岩土钻掘工程专业设计.docx
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岩土钻掘工程专业设计
第1章前言
1.1专业设计的目的意义
通过本次专业设计，初步训练运用岩土钻掘工程理论解决实际生产问题的能力，较全面地整合以往所学专业知识，达到学以致用的目的，为今后的生产实习与毕业设计打好基础。
1.2专业设计内容要点
专业设计的主要内容包括钻探设备的选择与布置安装、钻进方法及工艺参数、钻孔冲洗液与护壁堵漏、岩矿芯采取措施、防斜纠斜方法以及钻探经济成本、施工组织管理与安全措施的编制。
针对设计中所选择的设备、方法、参数均要做到有据可依且论据充分。
1.3工区概况
1.3.1施工地区
施工地区：
湖北xx铁矿。
1.3.2探区自然经济及地理概况
山区，交通不便，需修简易公路3km。
无电源，距孔位300m处有溪流，高差130m，施工期最大风力1.5kpa。
1.3.3钻孔目的
钻孔目的：
求C级储量。
1.3.4钻孔要求
终孔直径≥59mm，岩心采取率>65％，矿心采取率＞85％，坡积层可不取心，顶角允许偏差2°/100m。
作简易水文观测，按规范封孔。
第2章钻孔结构
2.1钻孔结构设计要素
钻孔结构是指开孔至终孔孔身直径的变化和相应孔径对应段的孔身长度。
钻孔结构包括钻孔深度、钻孔直径、换径次数三要素。
钻孔结构的复杂程度取决于地层岩性和钻探技术水品，结构越复杂，钻进效率越低，成本越高，孔内事故出现的次数越多。
2.2确定钻孔结构的原则
以终孔直径做为拟定钻孔结构的标准，对照理想岩层剖面自下而上拟定各段的口径和开孔直径。
在保证钻孔质量和安全钻进的前提下，尽可能地采用泥浆护孔从而减少或不下套管和少换径，最大限度地简化钻孔结构，以提高钻进效率。
2.3钻孔结构的确定
钻孔设计指示书中已要求终孔直径为59mm。
地质剖面为：
0m至15m主要以坡积层为主；从15m至305m为灰岩，岩石裂隙、溶洞发育，严重漏失，可钻性为6级；305m至380m为较完整的大理岩，可钻性为7级；380m至450m为矽卡岩、磁铁矿，局部硬、脆、碎，研磨性弱，可钻性为8级岩；450m至530m为可钻性为7级的较完整的闪长岩；530m至680m为矽卡岩、磁铁矿，局部硬、脆、碎，研磨性弱，可钻性为8级岩；680m至700m为较完整的大理岩，可钻性为8级。
分析地质剖面得：
钻孔结构为：
0m～15m用φ91mm开孔，下入φ89mm孔口套管；从15m至305m换用φ75mm钻头，并下入φ73mm套管；从305m开始换用φ59mm钻头；配置性能优良的泥浆进行钻进，采取有效的防斜纠斜措施，一径到底。
钻孔结构图见附1。
第3章钻探设备和器材
3.1钻机的选择
钻机是钻探中最主要的设备，选择钻机的依据是钻孔结构和钻进方法。
由于此地层较硬，为提高钻进效率，缩短工期，减少钻井成本，则可初选金刚石钻进，据此为了满足金刚石钻进所需的较高转速，必须选用具有多个高速档位的钻机，又由于钻进深度700m，终孔直径为59mm，开孔直径为91mm，所以选择地质系统液压立轴式岩心钻机XY-4型岩心钻机。
其解体性能良好。
其参数见表3-1，外形如图3-1所示。
表3-1液压立轴式岩心钻机XY-4技术参数表
钻进深度（ｍ）
850950
钻杆直径（㎜）
5055
钻孔直径（㎜）
150
钻孔倾角（0）
0-360
回
转
器
通孔直径（㎜）
68
转
速
正（r/min）
101,187,267,311,388,547,819,1191
反（r/min）
83,251
给
进
机
构
型式
液压双缸
上顶力（KN）
80
给进力（KN）
60
给进行程（㎜）
600
升
降
机
型式
行星式带水冷
最大提升力（kn）
30
提升速度（ｍ/ｓ）
0.821.512.163.13
卷筒直径（㎜）
285
钢绳直径（㎜）
16
容绳量（ｍ）
90
移动液压缸行程（㎜）
400
动
力
机
型式
495
功率（KW）
36.75
转速（ｒ/min）
2000
液
压
缸
型式
BC-32/80
工作压力
8
流量（l/min）
32
外型尺寸（㎜）
2640×110×1750
生产单位
黄海机械厂
图3-1XY-4型钻机
3.2泥浆泵的选择
泥浆泵的作用是把泥浆从泥浆池中泵送到钻杆内，使冲洗液在钻孔内形成循环，以便排出岩粉和冷却钻头，在钻进过程中起重要作用。
3.2.1泥浆泵的流量
流量即是泵量，它的确定是与钻进方法相适应，以保证有效的排出岩粉和冷却钻头为前提。
冲洗液量的确定可用公式：
式中：
Q——冲洗液量——m3/s
β——上返流速不均匀系数——β=1.1～1.3
F——最大上返环状空间过流断面面积——m2
D——由最大钻头外径决定的孔径或最大套管内径——m
d——钻杆外径——m
V——冲洗液上返流速——m/s
在算出各孔段所需泵量后，选其中最大值作为选定泥浆泵的依据。
各孔段所需泵量见后面钻进参数。
3.2.2泥浆泵的工作压力
泥浆的工作压力不是钻进规程参数之一，但冲洗液要在孔内循环管道中流动就必须克服各种留着阻力。
泥浆泵工作压力的大小反映了泥浆流动的畅通程度。
该孔深度不大，循环阻力也较小，常用的泵一般都能满足要求。
根据上面所述，选用国内往复式泥浆泵BW-250型，技术参数见表3-2，外形见图3-2。
图3-2BW-250型往复式泥浆泵
表3-2BW-250型往复式泥浆泵技术参数
类型
卧式三缸单作用活塞泵
变量方式
变速箱四级变速和更换两级缸套
流量级数
8
流量（l/min）
35；60；96；166；52；90；145；250
额定排出压力（MPa）
7；7；6；4；6；6；4.5；2.5
吸入高度（ｍ）
2.5
输入功率（KW）
15
输入轴转速
500
缸径（㎜）
80；65
活塞行程（㎜）
100
活塞往复次数（次/分）
42；72；116；200
吸水管直径（㎜）
75
排水管直径（㎜）
50
重量（kn）
5（配柴油机）
外形尺寸
1100×995×650
生产厂
衡阳探矿机械厂
3.3供水泵的选择
3.3.1供水方式的确定
据任务书得知，水源距钻孔孔位高差达300m，从经济合理性和用水需求综合考虑，建立二级泵站满足用水要求。
一级泵站建在水源处，在旁边挖一蓄水池，将水用水管引入蓄水池，再用水泵向二级泵站供水。
二级泵站建立在半山空地处，与一级泵站高差为150m利用原地的一天然土坑加以修理后，作为蓄水池。
3.3.2供水泵的选定
在各个泵站和机场都有蓄水池，故流量要求不是很大。
只需考虑扬程问题。
供水泵的扬程表示供水泵能将水在垂直方向上抬升的高度。
计算式为：
H=Z+△H
式中：
Z——相邻泵站的高度差；
△H——相邻泵站间整个送水管路的阻力损失的总和，用水柱高度表示。
假设一两级泵站间管路总长约600m，两个泵站间平均为300m，整个送水管路采用普通输水管水管，内径按38mm计算。
初选BW-250型泥浆泵，流量按最小计算，即Q=35L/min。
则管路流速为：
查钻探手册得每百m长管路水头损失为1.2m水柱，1000m总水头损失为
△H=10x1.2=12m
所以，H=Z+△H=500+12=512m
BW-250型泥浆泵的额定排出压力最大为7MPa，即是700m水柱，在使用时需用7MPa或6MPa的排出压力的档位才能满足要求。
泵的技术参数见表3-3，外形见图3-3。
图3-3BW-250型往复式泥浆泵
表3-3BW-250型泥浆泵技术参数表
类型
卧式三缸单作用活塞泵
变量方式
变速箱四级变速和曲柄两级变速
流量级数
8
流量（l/min）
3560961665290145250
额定排出压力（MPa）
7764664.52.5
吸入高度（ｍ）
2.5
输入功率（KW）
15
输入轴转速
500
缸径（㎜）
80
活塞行程（㎜）
100
活塞往复次数（次/分）
4272116200
吸水管直径（㎜）
75
排水管直径（㎜）
50
重量（kn）
5.00（不含动力机）
外形尺寸
1100×995×650（不含动力机）
生产厂
衡阳探矿机械厂
3.4动力机的选择
钻探设备的流动性大，钻机场又是相对独立的生产单位。
因此动力机械要求使用和维护方便、经济、单位功率重量小，便于搬迁。
该矿区无电源，故全部采用柴油机。
钻机、泥浆泵使用的柴油机都是在购买时已配好的，其余动力机根据现场情况进行配备，具体类型、数量见表3-4。
表3-4动力机种类、数量
类型
数量（台）
用途
功率（kw）
Y225S-4495型柴油机
1
钻机用
36.75
290型柴油机
4
泵用
15
Z2-32型柴油机
1
发电机用
1.7
3.5钻塔的选择
钻塔是钻探施工中用于悬挂滑车系统进行起、下钻具和套管的设备。
它的类型和结构应根据孔深、钻孔倾角、大钩载荷及搬迁的方便程度等综合选用。
3.5.1塔高的选择
钻塔的高度取决于钻孔深度和起下钻时的立根长度。
钻孔越深，立根应越长，钻塔就应越高。
钻塔在吊起立根时，顶部应有一定的安全距离，所以初步确定钻塔高为：
式中：
H——钻塔高度；m
L——立根长度（m）。
施工用的钻杆单根长度为4.5m，三根单根构成一根立根，为13.5m；
K——安全高度系数。
与起、下钻工具尺寸和提钻安全高度有关，一般可取1.25～1.4，立根短，提升速度快时，取大值，此处取1.3。
查设计钻探手册，选择四角管子钻塔，依据本钻孔为直孔以及钻孔深度，初选塔SG18，其性能参数详见表3-5。
表3-5SG18钻塔性能参数表
名义高度（m）
18
钻孔深度（m）
600—1000
立根长度（m）
13.5
底层尺寸（m2）
4.5x4.5
顶层尺寸（m2）
1.2x1.2
层数（曾）
11
重量（kg）
3800
有效负荷（kn）
550
结构特点
预加拉力交叉柔性复杆系
3.5.2钻塔负荷量的计算及校核
①提钻具时的大钩载荷：
式中：
——大钩载荷；
q——每m钻杆柱的质量，内加厚φ50钻杆为7kg/m；
L——钻杆柱的长度；
r1——冲洗液比重，根据后面所配泥浆的密度，大约平均值为1.05g/cm3；
r2——钻杆钢材比重，8.0g/cm3；
ａ——接头重量修正系数，由于采用接头连接ａ=1.05；
——钻孔倾角；
K——卡阻系数，K=1.5～2，浅孔取小值，深孔取大值，此处取2。
②提套管时大钩载荷
当下入套管时，提升的只是套管自身的重量，数值是比较小的。
当钻孔完毕，要拔出孔内套管时，由于套管与地层有摩擦阻力，此时的提升力比下套管时大的多，所以按拔套管时的力计算。
取①、②结果的大值作为大钩载荷，即是=85KN。
经校核钻塔满足要求。
3.5.3滑车装置的选择
地质系统使用的滑动滑车已经表转化，有单轮、双轮和三轮三种结构。
根据大钩载荷，孔深可选择单轮游动滑车，负荷能力100KN。
用死绳端的滑车系统时，载荷对称。
3.5.4钢丝绳的选择
由于用XY—4钻机，所以钢绳的直径已经确定，用17.5mm的钢绳.
3.5.5钻塔工作绳数
滑车系统的工作绳数就是系在游动滑车上的钢索根数，由大钩载荷与升降机提升能力（PJ）确定。
而m与滑车系统的效率关系见表3-7。
表3-7m与滑车系统的效率关系
m
1
2
3
4
5
6
η
0.97～0.96
0.95～0.93
0.92～0.90
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