反井钻机在混凝土系统骨料竖井开挖施工中的应用.pdf

圈 _ 一水 利 水电 施 工 2 0 1 4 第4 期 总 第1 4 5 期 反井钻机 在混凝土 系统骨料 竖井开挖施 工 中的应用 王飞跃 张 勇／ ( 中国水利水电第八工程局有限公司) 【 摘 要】 溪洛渡 水电站 工程 高线混凝 土 系统布置在 右岸坝顶 高程 6 1 0 ． O O m平 台，其 中 6个骨料 竖井井 口布 置 于高程 7 0 5 ． O O r a平台，每 个竖井井深均在 7 0 m 以上 。竖井开挖施 工应用 了新型反 井钻机设备 ．较 以往常 用方法 更快捷 、经济 、安全 。本文 旨在介绍反 井钻施 工工艺及 其可供参考的成功经验 。 【 关键词】 溪洛渡水 电站 骨料 竖井反 井钻 机 1 引言 溪洛渡水电站 足金 沙江 上最 大 的水 电站 ，是中 周第 二、世界第 大水电站。电站坝高 2 8 5 ． 5 0 m，总装机容 量 1 2 6 0 0 MW。 高线 混凝 土 系统 布置 于 右岸 坝头 高 程 6 1 0 ． O O m．设 置两 座 l 4 ． 5 m。 型混凝土拌和楼 和一 座制冷楼 ，常态混 凝土生产 能力 6 0 0 m ／ h ，预冷混 凝 土生产 能力 5 0 0 m ／ h ， 班制牛产 。主要供 应有 温控 要 求 的大坝 混凝 土 。该 系 统具有夏 季供 应m机 口温度 7 ~ C 混 凝土的制冷能力 。高线 混凝土 系统 生产混凝土 总量约 6 6 5 ． 7万 ，月高峰 浇筑 强度 l 6 ． 0 9 万 m 。 高线混凝土生产 系统包含骨料预冷系统，粗、细骨 料竖井 及 井下 胶 带 机 系统 。骨 料 竖 井 开 口布 置 在 高 程 7 0 5 ． O O m 平 有 上．拌 和 楼 及 制 冷 系 统 布 置 在 高 程 6 1 0 ． O O m平 台 上，污水处理布置在 5 9 5 ． O O m高程平 台上。 骨料 竖 井包 括 4座粗 骨料 竖 井 和 2座细 骨 料 竖 井 ， 骨料容量按 保障混凝土 卜 产系统 3天的骨 料料源 来设计 ， 粗骨料 和细骨料竖井直 径分 别 为 1 2 m 和 1 O m．开挖 ：区径 分别为 3 m和 l 】 ． 3 m。最大井深为 7 7 m，井与井之问 的问距为 l 倍直径， 直线布置。井底为 8 纵坡的检修 廊道和胶带机廊道。6个竖井开挖量为 4 4 5 0 0 m ，计划丁 期仅 2 1 0 d ，平均开挖强度 2 1 2 0 m。 ／ 月。 2 竖井开挖方 案选择 竖井开挖一般采州正井法、反井法或正反混合法。 2 8 坝址 岩石 为玄武 岩 ．为间歇 性 多期喷 溢 的陆相 基性 火 山 岩流。竖井 部位 的岩 石为 I 1 l 类 ( 弱风 化 上段 ) ，岩石 湿 抗压 强度 为 1 2 5 ～2 0 0 MP a ，地质 构造 为次 块状 为 主，浅 表裂 隙发育 ，层 问错 动带 发育 ，岩 石完 整性 差 ，爆 破后 呈散 粒状 。反向掘进 存 在很 多安 全不 利 因素 ，不宜 采取 反井 法或 爬罐 法 。正 井开 挖 支护 跟进 ．相对 安全 ．但效 率低，工期难以满 足要求 ，且通』 x 【 条件不良。根据该 T 程竖 井及 底部廊 道系 统布 置 条件 ．经 科学 分析后 。采取 了正 向掘进 、向下 溜渣、底部 廊道 j l I 渣 的开 挖施丁思 路 。 利用先行开挖竖井底部的水平廊道作为空间，采用反井 钻机 自上 而下 一次形成直径 1 ． 4 m 的先 导井 ，再 自上而下 扩挖形 成直 径 4 ． 2 m 的溜渣 井 ，然 后正 向开挖 ， 向下溜 渣，平洞出渣。先导井既作为竖 _片开挖的 自由面，义起 溜渣作用 ，还 兼有通 风排 炯功 能 ，其 巾利 用反 井钻 机一 次性形 成先导井是关键所在。 3 反井钻机选型 反井钻机于 2 O世纪五六 卜 年 代f 1 I 现在 美 国和德 国采 矿丁程领域，它是将隧道掘进机和钻井法凿井机结合形 成的井筒施工设 备 ，用 于施 T矿 ⋯地 下 暗井 、溜 井 、矿 仓等导井T程。我周在 2 0世纪 8 0年代将反井钻机用于 煤矿 地下工程 中，煤 炭科 学研 究总 院研 制 出 I M 系列 反 井钻机，其中I M一 1 2 0型反井钻机 1 9 8 6年第一次应用在 开滦赵各庄矿 ；I M 一 2 0 0型反井钻机于 1 9 9 2年 4月首 次 应用在十三 陵抽 水 蓄能 电站 ，完 成直 径 1 ． 4 m、深 1 5 8 m 的竖井导井施工。截至目前，反井钻机先后在国内各大 矿务局 ( 矿业集团公司) 、十几个水电站和抽水蓄能电站 等 工 程 中 应 用 ，最 大 竖 井 深 度 3 1 6 m，最 大 斜 井 长 度 2 3 6 m ( 倾 角 5 0 。 ) 。由于反井钻 井施 工技术 具有 安全 、快 速、质量高等优点 ，从而受到地下工程建设者的欢迎。 ( 1 )L M 系列 反 井 钻机 包 括 L M 一9 0型 、L M 一2 0 0 型 ，原设计 主要是 为煤 炭系统中硬岩石( 小于 I O O MP a ) ， 深度小于 2 0 0 m，直径为 0 ． 9 、1 I 2 、1 ． 4 m 的反井工程。 虽然在实 际工 程应 用 中也完成 深 度 、岩 石硬度 都超 过设 计的竖井和斜井，但施工工效大大降低，事故率也大大 增加 ，难 以满 足快 速建 设煤炭 、水电深井工程 的要求 。 ( 2 )Z F Y1 ． 4 ／ 3 o o型 ( L M 一3 0 0型 )反井 钻机是在 水 电建设工 程普 遍 应用 的 L M 一2 0 0型反 井 钻 机 的改 进 产 品，它解决了 L M一2 0 0型反井钻机能力偏低的问题，但 仍保 留体 积小 、重 量轻 、搬 迁移 动 方便 的特 点 ，具 有更 强 的适应性 。 ( 3 )Z F Y2 ． o ／ 4 o o型 ( L M一4 0 0型 )强力 反井钻 机改 变了 I M 系列反井钻井在煤炭 、水电深井工程 中应用的 一 些不足 之处 。 根 据 骨 料 竖 井 工 程 特 点 ，选 择 了 Z F Y1 ． 4 ／ 3 o o型 ( L M 一 3 0 0型)反井钻机 。 4 反 井钻 机施工 4 ． 1 施工 准备 Z F Y1 ． 4 ／ 3 o o型反井钻机 主要包 括主机 部分 、钻具 部 分和辅助设施 。主机包 括 钻机 架 、液 压 泵站 、操 作 控制 部分 。钻具部 分 包 括 开 孔 钻杆 、稳 定 钻 杆 、普 通 钻 杆 、 导孔钻头、扩孔钻头等。辅助部分包括电控系统、冷却 系统及泥浆循环 系统 。 先开挖底部水 平廊 道为 反井 钻机 提供 一个 上扩 孑 L 钻 头的空间。结合该工程 6 个骨料竖井底部的胶带机廊道， 首先从 6 1 0 ． O O m平台开挖检修交通洞和 1 号胶带机廊道 地 下 工 程 一 到达最近 的 6 号骨料竖井 。 Z F Y1 ． ~ t ／ 3 o o型 反井 钻 机 需 要 一个 钻 机 安 装 平 台， 平 台为混凝 土结构 ，尺 寸为 2 ． 5 m2 ． 5 m0 ． 5 m；需 要 循环水池，容积 3 O r n 3 ，于 2 ～3号竖井问布置一个 6 m 6 m1 ． 5 m 的水 池 ；还需 要 布置 液 压 油泵 、冷 却机 、操 作 台的平 台，一 般呈 直线 布置 ，占用 面积 为 3 m2 0 m。 另有其他钻具设备等摆放场地和导孔钻孔岩屑临时堆放 场地 。 Z F Y1 ． 4 ／ 3 o o型反井钻 主机 重 1 0 t ，安装 时需 要 配置 1 6 t 以上 的吊车或其 他卷扬机 系统 。 4 ． 2 施 工 程序 施工程 序 为 ：施 工 钻 机 基 础 一 钻机 安 装 一 调 平 找 正一浇注地脚螺栓一钻机运转一整个系统试运转一导孑 L 钻进一处理不 良地层一 拆导 孔钻 头一接 扩孑 L 钻头 一扩 孔 钻进一拆 ( 移 )机 。 4 ． 3 施 工 方法 Z F Y1 ． 4 ／ 3 o o型反井钻机的工作原 理为 ：双液压 马达 驱动动力水龙 头 ，后 者将扭 矩传 递 给钻具 系统 ，带 动钻 具旋转 ；正 向钻导孔采用 ~ 2 0 0 mm牙 轮钻形 成 ~ 2 1 6 mm的 导孑 L ；反 向扩孔破 岩采 用镶 齿 盘形 滚刀 ，滚 刀 在钻杆 的 作用下沿井底滚动，对岩石产生冲击、挤压和剪切作用 ， 使其破碎，形成 声 1 ． 4 m的导井。正向钻导孑 L 时，岩屑由 洗井液沿钻杆 与孔壁 问 的环行 空间 提升 到上水 平 ，配合 人工清理至堆 渣 平 台 ；扩 孔 时岩 屑 靠 自重 落 到 下水 平 。 钻凿 声 1 ． 4 m的钻孔 时只需 先 钻 2 1 6 ram 的导孔 ，直 至导 孑 L 钻透下 水平 巷道 ，将 导孑 L 钻 头在此 卸 下 ，接 上 4 m 的扩孔钻头 ，再 南下 向上扩孔 。 该工程从开始架钻钻孔 ，到完成 6 个竖井 的 ≯ 1 ． 4 m导 井钻孔工作，历时仅 2 个月。因外界停工影响，综合效率 平均每天 ( 2 O h )钻孑 L 6 ． 8 m，实 际钻孑 L 速 度 0 ． 5 8 m／ h ，纯 钻孔效率平均每天 ( 2 O h )钻孔 1 3 ． 8 m。具体记录见表 l 。 表 1 骨料竖井反井钻机施工记 录 部位 1 号竖 井 2号竖 井 3号竖 井 4号竖井 5 号 竖井 6号竖 井 参数 7 0 7 0 7 0 ． 6 7 2 ． 6 7 4 ． 6 7 6 ． 6 2 0 0 7 一 o 7 —1 1 2 0 0 7 一 O 7 一O 1 2 0 0 7—— o 5 — — 2 5 2 0 0 7 一O 5 —2 1 2 0 0 7 一o 5 —1 7 2 0 0 7 一 O 5 —2 9 开 钻 时间 0 8：3 0 1 5：2 O 0 8 ： 1 8 1 2 ： 2 0 0 8： 1 8 l 5 ： 3 0 终 孔时 间 2 0 0 7 一 O 7 一l 3 2 0 0 7 — — o 7 — — o 3 2 0 0 7 一O 5 —2 7 2 0 0 7 — — o 5 — — 2 3 2 0 O 7 一 O 5 —1 9 2 0 0 7 一 o 6 o 1 导 孔 0 8：2 0 1 6：1 o 1 6 ：3 0 1 2 ：1 5 1 2：4 0 o 1 ：4 0 协调停工时间 ( h ) 4 ． 5 6 ． 5 9 4 4 ． 5 9 钻孔 时间( h ) 4 3 ． 5 4 2 ． 5 4 7 ． 4 4 4 4 8 4 9 平均钻进速度 ( m／ h ) 1 ． 6 1 1 ． 6 5 1 ． 4 9 1 ． 6 5 1 ． 5 5 1 ． 5 6 2 0 0 7 —0 7 —1 5 2 0 0 7 — — 0 7 — — 0 4 2 0 (3 7 一O 6 —2 5 2 0 0 7 一O 6 —1 g 2 0 0 7 — 0 6 —1 1 2 0 0 7 —0 6 一 O 2 开钻时问 1 5：O 0 1 5 ： 2 O 0 9 ： 3 0 l 0 ： 3 0 l 6： 1 5 l 5 ． 2 0 终孔 时 间 2 0 0 7 — — 0 7 — — 1 9 2 0 0 7 一O 7 一 O 7 2 0 0 7 — — 0 6 — — 2 9 2 0 0 7 —0 6 — 2 3 2 0 0 7 — 0 6 1 8 2 0 0 7 一O 6 一O 9 扩 孑 L 0 5 ：3 0 2 1 ：3 O 2 0 ：3 0 1 O ：2 0 0 2 ：3 0 0 5 ：5 0 协调停工时间 ( h ) 1 6 9 ． 5 3 6 ． 4 1 3 ． 8 6 4 6 7 ． 5 钻 L 时间( h ) 7 O ． 5 6 8 7 O ． 6 8 2 ． 2 9 O ． 5 9 1 平均速度 ( m／ h ) 1 ． 0 L O 3 1 ． 0 0 ． 8 8 0 ． 8 2 0 ． 8 4 综合钻速 ( m／ h ) O ． 6 1 O ． 6 3 0 ． 6 0 O ． 5 8 O ． 5 4 O ． 5 5 29 麓 _ 水 利 水 电 施 工 2 0 1 4 第4 期 总 第1 4 5 期 5 反井钻 施工工艺 ( 1 )做好准备。Z F Y1 ． 4 ／ 3 0 0型反钻机的 自重及作业 时的扭 矩 、反钻压力 均 由基础 承受 ，基础 的施 工技 术要 求较高，其施工质量直接影响成井质量。基础上铺设轨 道 ，轨 道面必须保持水平 ，基 础混凝土强度应控制在 C 3 0 以上。浇灌基础时必须捣 固，仔细找平，上表面浮渣要 清理干净。电源及供、排水管路 的准备工作赶在钻机安 装前，必须将供电、供水、排水、压风系统的电缆和各 种管路接到作业地点。供电必须有专用设备，供水必须 能满足需要量 ，并 有 一定 的水压 ，自作 业地 点 向外挖 好 排水沟；如不具备 自然排水条件 ，必须施工一个临时集 水坑，并将排水管路接至集水坑，安装好排水泥浆泵 ， 要求排水能力不低于 3 5 ／ h 。 ( 2 )做好 稳钻。稳 钻 的好 坏直接 影响 到成井 的质 量 ， 并会对钻机的工作状态产生很大的影响。如工作 中钻机 发生偏移，钻机振动会急剧加大，钻进效率 明显降低， 严重 时会对钻机 、钻杆 、钻 头造成 损坏 ，甚至 中断钻 进 ， 造成废孔 。为达 到稳钻要求 ，采取 了以下措施 ： 1 )严格按 照钻 机基础设 计 图施 工基础 ，浇灌 混凝土 必 须达到设 计标号 。 2 )稳钻 时 ，所有 紧同件 必须 逐一 检查 紧固 。 3 )钻进过程中 ，时刻注意钻机工作状况及 仪表数据 ， 经常检查主要紧固件，发现松动及时处理。有效控偏钻进 过程中，反井中心线和钻机主轴中心线应重合。由于安装 及施工 中的某些原 因，有可能造成这两条线 产生偏斜 。反 井钻机在正常情况下和偏斜情况下的工作状态是不相同 的 。正常钻进时推拉 力和 扭矩 比较平 稳 ，变化不 会太 大 ， 也不会产 生剧烈 变化 ； 而 偏斜后 ，要达 到正常 钻进 速度 ， 所需的推拉力及 扭矩 都 大大增 加 ，振 动加 剧 ，往 往造 成 钻机机件损坏。由于导 向孑 L 发生偏斜 ，透孔偏离了设计 位置 ，扩孔钻头 的换接 无法 进行 ，被 迫 在导 向孔 透孔 地 点放炮处理 。该工程导孔偏差控制在 0 ． 4 m范 围内。 ( 3 )防止堵钻。堵钻是钻进工作中常见且极易发生的 钻进事 故 。堵钻 后 ，岩 渣返 不上来 ，钻杆 不 能旋 转 。轻 微堵钻 时 ，加 大供 水 量 有 时可 顺 利解 决 ；严 重 堵 钻 时 ， 下部钻杆水孔及钻孔内的环形空间都被岩渣堵实，如时 间过长 ，岩渣胶结 起来 ，与钻 杆 连在 一起 ，则钻 杆 难 以 回转，有时无法升降。有时出现供水管路突然爆裂，造 成排渣供水中断，岩渣无法排出孑 L 外，钻孔中尚未完全 排 出的岩渣也沉积 孔底 ，埋住 牙轮 及钻 杆 ，堵 住输 水通 道 ，造成堵 钻 。当供水 量较 少 时 ，岩 渣不 能及 时 排 出， 也可能导致输水管通道阻塞。为防止堵钻，要做好 以下 准备工作： 1 ) 供水管路的选择。尽量选用无缝钢管，用法兰盘 连接时要上紧螺母 ，避免漏水。如使用软管，应选用钢 丝编织的高压胶管，接头选用高压快速接头。开钻前， 仔细检查供水管路，按照要求接好管路，并保证其连接 3 0 质量 。控水阀门 的质 量 也要 保证 ，钻 进期 间 ，要 配 备人 员管理供水管路 ，按 操作规 程 接通 和关 闭水 源 ，防止管 路爆裂 ，避免供水泄漏 。 2 )严禁无计划停水，保证供水系统的正常工作。需 要停水时，要提前通知钻机工作人员 ，做好停钻准备。 当发生水管爆 裂或 泄漏 时 ，要及 时处理 ，尽 量 缩 短停水 时 间，同时将钻杆提起 。 3 )随着钻进深 度的增 加 ，排渣 逐渐 困难 ，此 时应 适 当增加 冲洗排渣 的时 间 ，钻机 不 停机 ，但不 钻 进 ，视 水 量情况增加冲洗排渣的时间，此时钻机仍回转，但不给 进 ，以加强搅动利 于 排渣 。每钻 完一 根 钻杆 ，应 先连 续 冲排几分钟后再钻进。钻机换接钻杆时一定要先冲洗、 后停钻 、再停水 ，最后卸扣 ，接入钻杆后，先打开水阀 再旋转给进 。 4 )正 确处 理堵 钻 。发 生堵钻事 故后 ，应根 据不 同 的 情 况 ，采取相应 措施 进行 处 理 。如 果堵 钻较 轻 微 ，可 以 加 大冲水量进行 冲洗井 底 ，或在 钻 机 的水头 上再 接 入一 路压风，边冲洗边用压风吹动，将进入牙轮喷嘴、钻杆 输水孔中的岩渣顺导向孔与井壁的环形空间吹出，使孑 L 道 疏通 ，不 再堵钻 。当堵钻 比较 严 重 时 ，风 水搅 动 已不 足 以排除事故 ，此 时必 须松 开钻 杆 ，将 一根 长 风管 顺钻 杆输水孔插至堵塞处的上部，先注水后送风，反复交替， 使岩渣逐步排出。 ( 4 )防止塌孔 。当反井导孔穿 入地质缺陷岩层或钻人 溶洞时 ，容易发 生塌孔 事故 ，此 时泥潭 将 钻杆 周 围 的环 形空间充满 ，又漏 水 ，水 及 岩渣 返不 上 来 ，钻 进速 度 明 显降低 。为避免塌 孔 ，首 先要 清 楚地 质 构造 情况 ，当钻 进不良地质岩层时，应放慢钻进速度，将排渣水量适量 降低 。 6 结束 语 反井钻 机已成为矿 山井 巷建 设及 水 利水 电工 程建 设 的重要设备 ，其 应用 越来 越 广泛 。反井 钻机 钻井 方法 是 一 个反复的认识与实践过程。随着不断地认识 、研究和 总结，反井钻机设备越来越备受青睐。在竖井施工 中， 创造条件应用反井钻机，能快速、经济 、安全地完成竖 井的施工 。该工程 6个竖井开挖量为 4 4 5 0 0 m。 ，而工期仅 2 1 0 d ，平均开挖强度 2 1 2 0 I T l 3 ／ Y l ，若采用正井开挖 ，抓斗 装渣，向上提升出渣，施工工期至少为 5 2 0 d ，耗时耗力 效率低；现采用反井钻施工方法，反井钻历时 6 3 d完成 1 ． 4 m 导井 4 3 5 m，扣 除施 工干 扰影响 ，平 均钻 孔成井 速 度为 1 2 m／ d 。可见 ，采用 反 井 钻 机 施 工 ，节 约 了工 期 ， 提高了劳动生产率，创造了明显的经济效益。目前，一 批大型反井钻机的开发研制将给工程建设施工带来更广 阔的前景 ，如中煤集团研制的 Z F Y5 ． 0 ／ 6 0 0型大直径钻机 已成功在矿山工程中得到应用。大直径成孔设备的反井 钻机将进一步减少工人劳动量，更精准 、安全、快捷 ， 为工程建设带来更大的经济效益。