反井鉆機施工斜井、豎井技術介紹

劉福生,王紅霞,方 俊

(1.四川二灘國際工程咨詢有限責任公司,四川 成都 610072;2.四川電力職業技術學院,四川 成都 610072)

1 反井鉆機施工豎井、斜井、導井

1.1 反井鉆機施工導井技術

反井鉆機是連續鉆進導井(反井)的機械設備,其施工工藝是先由上水平向下鉆一小直徑(200～350mm)的導向鉆孔,和下水平貫通后拆掉導孔鉆頭,接上擴孔鉆頭沿導向鉆孔進行反向擴孔(見圖1)。反井鉆機主要包括兩大部分:井外部分和井內部分。井外主要有主機、操作控制臺、洗井循環系統、冷卻系統、電控系統;井內部分有鉆桿、穩定鉆桿、導孔鉆頭、擴孔鉆頭、破巖滾刀等。由于近幾年設計水平和加工工藝的提高,以及反井鉆井工藝技術的完善,我國反井鉆井技術有了較大發展,從淺孔發展到深孔,最大鉆深已達 316m;從直孔到斜孔。從設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。反井鉆機主要技術參數見表1。反井鉆機施工的主要優點有:

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

(2)工作效率高。反井鉆機施工為機械化連續作業,月成井速度在 200m左右,其它施工方法很難達到。

圖1 反井鉆機施工導井示意

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

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

1.2 反井鉆機的選擇

為了充分發揮反井鉆機的優越性,必須根據工程條件、地質條件等合理地選擇反井鉆機、正確地確定鉆進工藝,選擇掌握一定機械、地質、鉆井等方面知識的操作人員。如果選擇不當,可能會出現問題或發生事故。設備選擇主要依據和步驟如下:

1.2.1 反井鉆機選擇主要依據

工程概況:包括工程性質、用途、主要技術參數(井孔深度、終孔直徑、井孔傾角等)、相關工程情況、相關工程施工進展情況。

表1 國內部分類型反井鉆機主要技術參數

地質條件:包括巖石的物理力學性質、巖體產狀、主要地質構造和參數、水文地質條件等,對于深孔、斜孔,應有鉆孔位置的地質勘探孔資料和地質柱狀圖等。

1.2.2 選擇步驟

1.2.2.1 可行性研究和風險評價

對工程概況和地質條件進行充分研究,確定是否具有使用反井鉆機施工條件:包括在上下水平隧洞內能否形成運輸、出渣、供水、供電等生產條件;圍巖在反井鉆井施工過程中和擴挖期間能否穩定,不發生較大的涌水和塌方。因為,在反井施工和擴挖期間,導井無法安設臨時支護,若圍巖不能在這段時間內穩定而發生塌方堵塞導井,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。

1.2.2.2 導井技術參數的確定

工程本身已確定了鉆孔深度和傾角,現在要確定導井直徑,也就是反井鉆機擴孔直徑。導井的作用是溜渣、排水、通風,因此要有足夠的斷面和空間,保證擴挖時不被堵塞。導井直徑過小,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;導井直徑過大,成本大大增加。因此,導井斷面選擇必須合理,一般按表2選擇。對于擴挖直徑超過 10m的工程,導井直徑可選擇在 1.5m左右,先由下向上擴挖至 4～5m,后再擴挖至設計斷面,這樣可加快施工速度,降低成本,減少導井堵塞。

表2 導井斷面直徑選擇

1.2.2.3 破巖刀具的選擇

破巖刀具包括導孔鉆頭和擴孔滾刀。導孔鉆頭一般按生產廠家推薦的適用范圍選擇,但在反井鉆機鉆進導孔期間,最好不更換導孔鉆頭,所以應選擇適用于硬巖的鉆頭。擴孔鉆頭選擇滾刀時,主要根據巖石的硬度、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構,選擇如下:

1.2.2.4 反井鉆機的選擇

首先根據鉆孔深度鉆孔直徑,初步選擇相應的反井鉆機,然后對鉆機的主要技術參數進行驗算:

轉速根據鉆頭類型、直徑以及滾刀結構確定。一般要求提升力不超過鉆機設計最大提升力的60%,扭矩不超過設計最大扭矩的 70%。

1.2.2.5 鉆機輔助設備的確定

反井鉆機的主要輔助設備是泵,泵用于導孔鉆進時洗井液循環。根據不同的地質條件,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。

1.3 反井鉆機施工導井所需現場條件

(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,并設總控開關。

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

(3)道路?？梢允桥R時公路,可通行吊車,能夠將最大件設備運到井口。

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

(5)臨時工程。根據不同類型鉆機,以井筒為中心澆筑混凝土基礎(預留地腳螺栓孔),標號不低于 C25,上部和地表平。開挖長 3m、寬 2m、深 1.5m的循環池,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 施工情況及技術統計

國內某電站廠房尾水隧洞開挖,首先開挖施工支洞,當其到達主洞位置后,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。設計的 T4通風豎井,采用人工正井法施工,月進尺只有幾米,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天時間完成導孔,此時,施工導洞還沒到位,等 4天后導洞開挖到位,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,采取抽出式通風,效果非常好,放炮后即可進洞出渣。

次后又根據工程進展的需要,先后完成 T2通風豎井、壓力管道導井、尾調室通風豎井、T1和 T3通風豎井、廠房通風豎井等工程,為電站整體地下工程建設和后期安裝創造了良好的施工條件,技術統計見表4。

采用 LM-200型反井鉆機共完成傾角 46°～90°、直徑 1.4m的鉆孔 7個,總深 825.07m。按時解決了尾水隧洞、尾調室、廠房開挖的通風問題,減少通風時間,創造了良好的施工條件,加快了工程進展。這次在堅硬的玄武巖中鉆鑿反井成功,為今后反井鉆機進一步推廣應用打下了良好基礎。

表4 反井鉆機施工電站通風豎井技術統計

1.6 反井鉆機施工導井的技術關鍵

反井鉆機鉆導井的工藝是先鉆導孔,導孔鉆進時間和工作量雖占總工作量很少部分,但卻關系到導井施工的成敗。導孔的偏斜也就是擴孔后整個導井的偏斜,特別是對于深孔和斜孔,偏斜更易發生,必須認真研究,在施工中給予足夠的重視。影響導孔精度的因素很多,如地質條件、鉆機結構、鉆具布置、鉆進參數選擇和操作人員的技術水平等。

反井鉆機鉆進導孔和石油鉆井有相似之處:鉆孔直徑都在 200～350mm,反井鉆機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:反井鉆機的孔深遠小于石油鉆井,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備都很難直接用在反井鉆井中。因此,必須認真分析鉆孔的地質條件,確定鉆具布置,制定需采用的鉆進參數,并對鉆進過程中可能發生的影響鉆孔質量的事故進行預測,作到心中有數。在實際鉆孔中,應對參加施工人員進行培訓,使其全面掌握所制定的施工方案,并高度重視鉆機安裝、開孔鉆進、鉆進參數控制、復雜地層通過等重要鉆進工序,以減少影響鉆孔質量事故的發生,保證鉆出高精度的鉆孔。

2 豎井、斜井擴挖

利用導井擴挖和普通鑿井有許多類似之處,都需布置提絞設備、井架,在井內鋪設壓風、供水、下料等各種管線,在擴挖過程中靠打眼放炮破碎巖石,并進行臨時支護和永久支護。但占總施工工序 1/3～1/2以上的裝運、排水等工序,可以轉到下水平段裝運和排出,大大縮短這些工序所占的時間。擴挖工藝可分為從上向下全斷面擴挖,分級擴挖。分斷面擴挖和由下向上擴挖,這些工序的選擇主要根據是導井直徑、井筒開挖直徑及巖石條件。

3 結束語

采用反井鉆機施工在國內已不是復雜的技術難題,關鍵在于如何在不同的施工條件下合理地選擇反井鉆機和高效的施工工藝,才是需要進一步探討和研究的方向。