿山的立井同样达到了较高的水平，法国煤矿立井最大净径Ф10.0m，深1109m，德国最深的井筒达到1545m（是欧洲煤矿最深的井筒）

美国银矿最深的井筒为2348.5m，净直径Ф5.48m。南非金矿矿井筒净直径9.0m，深1373m，金矿矿井最深井筒达到2300m，其掘进速度为5.8m/天。我国煤矿立井最深达到千米，最大直径8.0m，我国新建的唐口矿井主、副井、风井分别的深度为1030.2m、1061.1m和1044.9m，直径为7.5m、7.0m和6.0m。国内普通立井施工技术也在不断提高，采用深孔凿岩机、大吊桶、大抓岩机、大段高模板等综合机械化配套设备不断完善和工艺上的改进，管理水平的提高，使立井掘砌速度有了进一步的增长，朝阳矿主井井筒基岩段完成220.6m/月成井速度。总之传统的普通立井施工方法已达到相当的水平。但是从开凿井筒的安全性，人工操纵机械的劳动强度，占用人员数量，环保等方面来看仍有缺陷，以及通过深厚冲积层的需要，所以又有了不断发展的立井钻井施工法。

立井钻井施工法的技术近几十年来发展较快，也是一种凿井技术的发展趋势。美国、德国、中国、乌克兰、俄罗斯、澳大利亚、法国、英国、南非、赞比亚、罗马尼亚、波兰、日本等许多国家都在应用这种技术，到目前为止钻凿直径较大的最深的井是德国矿山一个风井，深1260m，钻井直径8.2m，成井直径7.8m钻凿直径最大的井筒是在中国，钻井直径10.8m，成井直径7.3m和8.3m，最大深度为660m。目前正在施工的板集煤矿，主井钻井直径9.4m，钻深660m，副井钻井直径10.8m，成井直径7.3m，钻深638m，风井已钻完钻井直径9.8m，钻深656m。在中国一些煤田上部、赋存着更深厚的冲积层，如万福矿井冲积层深达约760m，河南周口地区达到1000m以上。而在美国，德国等国家，没有像中国赋存着这样复杂的，极难通过的深厚冲积层的地质条件，他们的钻井主要是用于钻凿岩石，其凿井速度，成本、安全等方面与传统的普通钻眼爆破方法相比较时，在一定的条件下，钻井优于普通打井方法。在中国许多煤田由于赋存深厚的不稳定的冲积层，当矿井建设开凿立井时，在这些地区又必须穿过深厚的粘土层，砂层和软岩层，这也是在中国发展钻井法凿井的主要原因之一。目前在国内通过深厚冲积层的打井方法主要是冻结法和钻井法。虽然采用钻井法打井的数量没有冻结法凿井数量多，成井直径没有冻结法凿井的大，但是，钻井法与冻结法相比较，在成功率、安全、施工质量等方面，钻井法优于冻结法凿井。从目前国内实际需要来看，这两种方法均应发展，改善和提高，但从机械化，自动化、安全、质量等方面，从长远来看，更应着重发展钻井技术。从国际上来看，发展钻井技术的趋势也是很明显的。由于各国的条件不同，发展钻井技术在方向上、程度上有所不同，但其共同的特点是各国都在着力的发展。

我国应用立井钻井技术，起步较晚，但发展速度较快，而且有自己的特点，既有在煤炭系统通过深厚冲积层的60多个井筒的钻井经验，也有在金属矿山钻凿硬岩的约20个井的经验，既有从上往下钻凿立井的经验，也有从下往上钻凿的二百多个反井钻井包括斜井的经验，认真加以总结对今后钻井技术的发展是非常有益的，虽然我国的钻井设备与国外相比仍有不少差距，这更激励我们迎头赶上。我们应认真总结本国经验，借鉴国外经验，不断发展完善，提高带有中国特点的矿井钻井技术，这就是撰写本书的目的。

     本书的内容包括各国在钻井技术方面的发展并从钻井设备、工艺、泥浆、井壁、刀具以及设备的拖动与控制等方面去分析，同时也将阐明钻井技术在近年来的进步。

二、目 录

1.国内外立井、反井钻井技术的发展概况

   1.1我国通过深厚冲积层钻井技术的发展概况

   1.2反井钻井技术在我国的发展概况

   1.3立井、反井钻井技术在德国等国家的发展

   1.4前苏联、乌克兰立井、反井钻井技术的发展

   1.5美国立井、反井钻井技术的发展

   1.6法国、日本等国家的立井钻井技术的发展…

2.钻井设备、钻井机的拖动和控制

   2.1钻井设备发展过程…，

   2.2Zs-1型钻井机主要设备及其技术特征

   2.3BZ-1型钻井机主要设备及其技术特征

   2.45Z-9/700(As-9/500)型钻井机主要设备及其技术特征…1

   2.5L40/1000型钻井机主要设备及其技术特征

   2.6AS12/800型钻井机主要设备及其技术特征

   2.7破岩刀具

   2.8打捞机具

   2.9立井钻井机电控系统的概况和特点

   2.10立井钻井机主机(转盘、鉸车)拖动控制系统

   2.11进给系统的电气拖动控制

   2.12立井钻井机的电气控制、监视和保护…

   2.13反井钻井机的电气控制、测量和监视系统

3.钻进

    3.1机械破岩机理…

    3.2钻进前的准备工作…，

    3.3钻井深度和钻井直径的确定

    3.4钻井机机型的选择

    3.5钻井参数的选择

    3.6钻进操作

    3.7防偏、测偏与纠偏

    3.8钻进中的故障处理…非中

4.钻井泥浆

   4.1钻井泥浆的发展历程

   4.2钻井泥浆的护壁机理

    4.3钻井泥浆性能的维护

   4.4抑制造浆

   4.5泥浆性能及其测定

   4.6废浆处理

5.洗井与净化

   5.1洗井介质和应用范围…

   5.2钻井井底工作面冲洗

   5.3洗井方式

   5.4泥浆净化

6.钻井井壁

   6.1井壁结构

   6.2井壁制作

   6.3井壁漂浮下沉

   6.4壁后充填固井

   6.5井壁稳定性

   6.6井壁内、外力实测的研究

7.钻井设计

   7.1钻井设备设计

   7.2钻井工艺设计

   7.3钻井井壁设计

8.钻井实例

   8.1实例一：潘集三矿西风井钻井

   8.2实例二：巨野矿区龙固矿主井钻井

   8.3实例三：山东省新泰市汶南地方煤矿溜矸孔的反井施工

   8.4实例四：反井钻机在水电工程中的应用

9.立井和反井钻井技术与国外的差距及发展趋势

   9.1立井、反井钻井技术与国外的差距

   9.2立井和反井钻井技术的发展趋势

   9.3国内外破岩方法研究动向

参考文献

    著者张永成赠送原煤炭科学研究总院院长芮素生签名书

三、著者简介

    张永成，教授级高级工程师，曾任北京建井研究所所长，国家发明奖评审委员会工程建设专业组委员，中国煤炭学会理事等，目前从事矿山井巷工程施工规程的修改工作。负责组织领导并参加我国第一台竖井大型钻机ZZS-1型的试验研究工作，1969年在淮北朔里矿钻凿风井，取得成功，填补了国内应用钻井法凿井的空白。担任天津钻井机、太湖钻井机、ND-1型上海大钻机、BZ-1型钻井机等的总体设计。获得“煤炭部特等奖”等多项奖励。参加两淮会战，与其他单位一道负责研究并解决了400m以内冻结法凿井与500m以内钻井法凿井的几十项关键技术问题。长期从事钻井法凿井、冻结法凿井、注浆工程、堵水、降水等特殊凿井方法的试验研究工作。曾赴德国讲学，在许多国际会议上发表过论文，参加编辑《井巷施工手册》《建井工程手册》《立井经验汇编》，译有《立井注浆技术》并发表论文数十篇。

    孙杰，钻井高级工程师，曾任中煤特殊工程（集团）公司副总工程师。从事钻井技术研究和施工40余年，积累了丰富的钻井设备设计、钻井施工和打捞方面的经验，被中组部确认为钻井打捞专家。有处理钻井中遇到各种复杂问题的能力和经验。对钻井设备、钻井工艺提出许多有重要影响的工艺，属专利性质，如井架整体吊装；   龙门吊穿过井架；壁后充填工艺（包括内管注浆充填）及壁后检查补注浆工艺，工作面排渣问题等。 在工作上，认真负责，既是安徽省劳模，也是煤炭部劳模。

 王安山，1958年入北京矿业学院工业企业自动化专业学习，1966年研究生毕业。1968年至2004年在煤炭科学研究总院先后任技术员、工程师和研究员等职，主要从事矿山大型设备的电力拖动和自动控制系统的开发及相关工程项目的实现，1986年至1987年赴德国进修。此间所参加的主要工作为钻井法凿井工艺和设备的研究、矿井提升机计算机控制系统的研究等，并分别获国家科学技术进步一等奖和煤炭工业科学技术进步二等奖等奖励，亦享受政府特殊津贴待遇。主要从事矿井综合自动化技术和产品的研究与开发及参与指导硕士、博士研究生工作。