反井鉆機開挖極硬巖豎井施工技術

趙宏斌　翟洪偉

摘 要：某水電站地下副廠房排風豎井處于微風化或新鮮的混合花崗巖地質條件下，施工中采用BMC-300型反井鉆機成功完成極硬巖條件下的豎井開挖，施工進度快、誤差小，滿足了工程要求，通過該文期望為反井鉆機在硬巖條件下開挖井筒總結一些成熟的經驗和成果。

關鍵詞：反井鉆機 極硬巖 豎井 滾刀 穩定鉆桿 鉆速 鉆壓

中圖分類號：TV5 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（b）-0054-02

1 工程概況

某水電站地下副廠房排風豎井井口位于山坡之上，下部與副廠房排風機室相連，井長213.9m，直徑1.4m，圍巖為微風化或新鮮的混合花崗巖，巖石單軸抗壓強度250Mpa，巖石較完整、新鮮，節理不發育，且多閉合膠結，圍巖穩定條件較好，主要為微～極微透水巖石，地層無承壓水，屬Ⅱ類圍巖。

2 施工方案比較

近十年來對于井筒的開挖應用反井鉆機進行施工越來越普遍，雖然利用反井鉆機開挖井筒單價高，但其綜合效益很大，其施工工藝有著諸多優點：勞動強度低、對通風要求低、可由下部采用高效率機械出渣，施工周期短，為盡快形成井筒形成通風通道改善洞內施工條件起到了重要作用。特別對于直徑小的井筒，可實現一次成形，斷面平滑不需要進行支護、施工安全。

該豎井直徑只有1.4m，若采用人工正井法則開挖空間小，而且只能由上部利用出渣罐人工出渣，效率非常低，施工周期長，通風條件差、施工環境惡劣，長時間井下作業施工安全難于保障，圍巖成形差，不良地質段需做好支護。

采用爬罐法及吊籃法由底部進行開挖雖然出渣效率可以提高，但均需隨著掌子面向上布設風水管線，準備工作占用時間長，通風條件也越來越差，對人身健康損害大，且向上鉆孔勞動強度高，鉆孔作業效率低，圍巖成形較差，不良地質段需采取支護確保施工安全。

通過以上方案比較，可見反井鉆機開挖井筒是一個先進的施工方案，用于對該排風豎井的開挖具備很多優越性，但施工中也存在諸多難點。

3 施工重點及難點

（1）對于花崗巖這類極硬巖采用反井鉆機開挖對鉆機性能要求高，尤其是對滾刀質量要求高。

（2）反井鉆機開挖井筒存在一個偏斜率問題，施工過程中如何控制偏斜率、甚至糾偏是本工程的一個重點和難點。

4 反井鉆機選型

根據該豎井特性選用了北京中煤礦山研究院研制的BMC-300型反井鉆機和極硬巖滾刀進行施工，其性能指標如下。

導孔直徑/244mm；擴孔直徑/1400～1520mm；設計井深/300～250m。

先導孔鉆進：轉速/2～40rpm；鉆壓（推力）/550kN；扭矩/30.5kN.m。

擴孔鉆進：轉速/16rpm；額定拉力/1250kN；最大拉力/1570kN；額定扭矩/64kN·m；最大扭矩/85kN·m。

額定功率/128.5kW；冷卻水消耗/20～30m3/h；鉆孔傾角/60～90°；工作尺寸（長×寬×高）/3.53×1.75×3.48m；總重/8.7t。

5 施工前的準備工作

（1）反井鉆機安裝基礎澆筑，反井鉆機基礎要求平整，砼基礎澆筑在完整基巖上。基礎長4m寬3m厚80cm，采用C25混凝土分二期澆筑而成，一期形成基礎并預留反井鉆機地腳螺栓坑，待機體到位并進行初校后，回填二期混凝土，以確保反井鉆機與基礎牢固銜接，不發生移位。

（2）反井鉆機運輸及安裝，本工程選用的BMC-300型反井鉆機最大組件鉆機車重約8t，由于施工道路路況差、坡度大，因此采用D85推土機牽引15T自卸汽車將其拉至工作面，裝卸車采用松下EX330反鏟。

在經測量放好線的位置安放好反井鉆機軌道后，將反井鉆機吊裝就位，主機起鉆孔口與豎井中心線吻合，開孔位置及垂直度由全站儀進行控制，并采用線錘輔助，操作臺、泥漿泵停放在反井鉆機附近，操作臺距起鉆孔口有大于1m的安全距離。

（3）反井鉆機的冷卻循環系統，反井鉆機的冷卻循環系統由：泥漿泵、水池（水箱）、水溝組成。距反井鉆機基礎約10m處設置一個6m3水箱，采用了一臺揚程50m、流量20m3/h的潛水泵，由山溪中抽水至水箱中作為鉆機冷卻及洗井反渣用水。反井鉆機混凝土基礎和水池之間由一水溝連接，導孔施工出現的回水、細沙沿此溝回流至沉淀池。洗井泵設置在鉆機車與水池之間，盡量循環使用沉淀池內的水。

（4）施工供電系統，施工供電采用一臺S9-M-315/10/0.4型變壓器進行供電，主要用電設備為反井鉆機、泥漿泵、供水泵等，總功耗約為230kw。

6 施工方法

6.1 導孔施工

反井鉆機施工的關鍵在于導孔鉆孔質量，本型號反井鉆機導孔直徑為Φ244mm。最終導孔能否鉆通，鉆通后的偏離誤差大小在開鉆后無法進行中間檢測和控制，只能依靠經驗，針對不同的圍巖類別，實施不同的工作壓力、轉速和適時裝配穩定鉆桿進行控制。

反井鉆機的鉆桿分為開孔鉆桿、普通鉆桿和穩定鉆桿，開孔鉆桿與導孔鉆頭相接，用扶正器約束，穩定鉆桿比普通鉆桿外周多了均勻分布的鋼肋板，其作用是承受徑向負荷，防止鉆桿隨深度的增加旋轉產生過大彎曲、過大擺幅，保證鉆孔垂直度，同時保護鉆桿與孔壁的接觸磨損。因此穩定鉆桿的布置合理與否將影響鉆孔偏斜率。

導孔貫通后經測量，出孔位置僅偏斜了0.95m，對應偏斜率為0.44%，再一次印證了施工方案的合理性及鉆機的可靠性。

導孔施工前11m由于受到井口風化破碎巖體影響，進行了兩次護壁灌漿施工，將鉆桿及導孔鉆頭提出采用純水泥漿進行灌注，待凝24h后繼續進行鉆進。

6.2 擴孔施工

該豎井巖石堅硬，因此必須選用極硬巖滾刀，目前北京中煤礦山研究院已經研制出抗壓強度達到300MPa的極硬巖滾刀，為拓展反井鉆井技術應用打下基礎。該豎井的成功開挖正是得宜于極硬巖滾刀，在擴孔開挖時選用新滾刀，并根據磨損情況更換了一次滾刀，并對刀盤進行了加固。

擴挖開孔：擴孔開始施工時一般圍巖破壞嚴重，鉆頭周圈難以均勻受力，因此，一般采用副泵提供較小的、均勻的動力。當Φ1.4m擴孔鉆頭接好后，慢速上提鉆具，直到滾刀開始接觸巖石，然后停止上提，用最低轉速（5～9rpm）旋轉，并慢慢給進，進尺控制在10cm/h，保證鉆頭滾刀不受過大的沖擊而破壞，防止鉆頭偏心受力過大而扭斷鉆桿。給進一些停下，等刀齒把凸出的巖石破碎掉，再繼續給進。

擴孔：下邊要有人觀察，將情況及時通知操作人員，等鉆頭全部均勻接觸巖石，才能正常擴孔鉆進。在擴孔過程中，當巖石硬度較大，可適當增加鉆壓，反之可以減少鉆壓。擴孔時，要及時出渣，防止堵孔。

完孔：當鉆頭距基礎2.5m時，要降低鉆壓慢速鉆進，并且要認真觀察基礎周圍是否有異常現象，如果有，要及時采取措施處理。慢慢的擴孔，直至鉆頭露出地面。

出渣：擴孔施工中適時利用1m3反鏟在導井下部通道裝15t自卸汽車進行出渣。

7 偏斜率控制的主要措施

反井鉆機鉆孔偏斜的原因很多，我們主要從以下幾個方面采取措施對偏斜進行控制。

（1）鉆機安裝定位：鉆機安裝牢固，定位準確，混凝土澆筑密實。

（2）鉆機的安裝一定要垂直，在開工之前進行復測，對存在的問題及時進行修改和微調。

（3）根據地層的情況選用不同性能的開孔鉆頭，也就是做到開孔鉆頭和地層一定要配套。

（4）選有合理的鉆具布置，根據地層的實際情況在不同的位置合理的布置不同數量的穩定鉆桿。

（5）選用合理的開孔方案，在必要的時候對穩定鉆桿的位置和數量進行調整。

（6）選用合理的鉆進參數，充分調整好鉆速、鉆壓、轉速、和清洗液的沖洗量之間的關系。

（7）合理組織，選派責任心強有豐富施工經驗的操作手進行操作和施工。

（8）及時保養、檢修鉆機，保證其具有良好的工作狀況。

8 施工進度及質量情況

排風豎井偏斜率僅為0.44%，且井壁光滑保證了底部附廠房排風機室內的安全。施工準備20天；自然施工天數33天，綜合效率為194.5m/月；純施工工期27天，純施工效率為月成井238m/月。其中導孔鉆進14天，平均施工速度為0.64m/h；擴孔施工13天，平均施工速度為0.69m/h。

9 結語

該豎井施工中通過選用性能優良的BMC型反井鉆機及極硬巖滾刀、合理布置穩定鉆桿，精心施工，保證了施工精度和質量，解決了反井鉆機在極硬巖條件下成井問題，進一步驗證了反井鉆機施工的可靠性、優越性。

參考文獻

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