我國礦山,水電,交通等地下工程需要建設大量井筒,作為進出口,通風,安全逃逸通道等,許多井筒都有下部出口.以前這類工程采用的鉆爆法正向施工,在安全和效率方面存在許多問題,沒有充分利用大部分工程具有下部出口這一有利工程條件.

因此,本文提出反井鉆井法鑿井新工藝,達到綜合機械化破巖鉆進,操作人員不下井作業,從根本解決鑿井安全問題. 反井鉆機采用的是由上向下鉆進導孔,然后由下向上擴孔的施工工藝,以前多用作爆破刷大的導井,作為反井鉆井鑿井法,需要一次擴孔到所需直徑,鉆進直徑從1.4m到5m,破巖面積增大12.7倍,需要解決大體積機械破巖,大面積暴露井幫穩定及控制理論,以及相適應的大直徑反井鉆機.

本文對反井鉆井鑿井新工藝的研究背景,研究目標及技術路線進行了分析,確定了大直徑反井鉆機技術關鍵. 大體積破巖采用的盤形滾刀和鑲齒滾刀,本文對兩種滾刀破巖機理進行理論分析,實驗室試驗,并采用LS-DYNA動態有限元,對鑲齒盤型滾刀破巖進行了數值分析,在巖石為花崗巖條件下,兩種滾刀壓入巖體的深度與正壓力成正比,同樣正壓力條件下,鑲齒滾刀壓入深度大,且破碎單位體積巖石能耗相對小,為了達到同樣破巖效果,盤形滾刀所需壓力大,也增大了切向推力,這樣也需要更大的扭矩和鉆機功率,考慮反井鉆機特點,本文認為鑲齒滾刀更適合反井鉆井法鑿井大體積破巖.對于大直徑反井鉆機擴孔鉆頭結構進行分析,提出了力矩平衡鉆頭滾刀布置原則,形成了5m大直徑擴孔鉆頭.在對滾刀及擴孔鉆頭受力分析基礎上,研究確定了大直徑反井鉆機主要技術參數:導孔直徑350-380mm,擴孔直徑3.5-5.0m,拉力600kN,出軸轉速0-5rpm,扭矩300kNm等,為大直徑反井鉆機設計打下基礎. 大直徑反井井幫需要在擴孔鉆進,設備拆除及支護期間長時間暴露,井幫穩定是反井鉆井鑿井法成敗的技術關鍵,地層條件,地應力及地質構造是影響井幫穩定的主要因素,本文建立了井幫力學分析模型,采用剪切破壞強度理論,確定了井幫失穩條件,提出采用地層改性方法,通過對破碎地層的注漿加固,提高了軟弱地層的完整性和等效模量,使地層中的塑性變形區域消失,軟弱地層塌孔和縮頸的風險大大減小.通過計算對比,在煤礦巖石地層條件下注漿擴散直徑在10m,能夠達到反井井幫穩定. 

本文在分析大直徑反井鉆井穿過的不同地層條件的基礎上,研究確定5種反井鉆井鑿井工藝,包括大直徑反井一次成井,局部開挖預支護,定向鉆進導孔,地表局部不穩定地層加固,局部破碎地層單孔加固,地面預注漿地層改性等,使反井鉆井鑿井法能夠在不同工程條件和地質條件得到應用.

本文對倒"T"新型大直徑反井鉆架結構在鉆進,拆卸鉆桿過程中,鉆架受力及變形進行了模擬計算,對分體式大直徑擴孔鉆頭及滾刀布置進行了分析,成功研制出5.0m大直徑反井鉆機.在此基礎上,在煤礦井筒工程中進行工業性試驗,通過工程實踐檢驗了滾刀破巖及地層穩定理論,大直徑反井鉆機的設計和反井鉆井工藝合理性,證明反井鉆井鑿井法的是一種可靠地鑿井工藝.