劉福生,王紅霞,方 俊

(1.四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司,四川 成都 610072;2.四川電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川 成都 610072)

1 反井鉆機(jī)施工豎井、斜井、導(dǎo)井

1.1 反井鉆機(jī)施工導(dǎo)井技術(shù)

反井鉆機(jī)是連續(xù)鉆進(jìn)導(dǎo)井(反井)的機(jī)械設(shè)備,其施工工藝是先由上水平向下鉆一小直徑(200～350mm)的導(dǎo)向鉆孔,和下水平貫通后拆掉導(dǎo)孔鉆頭,接上擴(kuò)孔鉆頭沿導(dǎo)向鉆孔進(jìn)行反向擴(kuò)孔(見圖1)。反井鉆機(jī)主要包括兩大部分:井外部分和井內(nèi)部分。井外主要有主機(jī)、操作控制臺、洗井循環(huán)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電控系統(tǒng);井內(nèi)部分有鉆桿、穩(wěn)定鉆桿、導(dǎo)孔鉆頭、擴(kuò)孔鉆頭、破巖滾刀等。由于近幾年設(shè)計水平和加工工藝的提高,以及反井鉆井工藝技術(shù)的完善,我國反井鉆井技術(shù)有了較大發(fā)展,從淺孔發(fā)展到深孔,最大鉆深已達(dá) 316m;從直孔到斜孔。從設(shè)備到工藝基本能夠滿足深 400m、傾角不小于45°的垂直孔或斜孔施工。反井鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。反井鉆機(jī)施工的主要優(yōu)點有:

(1)施工安全。反井鉆機(jī)施工導(dǎo)井時,人員不需進(jìn)入工作面,工作環(huán)境和安全狀況都好,避免其它施工方法受落石、淋水、有害氣體的傷害。此外,反井鉆機(jī)采用液壓傳動控制,操作簡單,工人勞動強(qiáng)度低。

(2)工作效率高。反井鉆機(jī)施工為機(jī)械化連續(xù)作業(yè),月成井速度在 200m左右,其它施工方法很難達(dá)到。

圖1 反井鉆機(jī)施工導(dǎo)井示意

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

(4)由于反井鉆機(jī)效率高,加快了施工速度,為后期施工創(chuàng)造了良好的條件,綜合效益顯著。

1.2 反井鉆機(jī)的選擇

為了充分發(fā)揮反井鉆機(jī)的優(yōu)越性,必須根據(jù)工程條件、地質(zhì)條件等合理地選擇反井鉆機(jī)、正確地確定鉆進(jìn)工藝,選擇掌握一定機(jī)械、地質(zhì)、鉆井等方面知識的操作人員。如果選擇不當(dāng),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:

1.2.1 反井鉆機(jī)選擇主要依據(jù)

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、終孔直徑、井孔傾角等)、相關(guān)工程情況、相關(guān)工程施工進(jìn)展情況。

表1 國內(nèi)部分類型反井鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

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)勘探孔資料和地質(zhì)柱狀圖等。

1.2.2 選擇步驟

1.2.2.1 可行性研究和風(fēng)險評價

對工程概況和地質(zhì)條件進(jìn)行充分研究,確定是否具有使用反井鉆機(jī)施工條件:包括在上下水平隧洞內(nèi)能否形成運(yùn)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(kuò)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(kuò)挖期間,導(dǎo)井無法安設(shè)臨時支護(hù),若圍巖不能在這段時間內(nèi)穩(wěn)定而發(fā)生塌方堵塞導(dǎo)井,會造成嚴(yán)重事故。因此,采用反井鉆機(jī)施工前,必須對此進(jìn)行充分的研究和論證。

1.2.2.2 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(jī)擴(kuò)孔直徑。導(dǎo)井的作用是溜渣、排水、通風(fēng),因此要有足夠的斷面和空間,保證擴(kuò)挖時不被堵塞。導(dǎo)井直徑過小,除了容易堵塞外,還增加了擴(kuò)挖時打眼和出渣工作量,降低了擴(kuò)挖速度;導(dǎo)井直徑過大,成本大大增加。因此,導(dǎo)井?dāng)嗝孢x擇必須合理,一般按表2選擇。對于擴(kuò)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(kuò)挖至 4～5m,后再擴(kuò)挖至設(shè)計斷面,這樣可加快施工速度,降低成本,減少導(dǎo)井堵塞。

表2 導(dǎo)井?dāng)嗝嬷睆竭x擇

1.2.2.3 破巖刀具的選擇

破巖刀具包括導(dǎo)孔鉆頭和擴(kuò)孔滾刀。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(jī)鉆進(jìn)導(dǎo)孔期間,最好不更換導(dǎo)孔鉆頭,所以應(yīng)選擇適用于硬巖的鉆頭。擴(kuò)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(jī)一般采用鑲齒結(jié)構(gòu),選擇如下:

1.2.2.4 反井鉆機(jī)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(jī),然后對鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行驗算:

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(jī)設(shè)計最大提升力的60%,扭矩不超過設(shè)計最大扭矩的 70%。

1.2.2.5 鉆機(jī)輔助設(shè)備的確定

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

1.3 反井鉆機(jī)施工導(dǎo)井所需現(xiàn)場條件

(1)供電。提供不小于鉆機(jī)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(jìn)時循環(huán)排渣、冷卻液壓系統(tǒng)和擴(kuò)孔時冷卻破巖滾刀和降塵。

(3)道路。可以是臨時公路,可通行吊車,能夠?qū)⒆畲蠹O(shè)備運(yùn)到井口。

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

(5)臨時工程。根據(jù)不同類型鉆機(jī),以井筒為中心澆筑混凝土基礎(chǔ)(預(yù)留地腳螺栓孔),標(biāo)號不低于 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。

1.4 施工順序及時間(見表3)

表3 施工順序及時間

1.5 施工情況及技術(shù)統(tǒng)計

國內(nèi)某電站廠房尾水隧洞開挖,首先開挖施工支洞,當(dāng)其到達(dá)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(fēng)效果很差,影響正常施工。設(shè)計的 T4通風(fēng)豎井,采用人工正井法施工,月進(jìn)尺只有幾米,完成 138m通風(fēng)豎井需要一年多,難以解決通風(fēng)問題。反井鉆機(jī)進(jìn)場后,調(diào)整了井位,并利用原人工開挖的 6m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(kuò)孔鉆頭,由下向上擴(kuò)孔,用15天完成 138.08m擴(kuò)孔。在主洞開始開挖時,自然通風(fēng)效果已能滿足施工要求;距離較長時,在鉆孔上部安裝通風(fēng)機(jī),采取抽出式通風(fēng),效果非常好,放炮后即可進(jìn)洞出渣。

次后又根據(jù)工程進(jìn)展的需要,先后完成 T2通風(fēng)豎井、壓力管道導(dǎo)井、尾調(diào)室通風(fēng)豎井、T1和 T3通風(fēng)豎井、廠房通風(fēng)豎井等工程,為電站整體地下工程建設(shè)和后期安裝創(chuàng)造了良好的施工條件,技術(shù)統(tǒng)計見表4。

采用 LM-200型反井鉆機(jī)共完成傾角 46°～90°、直徑 1.4m的鉆孔 7個,總深 825.07m。按時解決了尾水隧洞、尾調(diào)室、廠房開挖的通風(fēng)問題,減少通風(fēng)時間,創(chuàng)造了良好的施工條件,加快了工程進(jìn)展。這次在堅硬的玄武巖中鉆鑿反井成功,為今后反井鉆機(jī)進(jìn)一步推廣應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)。

表4 反井鉆機(jī)施工電站通風(fēng)豎井技術(shù)統(tǒng)計

1.6 反井鉆機(jī)施工導(dǎo)井的技術(shù)關(guān)鍵

反井鉆機(jī)鉆導(dǎo)井的工藝是先鉆導(dǎo)孔,導(dǎo)孔鉆進(jìn)時間和工作量雖占總工作量很少部分,但卻關(guān)系到導(dǎo)井施工的成敗。導(dǎo)孔的偏斜也就是擴(kuò)孔后整個導(dǎo)井的偏斜,特別是對于深孔和斜孔,偏斜更易發(fā)生,必須認(rèn)真研究,在施工中給予足夠的重視。影響導(dǎo)孔精度的因素很多,如地質(zhì)條件、鉆機(jī)結(jié)構(gòu)、鉆具布置、鉆進(jìn)參數(shù)選擇和操作人員的技術(shù)水平等。

反井鉆機(jī)鉆進(jìn)導(dǎo)孔和石油鉆井有相似之處:鉆孔直徑都在 200～350mm,反井鉆機(jī)所用的鉆頭是石油鉆井采用的鑲齒三牙輪硬巖鉆頭;兩者也有許多不同之處:反井鉆機(jī)的孔深遠(yuǎn)小于石油鉆井,而且鉆孔精度要求非常高,一般石油鉆井采用的測斜糾偏設(shè)備都很難直接用在反井鉆井中。因此,必須認(rèn)真分析鉆孔的地質(zhì)條件,確定鉆具布置,制定需采用的鉆進(jìn)參數(shù),并對鉆進(jìn)過程中可能發(fā)生的影響鉆孔質(zhì)量的事故進(jìn)行預(yù)測,作到心中有數(shù)。在實際鉆孔中,應(yīng)對參加施工人員進(jìn)行培訓(xùn),使其全面掌握所制定的施工方案,并高度重視鉆機(jī)安裝、開孔鉆進(jìn)、鉆進(jìn)參數(shù)控制、復(fù)雜地層通過等重要鉆進(jìn)工序,以減少影響鉆孔質(zhì)量事故的發(fā)生,保證鉆出高精度的鉆孔。

2 豎井、斜井?dāng)U挖

利用導(dǎo)井?dāng)U挖和普通鑿井有許多類似之處,都需布置提絞設(shè)備、井架,在井內(nèi)鋪設(shè)壓風(fēng)、供水、下料等各種管線,在擴(kuò)挖過程中靠打眼放炮破碎巖石,并進(jìn)行臨時支護(hù)和永久支護(hù)。但占總施工工序 1/3～1/2以上的裝運(yùn)、排水等工序,可以轉(zhuǎn)到下水平段裝運(yùn)和排出,大大縮短這些工序所占的時間。擴(kuò)挖工藝可分為從上向下全斷面擴(kuò)挖,分級擴(kuò)挖。分?jǐn)嗝鏀U(kuò)挖和由下向上擴(kuò)挖,這些工序的選擇主要根據(jù)是導(dǎo)井直徑、井筒開挖直徑及巖石條件。

3 結(jié)束語

采用反井鉆機(jī)施工在國內(nèi)已不是復(fù)雜的技術(shù)難題,關(guān)鍵在于如何在不同的施工條件下合理地選擇反井鉆機(jī)和高效的施工工藝,才是需要進(jìn)一步探討和研究的方向。