反井鉆機發(fā)展回顧

普通豎井鉆井法早在1896年開始應(yīng)用，而反井鉆井法出現(xiàn)較晚。采礦工作者將潛孔式鉆機和平巷掘進機的原理，應(yīng)用在反井掘進中，創(chuàng)造出反井鉆機雛形。 1960年德國將如圖1所示的裝備用于施工反井。這種設(shè)備主要包括絞車、鋼絲繩、鉆頭和電纜等，它的施工工藝和吊罐法有些相似，先用小直徑鉆機鉆1到2個 孔，沿鉆孔下放鋼絲繩和電纜，在下部和鉆頭連接，鉆頭的結(jié)構(gòu)類似于平巷掘進機，具備支撐、推進和旋轉(zhuǎn)功能。在鉆頭入孔之前，先施工一段導(dǎo)向孔，或安設(shè)一段和鉆孔直徑相同 的鋼管，鉆頭入內(nèi)后，徑向油缸支撐在井幫或鋼管上，鉆頭的推進和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)同時作用于破巖刀具，將巖石破碎下來，當一個推進行程完成后，先把推進油缸縮回， 上部絞車提住鉆頭，縮回徑向支撐，上提鉆頭，再將徑向油缸支撐好，進行下一循環(huán)鉆進。這種施工設(shè)備由于在上下兩水平，操作控制困難，地質(zhì)條件對鉆進影響很 大，使用起來問題較多，這種無鉆桿鉆機雖已不在使用，但它開辟了機械施工反井新途徑。

到1962年，美國羅賓斯公司研制成第一臺有鉆桿反井鉆機，這臺鉆機驅(qū)動控制系統(tǒng)都在上部，由上向下鉆進導(dǎo)孔，鉆導(dǎo)孔同時將鉆桿放到下部，在下部和擴孔鉆 頭相連，再由下向上擴孔，最后形成反井。目前大多數(shù)反井鉆機是這種類型，只是具體結(jié)構(gòu)有所不同。德國、芬蘭、日本、前蘇聯(lián)等國，相繼研制出多種類型反井鉆 機，目前反井鉆進施工深度以達千米，最大直徑6m。

1 概況

    LM系列反井鉆機是用于鉆鑿各種反井（天井）的專用設(shè)備。煤炭科學(xué)研究總院北京建井研究所(北京中煤礦山工程有限公司)自“7.5”期間開始反井鉆機的研 制，先后完成國家和原煤炭部重點科技攻關(guān)項目“LM-120型反井鉆機”、“LM-200型”、“LM-90型”反井鉆機的研制。2002年7月完成了科 技部專項資金項目“深井反井鉆井技術(shù)及裝備”中的關(guān)鍵部分ZFY2.0/400型（LM-400型）反井鉆機主機，并通過驗收，將要進行工業(yè)性試驗，目前 已完成LM-300型反井鉆機設(shè)計，很快投入加工。形成了中小型反井鉆機系列（表1）和相應(yīng)的施工技術(shù)。再進行反井鉆機研制的同時，對反井鉆井工藝進行深 入的研究，并投入到煤炭、水電、有色、和工業(yè)等領(lǐng)域中，取得了十分顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。此項目被原煤炭部列為100推中的20項重點之一，至今已有 50多臺反井鉆機分別在27個礦務(wù)局和水電系統(tǒng)以及國外工程中采用。目前，國內(nèi)豎井鉆井最大深度為316m，斜井最大深度為236m（傾角50度）。

表1  LM系列反井鉆機主要技術(shù)參數(shù)

型號	導(dǎo)孔直徑/mm	擴孔直徑/m	深度/m	轉(zhuǎn)速/r/min	扭矩/kNm	推/拉力 /kN	總功率/kW	外形尺寸 /m
LM-90	190	0.9	100	0-45	15	160/380	45.5	2.5×1.6×2.8
LM-120	244	1.2	120	0-43	31	250/500	62.5	2.9×1.4×3.2
LM-200	216	1.4-2.0	200	0-20	40	350/850	82.5	3.2×1.7×3.4
LM-300	216	1.5	300	0-38	50	420/1256	97.5	2.9×1.9×3.4
ZFY2.0/400 （LM-400）	270	2.0	400	0-32	100	2000/3000	110	3.1×1.6×4.6

2 反井鉆機主要用途

反井鉆機適用于鉆鑿上、下部都有工作面的各種豎井和斜井，對于煤炭、冶金、黃金等系統(tǒng)地下采礦工程；人防、鐵路交通等隧道工程；水電系統(tǒng)地下廠房式電站、抽水蓄能電站等工程均可應(yīng)用（表2）。

表2   反井鉆機應(yīng)用范圍及工程

應(yīng)用領(lǐng)域	階段性臨時工程	臨時工程	永久工程
煤炭系統(tǒng)	各種溜矸孔（煤倉、暗井、主井、副井、風井）	采區(qū)風眼、溜煤眼、溜矸眼、瓦斯抽放孔 、安全救護鉆孔	通風井、下料井
水電系統(tǒng)	各種導(dǎo)井（壓力管道、出線井、調(diào)壓井、電梯井）	施工期間通風豎井（長大隧洞、地下調(diào)壓室）、加固鉆孔	地下永久建筑（廠房、變壓室等）通風豎井、觀測孔、
其它開采礦井	各種溜井（井筒、礦倉）	采區(qū)風眼、溜礦眼、溜渣眼、材料人員井	通風孔等
地下建筑	各種導(dǎo)井	施工期間通風孔	通風井、進出口

3 反井鉆機的分類

 雖然反井鉆機種類很多，但根據(jù)鉆機安裝位置、導(dǎo)孔和擴孔鉆進方向等主要鉆進工藝的不同，可將反井鉆機劃分為三類：

第一類，反井鉆機安裝在上水平，由上水平向下鉆進導(dǎo)孔，在下水平拆導(dǎo)孔鉆頭，接擴孔鉆頭，由下向上擴孔。

第二類，鉆機安裝在下水平，由下水平向上鉆進導(dǎo)孔，在上水平拆導(dǎo)孔鉆頭，接擴孔鉆頭，由上向下擴孔。

第三類，鉆機安裝在下水平，由下水平全斷面向上水平鉆進，一次成孔，沒有導(dǎo)孔。

表1為這三種類型反井鉆機的比較，可以進一步看出它們的區(qū)別和優(yōu)缺點。目前，我國這三類反井鉆機都有使用，如北京建井研究所研制的LM系列、南京煤研所研 制的AF系列、長砂礦山研究院研制的ATY系列，以及從美國引進的83RM-HE型和從芬蘭引進的RHINO1000型為第一類；從西德引進的 P/EH1200型為第二類；重慶煤科院分院研制的ZDQ100/100型和蘇聯(lián)飛箭-77為第三類，這幾類鉆機的主要技術(shù)參數(shù)見表3，由于這些反井鉆機 各有特點，所以必須充分利用各自優(yōu)點，為礦山建設(shè)服務(wù)。

表3  三種類型反井鉆機比較表

鉆機類型       比較項目	第I類	第II類	第III類
鉆機安裝位置	上水平	下水平	下水平
導(dǎo)孔方向	由上向下	由下向上	無導(dǎo)孔
拆導(dǎo)孔鉆頭接擴孔鉆頭位置	下水平	上水平	——
擴孔方向	由下向上	由上向下	由下向上
擴孔出渣	下水平	下水平	下水平
適用條件	上下水平都有巷道	上下水平都有巷道	下水平有巷道
優(yōu)點	鉆機和出渣在兩水平互不干擾，工作條件好；受地質(zhì)條件影響小；鉆孔垂直度容易掌握。	鉆機功率小，相對體積和重量小。	可以在上水平?jīng)]巷道或生產(chǎn)系統(tǒng)時采用
缺點	導(dǎo)孔鉆進難度大，需要的輔助設(shè)備較多。	出渣和鉆進相互影響；一次擴孔直徑較小，需要分次擴孔相對速度較低；鉆孔精度難以保證。	鉆機功率大；出渣和鉆進相互影響。

4．LM系列反井鉆機鉆進工藝及構(gòu)造

反井鉆機可用于施工豎井和斜井甚至可以施工水平鉆孔，其主要施工工藝包括導(dǎo)孔鉆進和擴孔鉆進，在上部施工出反井鉆機平臺，澆筑鉆機基礎(chǔ)和其它輔助臨時設(shè) 施，安裝鉆機，由上向下鉆進一小直徑導(dǎo)孔，導(dǎo)孔鉆頭后，將擴孔鉆頭運到下部，拆下導(dǎo)孔鉆頭，連接擴孔鉆頭，由下向上擴孔。導(dǎo)孔鉆進過程中破碎的巖石靠水泵 或泥漿泵產(chǎn)生的壓力水或泥漿排到地面，擴孔時巖屑靠自重落到下水平，由裝載設(shè)備運出。                   

反井鉆機主要包括主機部分、鉆具部分和輔助設(shè)施。主機一般包括鉆機架、液壓泵站、操作控制部分。鉆具部分包括開孔鉆桿、穩(wěn)定鉆桿、普通鉆桿、導(dǎo)孔鉆頭、擴 孔鉆頭等。輔助部分包括電控系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及泥漿循環(huán)系統(tǒng)。圖2為LM-200型反井鉆機主機部分，圖3為鉆具部分，圖4為擴孔鉆頭，圖5為導(dǎo)孔鉆頭， 圖6為破巖滾刀。

4.1 LM-200型反井鉆機

LM-200型反井鉆機是為煤礦井下鉆進較深反井設(shè)計，為了便于井下運輸，第一要控制鉆及外形尺寸；第采用軌輪式行走方式；第三，采用防爆電氣。該機包括主機、操作車、泵站、鉆具部分和泥漿循環(huán)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)。泵站有兩臺電機驅(qū)動，主油泵75kW、

圖1 LM－200型反井鉆機

輔油泵7.5kW，導(dǎo)孔鉆進循環(huán)用泥漿泵90kW，冷卻系統(tǒng)循環(huán)量10－15m³/h。該機設(shè)計最大鉆井深度200m，鉆井直徑1.4－2.0m。但目前已用該鉆機鉆進深度316m工程，對該機進行部分改造后，在十三陵抽水蓄能電站，鉆進傾角50度深236m的大傾角斜孔，已在煤炭、水電和有色礦山系統(tǒng)廣泛采用。

4．2 ZFY2.0/400型反井鉆機

ZFY2.0/400型反井鉆機是為煤炭深井以及水電系統(tǒng)堅硬巖石工程開發(fā)的強力反井鉆機，該機鉆機主要由主機、泵站、液壓操縱臺、鉆具（包括鉆桿、穩(wěn)定 鉆桿、鉆頭等）、起吊裝置、電器開關(guān)等組成。（見圖3）圖示為鉆機工作狀態(tài)。鉆機主機主油泵功率110kW，該機主要特點是：

（1）     采用L型鉆架結(jié)構(gòu)，相對框架型結(jié)構(gòu)來說，減輕了主機重量，便于運輸和吊裝；

（2）     鉆架和底盤采用鉸結(jié)結(jié)構(gòu)，便于鉆機角度調(diào)整和鉆進斜孔；

（3）     加長了鉆桿長度，減少了鉆進輔助時間和鉆具拆卸造成的磨損。

5．反井鉆機主要優(yōu)點

（1）施工安全。和其它反井施工方法相比，反井鉆機施工時，工作人員不需進入工作面，進行打眼、裝藥和臨時支護等作業(yè)，工作人員都在環(huán)境和安全狀況較好的上部，施工人員不再受落石、淋水、有害氣體的傷害，避免了全事故的發(fā)生。

（2）工作效率高。反井鉆機施工為機械化連續(xù)作業(yè)，速度快，比其它施工方法提高工效5－10倍。為后期施工創(chuàng)造了良好的條件，其綜合效益顯著。

（3）工程質(zhì)量好。反井鉆機采用滾刀機械破巖，對圍巖破壞小，井壁光滑，有利于擴挖溜渣、通風、排水。

（4）反井鉆機采用液壓傳動控制，操作簡單，工人勞動強度低。

6． LM系列反井鉆機技術(shù)及施工的發(fā)展

 

表5   反井鉆井工藝研究實例

工程實例	工藝項目	完成時間
開灤礦務(wù)局趙各莊礦11水平暗井	塌孔等不良地質(zhì)條件鉆井工藝	1986年
澄河礦務(wù)局王村煤礦主煤倉	漏漿地層鉆井工藝	1987年
山東省新泰市汶南煤礦新立井	深井反井鉆井工藝	1989年
軒崗礦務(wù)局焦家寨礦副井	井筒內(nèi)施工反井工藝	1991年
十三陵抽水蓄能電站壓力管道	大傾角斜孔反井鉆井工藝	1992年
土耳其某煤礦	復(fù)雜條件鉆進反井工藝	1994年
兗州礦務(wù)局濟寧3號井副井	凍結(jié)地層反井鉆井工藝	1995年
云南大朝山電站通風豎井	堅硬巖石鉆進反井工藝	1998年
許疃煤礦副井	鉆井法鑿井和反井鉆機綜合鑿井工藝	2002年

 

 

為了充分發(fā)揮反井鉆機優(yōu)越性，必須根據(jù)工程條件，地質(zhì)條件等合理選擇反井鉆機；正確的確定鉆進工藝；選擇掌握一定機械、地質(zhì)、鉆井等方面知識有實踐經(jīng)驗的操作人員。如果選擇不當，可能會出現(xiàn)問題或發(fā)生事故。設(shè)備選擇主要依據(jù)和步驟如下：

7．1反井鉆機選擇主要依據(jù)

①             工程概況，包括工程性質(zhì)、用途、主要技術(shù)參數(shù)（井孔深度、擴挖直徑、井孔傾角等）、相關(guān)工程情況、相關(guān)工程施工進展情況。

②             地質(zhì)條件，包括巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、巖體產(chǎn)狀、主要地質(zhì)構(gòu)造和參數(shù)、水文地質(zhì)條件等，對于深孔、斜孔，應(yīng)有鉆孔位置的地質(zhì)柱狀圖等勘探資料。

7．2 選擇步驟

① 可行性研究和風險評價

對工程概況和地質(zhì)條件進行充分研究，確定是否具有采用反井鉆機施工條件：包括在上下水平隧洞內(nèi)能否形成運輸、出渣、供水、供電等生產(chǎn)條件；圍巖在反井鉆井 施工過程中和擴挖期間能否穩(wěn)定，不發(fā)生較大的涌水和塌方。因為，在反井施工和擴挖期間，導(dǎo)井無法安設(shè)臨時支護，若圍巖不能在這段時間內(nèi)穩(wěn)定，發(fā)生塌方，將 導(dǎo)井堵塞，會造成嚴重事故。因此，采用反井鉆機施工前，必須對此進行充分的研究和論證。

表7  導(dǎo)井斷面直徑或斷面尺寸選擇

擴挖直徑 /m	打眼放炮人工施工的導(dǎo)井 （木垛、吊罐和爬罐法等）			反井鉆機施工的導(dǎo)井
	堅硬巖石 （>100Mpa）		較軟巖石 （<100Mpa）	堅硬巖石 （>100Mpa）	較軟巖石 （<100Mpa）
<5 5-8 >8	1.5×1.5m 2×2m 2.4×2.4m	1.5×1.5m 1.5×1.5m 2×2m		φ1.2-1.4 φ1.4-1.8 φ1.8-2	φ1.0 φ1.2-1.5 φ1.5-1.4

② 導(dǎo)井技術(shù)參數(shù)的確定

工程本身已確定了鉆孔深度和傾角，現(xiàn)在要確定導(dǎo)井直徑，也就是反井鉆機擴孔直徑，導(dǎo)井的作用是溜渣、排水、通風、要有足夠的斷面，保證擴挖時不致堵塞。導(dǎo) 井直徑過小，除了容易堵塞外，還增加了擴挖時打眼和出渣工作量，降低了擴挖速度。導(dǎo)井直徑過大，成本將會大大增加。因此，導(dǎo)井斷面選擇必須合理，一般按表 7選擇，但對于擴挖直徑超過10m的工程，導(dǎo)井直徑可選擇在1.5m左右，先由下向上擴挖到4~5m，后再擴挖到設(shè)計斷面，這樣可加快施工速度，降低成 本,減少導(dǎo)井堵塞。

③ 破巖刀具的選擇

破巖刀具包括導(dǎo)孔鉆頭和擴孔滾刀。對于導(dǎo)孔鉆頭一般按生產(chǎn)廠家推薦的適用范圍選擇，但在反井鉆機鉆進導(dǎo)孔期間，最好不進行導(dǎo)孔鉆頭的更換，所以選導(dǎo)孔鉆頭 時應(yīng)選擇適用于硬巖的鉆頭。對于擴孔鉆頭，選擇滾刀時，主要根據(jù)巖石的硬度、磨蝕性來確定滾刀的齒形和布置。反井鉆機一般采用鑲齒結(jié)構(gòu)，選擇如下：

巖石的磨蝕性：低   →    中    →    高

硬        度：軟   →   中硬   →   堅硬

齒        形：楔形 → 錐形 → 復(fù)合型 → 球形

滾  刀 結(jié) 構(gòu)：多刃盤形 → 多刃盤形 → 無盤布置

④ 反井鉆機的選擇

    首先根據(jù)鉆孔深度鉆孔直徑，初步選擇相應(yīng)的反井鉆機，然后對鉆機的主要技術(shù)參數(shù)進行驗算：

    提升力=動力頭重量+擴孔鉆頭重量+鉆桿重量+鉆壓

    扭矩=破巖阻力矩+摩擦阻力

    轉(zhuǎn)速根據(jù)鉆頭類型、直徑以及滾刀結(jié)構(gòu)確定。一般要求提升力不超過鉆機設(shè)計最大提升力的60%，扭矩不超過設(shè)計最大扭矩的70%。

⑤ 鉆機輔助設(shè)備的確定

反井鉆機的主要輔助設(shè)備是泵，泵用于導(dǎo)孔鉆進時洗井液循環(huán)。根據(jù)不同的地質(zhì)條件，可采用泥漿或清水，泥漿作洗井液時除了有將巖屑帶到孔外的作用，還對地層有一定的支護作用。用清水鉆進時一般可用離心泵，用泥漿鉆進時必須采用柱塞式泥漿泵，泵的排量和泵壓必須滿足要求。

8．反井鉆機施工導(dǎo)井所需現(xiàn)場條件

1）供電，提供不小于鉆機功率+泥漿泵功率+冷卻水泵+照明的電源，電壓一般為380V，將四線電源接到井口，并設(shè)總控開關(guān)。

2）供水，要求清水每小時不小于15-20m3，接到井口，設(shè)控制閥門。其作用是導(dǎo)孔鉆進時循環(huán)排渣、冷卻液壓系統(tǒng)和擴孔時冷卻破巖滾刀和降塵。

3）道路，可以是臨時公路，吊車可通行、能夠?qū)⒆畲蠹ㄖ鳈C）設(shè)備運到井口。

4） 場地，施工現(xiàn)場可同時擺放汽車和吊車，能夠進行設(shè)備裝卸。在井口8-10m范圍內(nèi)平整即可滿足反井鉆機施工要求。

5） 臨時工程，根據(jù)不同類型鉆機，以井筒為中心澆筑混凝土基礎(chǔ)，予留地腳螺栓孔，標號不小于C25，上部和地表平。開挖長3m、寬2m、深1.5m的循環(huán)池，并作簡單的防滲處理。

9．采用LM系列反井鉆機完成的部分工程情況

    自1987年，利用反井鉆機鑿井以來，先后在煤炭、水電系統(tǒng)和國外地下工程中完成各種反向鑿井100多項，總深度近萬米，鉆孔直徑0.19-0.9-1.2-1.4-2.0m，鉆孔深度8-316m，鉆孔傾角45-90度，受到用戶的一致好評。

（1）     1989年4月至7月，在山東省汶南煤礦用LM-200型反井鉆機，鉆成直徑1.4m，深度316m我國目前為止最深反井。

（2）     1992年至1993年，反井鉆機首次在水電系統(tǒng)應(yīng)用，完成國家和北京市重點工程，十三陵抽水蓄能電站出線豎井工程158m，還第一次完成深度為203m 和236m的傾角50度的大傾角斜孔(1號、2號壓力管道下斜段)，1號、2號調(diào)壓井，獲得水電系統(tǒng)和北京市的好評，也使得反井鉆機在水電系統(tǒng)得到推廣應(yīng) 用。

（3）     1990年在軒崗礦務(wù)局焦家寨礦，在75m深的井筒，采用LM-120型反井鉆機，第一次在井筒內(nèi)鉆成深236m的反井。

（4）     1994到1995年第一次將反井鉆機應(yīng)用于國外工程，采用LM-200型反井鉆機，在土耳其鉆成直徑1.2m和1.4m的反井11個，總深1108米，創(chuàng)造了良好的信譽，得到國外同行好評。

（5）     1995年，在兗州礦務(wù)局濟寧3號井，第一次穿過98m的凍結(jié)地層，在300m深的井筒內(nèi)鉆成直徑1.4m，深260m溜矸孔。

（6）     1995年,在阜新礦務(wù)局五龍煤礦完成副井延深溜矸孔工程，鉆孔直徑1.4m，深190m。

（7）     1997到1998年,在云南大朝山電站,在堅硬的玄武巖中，鉆成直徑1.4m，傾角46-90度尾水隧洞、地下廠房、尾水調(diào)壓室通風豎井和壓力管道7個，總深度825米。

（8）     1998年在福建芹山電站完成調(diào)壓井和閘門井兩個總深129m。

（9）     1998到1999年,在山西引黃入晉工程中,完成電纜井和出水壓力豎井總兩條深284m。

（10）  2000年在金昌有色公司二礦高地壓的地層中，國內(nèi)外其它鉆井設(shè)備都不成功的壓力下，鉆成兩條深度118m的溜渣孔。

（11）  2001年采用LM-200型反井鉆機，在云南省盈江縣勐乃河施工電站，鉆成直徑1.0m，深度230m，傾角70度的壓力管道導(dǎo)井。

（12）  2002年4月，采用LM-120型反井鉆機，在棗莊礦業(yè)集團蔣莊煤礦南風井，深度115m的凍結(jié)井筒內(nèi)，鉆成直徑1.2m，深147m的溜矸孔。

（13）  2002年6月，采用LM-200型反井鉆機在龍灘電站，鉆成深度229m的排煙豎井。

（14）  2002年6月，采用LM-120型反井鉆機，在淮北礦業(yè)集團許疃煤礦副井，深度300m的鉆井井筒內(nèi)，鉆成直徑1.2m，深139m的溜矸孔。

（15）  2001年到2002年在山西晉城寺河煤礦，鉆成直徑1.4m，深298m的瓦斯抽放小井。

（16）  2002年12月正在鉆進安徽滁州瑯琊山抽水蓄能電站出線豎井，直徑1.4m，深度152m。

（17）  2002年12月正在鉆進福建周寧電站調(diào)壓井和壓力管道；

（18）  2002年11月正在鉆進云南會澤鉛鋅礦提升井直徑1.4m，深度300m.

（19）  2002年11月正在鉆進云南昭通電站調(diào)壓井和壓力管道。

10.工程實例介紹

10.1.1概況

 十三陵抽水蓄能電站是為改變北京供電質(zhì)量,興建的重點建設(shè)工程，位于北京昌平縣，十三陵水庫左岸。利用十三陵水庫為下池，在水 庫左岸莽山上修建蓄能上池。在電站建設(shè)中，傾斜壓力管道工程施工難度大，是電站建設(shè)的關(guān)鍵。為加快施工速度，進行用反井鉆機鉆鑿壓力管道的工業(yè)性實驗。實 驗段為2號壓力管道下斜，從壓力管道中部施工支洞到北探洞，開挖斷面Ｄ5-5.6m，凈斷面Ｄ4.4-3.8ｍ，和水平夾角50°。穿過的巖石主要為復(fù)成 份礫巖，巖體為微風化至新鮮狀態(tài)Ⅱ－Ⅳ巖體，裂隙發(fā)育。沿線有F_２、F_１５、F_１６、F_１４、F_２０斷層以及輝綠玢巖巖脈，斷層一般寬1-3ｍ，影響帶2-5ｍ，透水性好。

4.2 反井鉆機選擇及改造

根據(jù)2號壓力管道的工程條件，選擇LM-200型反井鉆機。通過對有關(guān)參數(shù)進行計算，該機基本能滿足工程要求。但由于該機是針對地下礦山井下條件設(shè)計，鉆 孔傾角60-90°。本次試驗用其鉆鑿傾角50°的斜孔，需對鉆機進行改造，改造的主要部分為：主機、穩(wěn)定鉆桿、和鉆桿輸送裝置等。

4.3 防斜措施

反井鉆井施工中導(dǎo)孔是關(guān)鍵，其成敗關(guān)系到整個鉆孔工作的成敗。本次是我國第一次用反井鉆機施工大傾角深孔工程，沒有成熟的經(jīng)驗可借鑒，2號壓力管道下斜段 巖石為復(fù)成份礫巖，巖石的均質(zhì)性差，裂隙和構(gòu)造十分發(fā)育。并且對于斜孔，不但鉆孔頂角變化會導(dǎo)致偏斜，方位變化對偏斜影響更大，所以必須從技術(shù)上作好準 備，采取可靠的鉆進措施來控制鉆孔的偏斜。

⑴ 選擇適宜的鉆進參數(shù)

 影響鉆孔偏斜的主要因素是鉆壓，通過計算，對于LM-200型反井鉆機，當鉆壓大于60kN時，鉆桿可能失穩(wěn)，因此鉆壓控制最好不超過此值。 但在此鉆壓下，鉆進速度較低，可以通過增加穩(wěn)定鉆桿，提高失穩(wěn)壓力，加大鉆壓，提高鉆進速度。對于復(fù)成份礫巖，鉆壓控制在10kN，鉆進速度約 1.0-1.5m/h。在本次試驗鉆井參數(shù)控制的原則是：鉆孔前50ｍ采用低鉆壓，高轉(zhuǎn)速和恒鉆速。隨著鉆孔深度的增加，摩擦阻力增長很快，逐步減低轉(zhuǎn) 速，適當增加鉆壓，保持鉆速均勻。

⑵ 增設(shè)穩(wěn)定鉆桿

    穩(wěn)定鉆桿的外徑和鉆孔直徑基本相同，它保持鉆具居于井中心，減少由于鉆壓增加引起鉆具彎曲所造成的鉆孔偏斜。為達到防斜目的，至少布置3根穩(wěn)定鉆桿，即近鉆頭穩(wěn)定鉆桿、中穩(wěn)定鉆桿和上穩(wěn)定鉆桿。根據(jù)壓力管道具體情況，適當增加穩(wěn)定鉆桿，并根據(jù)測斜結(jié)果進行調(diào)整。

⑶　泥漿參數(shù)控制

 2號壓力管道下斜段的地質(zhì)條件復(fù)雜，各種構(gòu)造發(fā)育，可能會發(fā)生漏漿、塌孔、埋鉆等孔內(nèi)事故。為避免或減少孔內(nèi)事故的發(fā)生，采用優(yōu)質(zhì)NV-1鈉土配制泥漿作為洗井液。設(shè)計泥漿參數(shù)如表4。在鉆孔過程中根據(jù)地層條件，對泥漿數(shù)作進一步調(diào)整 。

表4                          設(shè)計泥漿參數(shù)表

泥漿參數(shù)	控制范圍	泥漿參數(shù)	控制范圍
粘度/s	20-30	比重	1.04-1.10
失水量/ml(30min)-1	10-15	泥皮厚度/mm	0.7-1.4
切力/mg cm-2	0-40	PH值	8-9
含砂量/%	1	膠體率/%	>97

為保證鉆孔方位 ,導(dǎo)孔鉆進時先后進行了3次測斜工作。所用的測量儀器為JJX-3型井斜儀,采用電磁原理，以螺盤定位和360°電路完成的方位機構(gòu)。它不存在漂移問題。該儀器的誤差指標:方位誤差:±2°,頂角誤差:±10'。

4.4 鉆進工作

完成對LM-200型反井鉆機的改造后，鉆機運到現(xiàn)場，1992-06-04進行安裝，6月26日開鉆導(dǎo)孔鉆進，8月4日安裝擴孔鉆頭，8月17日完成了 深203m直徑1.4m，傾角50°的2號壓力管道下斜導(dǎo)井。鉆孔的技術(shù)統(tǒng)計見表5。此后，又施工了1號壓力管道下斜段和大朝山電站2號壓力管道。

表5              反井鉆機鉆鑿2號壓力管道導(dǎo)井統(tǒng)計

工作內(nèi)容	工作量	工作時間/h	達到指標
導(dǎo)孔鉆進	直徑216mm，深203m	370.75	0.55m/h
接擴孔鉆頭		6
擴孔鉆進	直徑1.4m，深191m	240.75	0.79m/h
擴孔破巖	293.87m3	240.75	1.22m3/h
成孔速度			130m/月
純成孔速度			222.7m/月
鉆孔偏斜率			1.1%

 

4.4大朝山電站通風豎井施工

4.1.1  工程概況

大朝山水電站是瀾滄江中下游河上的又一座大型梯級電站,位于滇西云縣和景東交界處, 在漫灣水電站下游。電站樞紐工程主要包括攔河壩和地下廠房系統(tǒng)。攔河為碾壓砼重力壩,壩頂高程△906.0m,最大壩高△118.0m,壩頂長 481.0m。水庫總庫容9.4億m3,調(diào)節(jié)庫容3.67億m3,為季調(diào)節(jié)水庫。水電站裝6臺22.5萬kW水輪發(fā)電機組,總裝機容量為1.35MW。小 灣電站建成前保證出力為36.31萬kW,年平均發(fā)電量為59.31億kW.h。小灣電站建成后, 保證出力72.35萬kW,多年平均發(fā)電量為70.21億kWh。

大朝山水電站尾水隧洞是電站的重要建筑物,包括出口土石方明挖和支護、閘門啟閉機安裝、兩條尾水隧洞石方洞挖和混凝土襯砌、通風豎井等工程。兩條尾水隧洞 分別為1362.3×φ17m和1258.9×φ17m。`施工長大尾水隧洞，建設(shè)時期的通風成為制約進度的關(guān)鍵之一，為此，在施工支洞附近設(shè)計四條通風 豎井，深度從95到140m。

豎井施工特別是小斷面豎井，施工難度大。前期曾采用人工正井法開挖，工程進展緩慢，制約了尾水隧洞主體工程進度，為此，將原通風豎井人工正井法，改為反井鉆機法機械施工，以加快豎井施工速度，搶回工期，為主體工程施工創(chuàng)造良好條件。

1997年10月反井鉆機進場，到1998年9月，先后完成尾水隧洞、廠房、尾調(diào)室通風豎井6條和壓力管道1條，總鉆孔深度825.07m。

4.2.2工程條件

尾水隧洞通風豎井布置在施工支洞和主洞相交位置附近，上部在廠區(qū)公路邊，那戈河兩側(cè)。巖石主要為玄武巖，夾部分凝灰?guī)r，為Ⅲ到Ⅴ圍巖，地質(zhì)條件相對簡單，但由于那戈河的影響，水文條件可能復(fù)雜。

尾調(diào)室通風井布置既要考慮位置，又要考慮上部鉆機運輸和安裝方便，經(jīng)過多次修改，最后確定尾調(diào)室通風井上口在10號公路。巖石主要為玄武巖，夾部分凝灰?guī)r，為Ⅲ到Ⅴ圍巖，巖石堅硬。

4.2.3施工設(shè)備簡介

根據(jù)通風豎井條件，選用LM-200型反井鉆機，該機是LM系列反井鉆機之一，是由煤炭科學(xué)研究總院北京建井研究所研制，主要用于煤炭深井和水電系統(tǒng)長大壓力管道施工，該機曾獲得原能源部煤炭科技進步一等獎、獲電力部科技進步三等獎、獲華北電力集團公司科技進步一等獎。

4.2.4施工情況及技術(shù)統(tǒng)計                      

大朝山電站尾水隧洞開挖，首先開挖施工支洞，當其達到主洞位置后，向地下廠房和出口兩個方向開挖主洞，此時，通風效果很差，影響正常施工。設(shè)計的T4通風 豎井，采用人工正井法施工，月進只有幾米，完成138m通風豎井需要一年多，難以解決通風問題。反井鉆機進場后，調(diào)整井位，并利用原人工開挖的6m的小 井，作為泥漿池，用8天時間完成導(dǎo)孔，此時，施工導(dǎo)洞還沒到位，等4天后導(dǎo)洞開挖到位，接1.4m直徑擴孔鉆頭，由下向上擴孔，用15天完成 138.08m擴孔。在主洞開始開挖時，自然通風效果已能滿足施工要求，距離較長時，在鉆孔上部安裝通風機，抽出式通風，效果非常好，放炮后即可進洞出 渣。

次后又根據(jù)工程進展的需要，先后完成T2通風豎井、壓力管道導(dǎo)井、尾調(diào)室通風豎井、T1和T3通風豎井、廠房通風豎井等工程，為大朝山電站整體地下工程建設(shè)和后期安裝創(chuàng)造良好的施工條件，技術(shù)統(tǒng)計見表2。

表5-4-6        反井鉆機施工大朝山電站通風豎井技術(shù)統(tǒng)計

工程名稱	T4通風豎井	T2通風豎井	T3通風豎井	T1通風豎井	尾調(diào)室通風豎井	廠房通風豎井
導(dǎo)孔深度 （m）	138.08	130.75	109.5	101	162.18	133.56
擴孔深度 （m）	138.08	130.75	109.5	101	162.18	133.56
鉆孔傾角（度）	90	90	84	73	90	87.167
導(dǎo)孔直徑（mm）	216	216	216	216	216	216
擴孔直徑（mm）	1.4	1.4	1.4	1.4	1.4	1.4
開鉆日期	97.10.22	97.11.26	98.3.4	98.6.25	98.5.2	98.8.9
完工日期	97.11.18	97.12.25	98.3.26	98.7.26	98.6.20	98.8.26
導(dǎo)孔時間(天)	8	6	4	7	9	5
擴孔時間(天)	15	24	15	23	30	13
導(dǎo)孔平均鉆速(m/天)	17.26	21.8	27.38	14.43	18	26.6
擴孔平均鉆速(m/天)	9.2	5.4	7.3	4.39	5.4	10.23
月成孔速度	180.1	130.75	172.9	101	124.6	221.67