反井钻机小倾角扩孔排渣泥岩下落运动学特征机理研究

彭 鸣，刘志强，荆国业

(1.煤炭科学研究总院 建井研究分院，北京 100013；2.北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013)

在地下矿物资源开发、公路铁路隧道、水力发电等地下工程施工领域，竖井结构发挥着重要的作用。当施工各种类井筒时，采用自上向下的掘进方式称作正向凿井或正向掘进法。矿井在建设和生产过程当中，还需要开凿无地面出口的暗井或者类似工程，这些工程处于矿井的两个生产水平中间，没有直达地面出口，施工易受井下巷道空间的限制，难以做到像地面凿井布置大量的稳绞设备，由上向下采用普通法凿井施工，因此，一些工程采用由下向上掘进的方法，称作反向凿井法，也称反井法[1-6]。

近年来，反井钻井法在地下工程中得到越来越多的应用，其成孔质量好，钻进效率高，安全环保，极大地改善了工作条件，成为地下工程领域重要的工艺技术。当前，反井钻井法已被引入管道工程领域。在管道工程以及竖井施工的辅助斜井中，大部分施工井由于地形、经济、环保等原因，要求小倾角施工。因此，需要对小倾角条件下反井扩孔进行研究。

与垂直或大倾角施工不同，在小倾角反井扩孔施工过程中，岩渣无法依靠自重稳定下落，岩渣停留在井帮内会导致井孔堵死。因此，需要通过一定手段辅助小倾角条件下反井井孔内的岩渣顺利下落排出。目前针对反井钻机长斜井的研究中，大部分是关于长斜井的测斜和纠偏问题，较少涉及反井排渣的问题。因此，本文在在小倾角反井井孔顶部加水冲刷的条件下，研究了岩渣的下落规律。在研究过程中，可将小倾角扩孔排渣模拟为降雨条件下山体坡面型泥石流的情况，对岩渣及较小岩渣遇水而成的泥浆进行研究[16]。国内外很多学者做了很多相关研究。戚国庆[7]等基于泥石流非饱和土力学理论研究了泥石流抗剪强度，得出降水量不足时，不会发生泥石流，但可能引起由固体松散物质组成的坡面发生位移；20世纪30年代，苏联学者建立了泥石流灾害的运动特征，从泥石流的流速和泥石流流量两点 ，以及动力特征值的计算公式[8]；康志成[9]等总结了我国泥石流流速研究及计算方法。

结合反井工程实际需要，笔者团队以广州反井施工岩渣(泥岩)为研究对象，研究了不同条件下岩渣的排渣效率、岩渣掉落规律等。本文利用试验验证了饱和土在水流中的启动公式[10]，研究结果可为反井钻井工程提供参考[14]。

1 排渣试验

1.1 试验台搭建

本次实验在甘肃省天水市麦积区中滩镇丁湾村进行。依据反井钻机施工实际扩孔工况下的倾斜角度、钻头扩孔时井帮的刮痕形状、钻头单位时间破岩量来制作试验台(图1)，试验方式遵循单一变量原则，和组间一致原则：同一组实验中除变量外其他条件一致。

图1 岩渣溜排试验布置

采用20m长半圆形截面混凝土管对溜渣孔进行模拟，试验排水采用10m3水泵。为更加贴合实际溜渣环境，拟对混凝土管内壁做均匀横向刮痕处理。岩渣收集板布置在半圆形截面溜渣孔底部，充分排水后，收集滚落的岩渣。

岩渣挡板布置在半圆形截面溜渣孔的初始端。实验准备阶段，岩渣挡板内装有实际工况下单位时间内破岩产生的岩渣。

水管和挡水板布置在半圆形截面溜渣孔的初始端。通过控制水管出水量，模拟现场不同程度的加水润滑条件。为贴合实际工况中扩孔钻头体对水流动能的影响，在喷水口前方设置挡水板，利用挡板和跌水板消除水流初始动能。

试验采用LS300A型流量测速仪每间隔1m安置在溜槽各段，仪器相关参数见表1。

表1 LS300A型流量测速仪参数表

1.2 试验方案

由施工现场资料可得，饱和泥岩岩渣参数见表2。

表2 泥岩岩渣参数表

反井施工中，当施工角度小于45°时岩渣无法由自重顺利排出，因此，试验分别选取20°、25°、30°、35°四个角度对排渣效果进行分析；并结合实际工况采用0m3/h、5m3/h、10m3/h的水流从上部排水辅助排渣。

选取自然堆积状态下试验用泥岩分组每份0.08m3钻头即钻进1m时岩渣掉落量。实验过程中，打开挡板，岩渣滚落，模拟扩孔钻头在实际破岩钻进过程中破岩面掉落的岩渣，岩渣掉落点按最不利位置考虑，即岩放置在平台上消除重力势能对初速的影响。试验具体步骤如下：

1)将岩渣以自然堆积状态放在试验台溜槽顶端并用隔板阻止其下落。

2)打开水阀使水流从岩渣上部喷在挡板上落下以保证其初速为0的状态，持续5min使水流充分润湿溜槽表面。

3)打开隔板使岩渣下落，此时打开安装在溜槽各段的流速测试仪进行记录，持续排水2min直至各部分岩渣完全静止。

4)关闭水阀，将溜槽每5m分为一段以及已排出的泥岩岩渣进行收集，晒干并分别称重并记录。

5)改变角度和水流大小，重复上述步骤。

1.3 理论分析

1.3.1 非饱和土力学平衡分析

泥岩岩渣在加水前处于非饱和状态，根据非饱和土抗剪强度公式[11]：

τ=C′+(σf-μa)ftanφ′+(μa-μω)ftanφb

(1)

式中，C′为莫尔-库伦剪应力轴与破坏包线的延伸的截距，在剪应力轴处的净法向应力与基质吸力均为0 ，C′也称作有效粘聚力(由于固体松散物质无胶结，有效粘聚力C′很小)；σf为破坏时在破坏面上的法向总应力；μa为破坏时在破坏面上的孔隙气压力；μω为破坏时在破坏面上的孔隙水压力，试验中随着水量的增加破坏时的破坏面逐渐上升。

(σf-μa)f为破坏时在破坏面上的净法向应力状态；(μa-μω)f为破坏时破坏面上的基质吸力，φ′为与净法向应力(σf-μa)f状态变量有关的内摩擦角；φb为抗剪强度随基质吸力(σf-μa)f而增加的速率；(μa-μω)ftanφb为基质吸力(μa-μω)f引起的抗剪强度[12，13]。

试验刚开始阶段，打开挡板和水流，泥岩岩渣处于固体非饱和松散状态，随后岩渣含水量逐渐增加并达到饱和状态，基质吸力导致抗剪强度消失，水压力μω增加，有效应力减少。在此阶段岩渣并未随着水流而下落但岩渣堆发生了变形和位移。其中岩渣堆的抗剪强度随孔隙水压力的关系为：

τ=C+(σ-μω)tanφ

(2)

式中，C为岩渣堆的粘聚力；φ为饱和状态下岩渣堆的内摩擦角。

1.3.2 岩渣水流启动流速分析

泥岩岩渣在加水排渣过程中会与水流混合，因此泥岩排渣过程中可类比于泥石流。根据斯氏改进公式采用挟泥岩水流启动流速来评价其排渣临界值[15]，适用于大比水石流以及挟砂水流，计算方式为：

2 数据分析

不同条件下的排渣效果如图2所示。将各状态下岩渣掉渣率进行计算得出其排渣效率，如图3所示。根据图2可看出：反井井孔角度20°时，排水量为0时泥岩岩渣主要堆积在溜槽顶部，排渣效果不理想，排水量大于2.5m3时主要堆积在溜槽底部；反井井孔角度25°时，排水量为0时泥岩岩渣主要堆积在溜槽顶部，排渣效果仍旧不理想，排水量为2.5m3时泥岩岩渣搅均匀堆积在溜槽各处，排渣效果也不理想，排水量大于5m3时主要堆积在溜槽底部；反井井孔角度30°时，排水量为0时泥岩岩渣主要堆积在溜槽顶部，排渣效果不理想，排水量大于2.5m3时主要堆积在溜槽底部；反井井孔角度35°时，排水量为0时泥岩岩渣主要堆积在溜槽顶部，排渣效果不理想，排水量大于2.5m3时主要堆积在溜槽底部。

图2 泥岩排渣效果图

图3 泥岩排渣效率曲线

持续的水流使得岩渣堆内部水压力增加，有效应力减小，泥岩岩渣渗入的水量来不及流出，加上持续加水的作用，可看作固体松散物质的泥岩岩渣堆将启动，随着水流开始下落。此时，判断岩渣堆启动的公式为：

当K=1时，岩渣堆处于极限状态；当K>1时，岩渣堆处于稳定状态，不会下落；当K<1时，岩渣堆处于不稳定状态，将会沿溜槽落下。

将各参数代入式(4)得出不同条件下的K值见表3。

表3 泥岩排渣K值表

将求得的K值与试验中排渣效率进行比对发现K值小于1的条件下岩渣开始下落，当K值小于0.7时岩渣能较充分排渣。理论和试验能较好地吻合。

试验测得各条件下挟泥岩水流流速如图4所示。

图4 不同条件下泥岩排渣挟岩水流流速曲线图

将试验数据与式(5)计算的理论值进行比对，理论计算所得不同条件下岩渣启动流速Vc，见表4。

表4 不同条件下泥岩启动流速表

将表4结果与实际数值比对可知，当实际速度大于启动速度时，泥岩岩渣排渣效果较明显，但仍存在一定误差。将两种岩渣排渣效果评价方式结果分别与实际排渣结果进行比对发现两种结果基本吻合。

3 结 论

本文分别将饱和土在运动方向的平衡公式和斯氏改进公式的计算结果与试验结果进行对比，得出如下结论：

1)影响反井钻机扩孔泥岩岩渣排出效果的主要因素是反井井孔角度、泥岩岩渣堆饱和抗剪强度、剪切面面积和排水流量。而排水流量影响泥岩岩渣堆粘聚力、内摩擦角以及产生浮力。

2)采用饱和土在运动方向的平衡公式来确定反井钻机扩孔泥岩岩渣排渣效果和斯氏改进公式对泥岩排渣启动速率进行分析是可行的。

3)当K<1时，泥岩开始有向下排渣的趋势；当K<0.7时，泥岩具有显著排渣效果。由K值可得出当在反井井孔角度在20°时，冲刷水量大于5m3泥岩岩渣具有明显的排渣效果；在反井井孔角度在25°时，冲刷水量大于2.5m3泥岩岩渣具有明显的排渣效果；在反井井孔角度在30°时，冲刷水量大于2.5m3泥岩岩渣具有明显的排渣效果；在反井井孔角度在35°时，冲刷水量大于2.5m3泥岩岩渣具有明显的排渣效果。

4)笔者还对其他类型岩石进行了测试，本文应用饱和土在运动方向的平衡公式并不适用于各类硬岩，因此在进一步的研究中会对排渣率和岩渣种类的关系进行分析，并探究其他类型岩石(如硬岩)岩渣排渣效果的评价方法。