反井鉆機小傾角擴孔排渣泥巖下落運動學特征機理研究

彭 鳴，劉志強，荊國業

(1.煤炭科學研究總院 建井研究分院，北京 100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

在地下礦物資源開發、公路鐵路隧道、水力發電等地下工程施工領域，豎井結構發揮著重要的作用。當施工各種類井筒時，采用自上向下的掘進方式稱作正向鑿井或正向掘進法。礦井在建設和生產過程當中，還需要開鑿無地面出口的暗井或者類似工程，這些工程處于礦井的兩個生產水平中間，沒有直達地面出口，施工易受井下巷道空間的限制，難以做到像地面鑿井布置大量的穩絞設備，由上向下采用普通法鑿井施工，因此，一些工程采用由下向上掘進的方法，稱作反向鑿井法，也稱反井法[1-6]。

近年來，反井鉆井法在地下工程中得到越來越多的應用，其成孔質量好，鉆進效率高，安全環保，極大地改善了工作條件，成為地下工程領域重要的工藝技術。當前，反井鉆井法已被引入管道工程領域。在管道工程以及豎井施工的輔助斜井中，大部分施工井由于地形、經濟、環保等原因，要求小傾角施工。因此，需要對小傾角條件下反井擴孔進行研究。

與垂直或大傾角施工不同，在小傾角反井擴孔施工過程中，巖渣無法依靠自重穩定下落，巖渣停留在井幫內會導致井孔堵死。因此，需要通過一定手段輔助小傾角條件下反井井孔內的巖渣順利下落排出。目前針對反井鉆機長斜井的研究中，大部分是關于長斜井的測斜和糾偏問題，較少涉及反井排渣的問題。因此，本文在在小傾角反井井孔頂部加水沖刷的條件下，研究了巖渣的下落規律。在研究過程中，可將小傾角擴孔排渣模擬為降雨條件下山體坡面型泥石流的情況，對巖渣及較小巖渣遇水而成的泥漿進行研究[16]。國內外很多學者做了很多相關研究。戚國慶[7]等基于泥石流非飽和土力學理論研究了泥石流抗剪強度，得出降水量不足時，不會發生泥石流，但可能引起由固體松散物質組成的坡面發生位移；20世紀30年代，蘇聯學者建立了泥石流災害的運動特征，從泥石流的流速和泥石流流量兩點 ，以及動力特征值的計算公式[8]；康志成[9]等總結了我國泥石流流速研究及計算方法。

結合反井工程實際需要，筆者團隊以廣州反井施工巖渣(泥巖)為研究對象，研究了不同條件下巖渣的排渣效率、巖渣掉落規律等。本文利用試驗驗證了飽和土在水流中的啟動公式[10]，研究結果可為反井鉆井工程提供參考[14]。

1 排渣試驗

1.1 試驗臺搭建

本次實驗在甘肅省天水市麥積區中灘鎮丁灣村進行。依據反井鉆機施工實際擴孔工況下的傾斜角度、鉆頭擴孔時井幫的刮痕形狀、鉆頭單位時間破巖量來制作試驗臺(圖1)，試驗方式遵循單一變量原則，和組間一致原則：同一組實驗中除變量外其他條件一致。

圖1 巖渣溜排試驗布置

采用20m長半圓形截面混凝土管對溜渣孔進行模擬，試驗排水采用10m3水泵。為更加貼合實際溜渣環境，擬對混凝土管內壁做均勻橫向刮痕處理。巖渣收集板布置在半圓形截面溜渣孔底部，充分排水后，收集滾落的巖渣。

巖渣擋板布置在半圓形截面溜渣孔的初始端。實驗準備階段，巖渣擋板內裝有實際工況下單位時間內破巖產生的巖渣。

水管和擋水板布置在半圓形截面溜渣孔的初始端。通過控制水管出水量，模擬現場不同程度的加水潤滑條件。為貼合實際工況中擴孔鉆頭體對水流動能的影響，在噴水口前方設置擋水板，利用擋板和跌水板消除水流初始動能。

試驗采用LS300A型流量測速儀每間隔1m安置在溜槽各段，儀器相關參數見表1。

表1 LS300A型流量測速儀參數表

1.2 試驗方案

由施工現場資料可得，飽和泥巖巖渣參數見表2。

表2 泥巖巖渣參數表

反井施工中，當施工角度小于45°時巖渣無法由自重順利排出，因此，試驗分別選取20°、25°、30°、35°四個角度對排渣效果進行分析；并結合實際工況采用0m3/h、5m3/h、10m3/h的水流從上部排水輔助排渣。

選取自然堆積狀態下試驗用泥巖分組每份0.08m3鉆頭即鉆進1m時巖渣掉落量。實驗過程中，打開擋板，巖渣滾落，模擬擴孔鉆頭在實際破巖鉆進過程中破巖面掉落的巖渣，巖渣掉落點按最不利位置考慮，即巖放置在平臺上消除重力勢能對初速的影響。試驗具體步驟如下：

1)將巖渣以自然堆積狀態放在試驗臺溜槽頂端并用隔板阻止其下落。

2)打開水閥使水流從巖渣上部噴在擋板上落下以保證其初速為0的狀態，持續5min使水流充分潤濕溜槽表面。

3)打開隔板使巖渣下落，此時打開安裝在溜槽各段的流速測試儀進行記錄，持續排水2min直至各部分巖渣完全靜止。

4)關閉水閥，將溜槽每5m分為一段以及已排出的泥巖巖渣進行收集，曬干并分別稱重并記錄。

5)改變角度和水流大小，重復上述步驟。

1.3 理論分析

1.3.1 非飽和土力學平衡分析

泥巖巖渣在加水前處于非飽和狀態，根據非飽和土抗剪強度公式[11]：

τ=C′+(σf-μa)ftanφ′+(μa-μω)ftanφb

(1)

式中，C′為莫爾-庫倫剪應力軸與破壞包線的延伸的截距，在剪應力軸處的凈法向應力與基質吸力均為0 ，C′也稱作有效粘聚力(由于固體松散物質無膠結，有效粘聚力C′很小)；σf為破壞時在破壞面上的法向總應力；μa為破壞時在破壞面上的孔隙氣壓力；μω為破壞時在破壞面上的孔隙水壓力，試驗中隨著水量的增加破壞時的破壞面逐漸上升。

(σf-μa)f為破壞時在破壞面上的凈法向應力狀態；(μa-μω)f為破壞時破壞面上的基質吸力，φ′為與凈法向應力(σf-μa)f狀態變量有關的內摩擦角；φb為抗剪強度隨基質吸力(σf-μa)f而增加的速率；(μa-μω)ftanφb為基質吸力(μa-μω)f引起的抗剪強度[12，13]。

試驗剛開始階段，打開擋板和水流，泥巖巖渣處于固體非飽和松散狀態，隨后巖渣含水量逐漸增加并達到飽和狀態，基質吸力導致抗剪強度消失，水壓力μω增加，有效應力減少。在此階段巖渣并未隨著水流而下落但巖渣堆發生了變形和位移。其中巖渣堆的抗剪強度隨孔隙水壓力的關系為：

τ=C+(σ-μω)tanφ

(2)

式中，C為巖渣堆的粘聚力；φ為飽和狀態下巖渣堆的內摩擦角。

1.3.2 巖渣水流啟動流速分析

泥巖巖渣在加水排渣過程中會與水流混合，因此泥巖排渣過程中可類比于泥石流。根據斯氏改進公式采用挾泥巖水流啟動流速來評價其排渣臨界值[15]，適用于大比水石流以及挾砂水流，計算方式為：

2 數據分析

不同條件下的排渣效果如圖2所示。將各狀態下巖渣掉渣率進行計算得出其排渣效率，如圖3所示。根據圖2可看出：反井井孔角度20°時，排水量為0時泥巖巖渣主要堆積在溜槽頂部，排渣效果不理想，排水量大于2.5m3時主要堆積在溜槽底部；反井井孔角度25°時，排水量為0時泥巖巖渣主要堆積在溜槽頂部，排渣效果仍舊不理想，排水量為2.5m3時泥巖巖渣攪均勻堆積在溜槽各處，排渣效果也不理想，排水量大于5m3時主要堆積在溜槽底部；反井井孔角度30°時，排水量為0時泥巖巖渣主要堆積在溜槽頂部，排渣效果不理想，排水量大于2.5m3時主要堆積在溜槽底部；反井井孔角度35°時，排水量為0時泥巖巖渣主要堆積在溜槽頂部，排渣效果不理想，排水量大于2.5m3時主要堆積在溜槽底部。

圖2 泥巖排渣效果圖

圖3 泥巖排渣效率曲線

持續的水流使得巖渣堆內部水壓力增加，有效應力減小，泥巖巖渣滲入的水量來不及流出，加上持續加水的作用，可看作固體松散物質的泥巖巖渣堆將啟動，隨著水流開始下落。此時，判斷巖渣堆啟動的公式為：

當K=1時，巖渣堆處于極限狀態；當K>1時，巖渣堆處于穩定狀態，不會下落；當K<1時，巖渣堆處于不穩定狀態，將會沿溜槽落下。

將各參數代入式(4)得出不同條件下的K值見表3。

表3 泥巖排渣K值表

將求得的K值與試驗中排渣效率進行比對發現K值小于1的條件下巖渣開始下落，當K值小于0.7時巖渣能較充分排渣。理論和試驗能較好地吻合。

試驗測得各條件下挾泥巖水流流速如圖4所示。

圖4 不同條件下泥巖排渣挾巖水流流速曲線圖

將試驗數據與式(5)計算的理論值進行比對，理論計算所得不同條件下巖渣啟動流速Vc，見表4。

表4 不同條件下泥巖啟動流速表

將表4結果與實際數值比對可知，當實際速度大于啟動速度時，泥巖巖渣排渣效果較明顯，但仍存在一定誤差。將兩種巖渣排渣效果評價方式結果分別與實際排渣結果進行比對發現兩種結果基本吻合。

3 結 論

本文分別將飽和土在運動方向的平衡公式和斯氏改進公式的計算結果與試驗結果進行對比，得出如下結論：

1)影響反井鉆機擴孔泥巖巖渣排出效果的主要因素是反井井孔角度、泥巖巖渣堆飽和抗剪強度、剪切面面積和排水流量。而排水流量影響泥巖巖渣堆粘聚力、內摩擦角以及產生浮力。

2)采用飽和土在運動方向的平衡公式來確定反井鉆機擴孔泥巖巖渣排渣效果和斯氏改進公式對泥巖排渣啟動速率進行分析是可行的。

3)當K<1時，泥巖開始有向下排渣的趨勢；當K<0.7時，泥巖具有顯著排渣效果。由K值可得出當在反井井孔角度在20°時，沖刷水量大于5m3泥巖巖渣具有明顯的排渣效果；在反井井孔角度在25°時，沖刷水量大于2.5m3泥巖巖渣具有明顯的排渣效果；在反井井孔角度在30°時，沖刷水量大于2.5m3泥巖巖渣具有明顯的排渣效果；在反井井孔角度在35°時，沖刷水量大于2.5m3泥巖巖渣具有明顯的排渣效果。

4)筆者還對其他類型巖石進行了測試，本文應用飽和土在運動方向的平衡公式并不適用于各類硬巖，因此在進一步的研究中會對排渣率和巖渣種類的關系進行分析，并探究其他類型巖石(如硬巖)巖渣排渣效果的評價方法。