大直径反井钻机关键技术研究

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1、密级：辦博士学位论文论文目：人直径反井钴机关键技术研究学号：作者：刘施专处名称：工程力学日大直径反井钻机关键技术研究研究生姓名：刘志强指导教师姓名：蔡美峰北京科技大学土木与环境工程学院北京，中国：：分类号：密级：公开单位代码：：北京科技大学博士学位论文论文题目大直径反井钻机关键技术研究作者刘志强指导教师：蔡魏单位指导小组成员：单位单位论文提交曰期：年月日学位授予单位北京科技大学北京科技大学博士学位论文致谢本文是在导师蔡美峰教授的精心指导和关怀下完成的。论文从选题、撰写到修改、定稿每一个环节，恩师都仔细斟酌、推敲，倾注了大量心血。恩师学术造诣精湛、治学态度严谨，

2、使我在攻读博士学位期间受益扉浅。恩师豁达的人生态度、谦和的为人处世、儒雅的言谈举止，都给我留下深刻的印象，所有这些都使我终生受益。在此衷心地感谢恩师在学习、生活、科研上对我的关怀和帮助。在我学习及毕业论文撰写过程中，还得到了纪洪广、王金安、孟益平教授的大力指导和帮助，在此向他们表示衷心的感谢。感谢璩世杰教授、刘娟红教授、周晓敏教授、尚新春教授、李长洪教授、乔兰教授、髙谦教授、谢谟文教授、谭卓英教授提出中肯的修改意见。感谢由爽博士、向鹏博士和其他同学的支持。感谢天地科技建井研究院、感谢周立院长及员工的帮助。感谢国家高技术研究发展计划（〉课题“矿山竖井掘进机研制”

3、（编号：课题组全体研发人员对本文撰写过程的支持与帮助。感谢我的参考文献中提到的作者们对我的论文的启迪和帮助。最后感谢参与论文评审和答辩的各位专家和教授。北京科技大学博士学位论文摘要我国矿山、水电、交通等地下工程需要建设大量井筒，作为进出口、通风、安全逃逸通道等，许多井筒都有下部出口。以前这类工程采用的钻爆法正向施工，在安全和效率方面存在许多问题，没有充分利用大部分工程具有下部出口这一有利工程条件。因此，本文提出反井钻井法凿井新工艺，达到综合机械化破岩钻进，操作人员不下井作业，从根本解决凿井安全问题。反井钻机釆用的是由上向下钻进导孔，然后由下向上扩孔的施工工艺，

4、以前多用作爆破刷大的导井，作为反井钻井凿井法，需要一次扩孔到所需直径，钻进直径从到，破岩面积增大倍，需要解决大体积机械破岩、大面积暴露井帮稳定及控制理论，以及相适应的大直径反井钻机。本文对反井钻井凿井新工艺的研究背景、研究目标及技术路线进行了分析，确定了大直径反井钻机技术关键。大体积破岩釆用的盘形滚刀和镶齿滚刀，本文对两种滚刀破岩机理进行理论分析、实验室试验，并采用动态有限元，对镶齿盘型滚刀破岩进行了数值分析，在岩石为花岗岩条件下，两种滚刀压入岩体的深度与正压力成正比，同样正压力条件下，镶齿滚刀压入深度大，且破碎单位体积岩石能耗相对小，为了达到同样破岩效果，盘

5、形滚刀所需压力大，也增大了切向推力，这样也需要更大的扭矩和钻机功率，考虑反井钻机特点，本文认为镶齿滚刀更适合反井钻井法凿井大体积破岩。对于大直径反井钻机扩孔钻头结构进行分析，提出了力矩平衡钻头滚刀布置原则，形成了大直径扩孔钻头。在对滚刀及扩孔钻头受力分析基础上，研究确定了大直径反井钻机主要技术参数：导孔直径、扩孔直径、拉力、出轴转速、扭矩等，为大直径反井钻机设计打下基础。大直径反井井帮需要在扩孔钻进、设备拆除及支护期间长时间暴露，井帮稳定是反井钻井凿井法成败的技术关键，地层条件、地应力及地质构造是影响井帮稳定的主要因素，本文建立了井帮力学分析模型，采用剪切破坏

6、强度理论，确定了井帮失稳条件，提出采用地层改性方法，通过对破碎地层的注浆加固，提高了软弱地层的完整性和等效模量，使地层中的塑性变形区域消失，软弱地层塌孔和缩颈的风险大大减小。通过计算对比，在煤矿岩石地层条件下注浆扩散直径在能够达到反井井帮稳定。本文在分析大直径反井钻井穿过的不同地层条件的基础上，研究确定种反井钻井凿井工艺，包括大直径反井一次成井、局部幵挖预支护、定向钻大直径反井钻机关键技术研究进导孔、地表局部不稳定地层加固、局部破碎地层单孔加固、地面预注浆地层改性等，使反井钻井凿井法能够在不同工程条件和地质条件得到应用。本文对倒“”新型大直径反井钻架结构在钻进

7、、拆卸钻杆过程中，钻架受力及变形进行了模拟计算，对分体式大直径扩孔钻头及滚刀布置进行了分析，成功研制出大直径反井钻机。在此基础上，在煤矿井筒工程中进行工业性试验，通过工程实践检验了滚刀破岩及地层稳定理论，大直径反井钻机的设计和反井钻井工艺合理性证明反井钻井凿井法的是一种可靠地凿井工艺。关键词：反井钻机，钻井工艺，滚刀破岩，井帮稳定，钻架，扩孔钻头，反井钻进参数北京科技大学博士学位论文，，，，大直径反井钻机关键技术研究，，，，，：、北京科技大学博士学位论文目录致：弓凿井方法概述‘普通法凿井钻井凿井法反井钻机技术及发展无钻杆反机钻进系统有钻杆反井钻机钻进系统改进现

8、代反井钻机国内反井钻机技术发展本文的研