反井钻机施工斜井、竖井技术介绍

刘福生,王红霞,方 俊

(1.四川二滩国际工程咨询有限责任公司,四川 成都 610072;2.四川电力职业技术学院,四川 成都 610072)

1 反井钻机施工竖井、斜井、导井

1.1 反井钻机施工导井技术

反井钻机是连续钻进导井(反井)的机械设备,其施工工艺是先由上水平向下钻一小直径(200～350mm)的导向钻孔,和下水平贯通后拆掉导孔钻头,接上扩孔钻头沿导向钻孔进行反向扩孔(见图1)。反井钻机主要包括两大部分:井外部分和井内部分。井外主要有主机、操作控制台、洗井循环系统、冷却系统、电控系统;井内部分有钻杆、稳定钻杆、导孔钻头、扩孔钻头、破岩滚刀等。由于近几年设计水平和加工工艺的提高,以及反井钻井工艺技术的完善,我国反井钻井技术有了较大发展,从浅孔发展到深孔,最大钻深已达 316m;从直孔到斜孔。从设备到工艺基本能够满足深 400m、倾角不小于45°的垂直孔或斜孔施工。反井钻机主要技术参数见表1。反井钻机施工的主要优点有:

(1)施工安全。反井钻机施工导井时,人员不需进入工作面,工作环境和安全状况都好,避免其它施工方法受落石、淋水、有害气体的伤害。此外,反井钻机采用液压传动控制,操作简单,工人劳动强度低。

(2)工作效率高。反井钻机施工为机械化连续作业,月成井速度在 200m左右,其它施工方法很难达到。

图1 反井钻机施工导井示意

(3)工程质量好。反井钻机采用滚刀机械破岩,井壁光滑,对围岩破坏小,有利于扩挖溜渣、通风、排水。

(4)由于反井钻机效率高,加快了施工速度,为后期施工创造了良好的条件,综合效益显著。

1.2 反井钻机的选择

为了充分发挥反井钻机的优越性,必须根据工程条件、地质条件等合理地选择反井钻机、正确地确定钻进工艺,选择掌握一定机械、地质、钻井等方面知识的操作人员。如果选择不当,可能会出现问题或发生事故。设备选择主要依据和步骤如下:

1.2.1 反井钻机选择主要依据

工程概况:包括工程性质、用途、主要技术参数(井孔深度、终孔直径、井孔倾角等)、相关工程情况、相关工程施工进展情况。

表1 国内部分类型反井钻机主要技术参数

地质条件:包括岩石的物理力学性质、岩体产状、主要地质构造和参数、水文地质条件等,对于深孔、斜孔,应有钻孔位置的地质勘探孔资料和地质柱状图等。

1.2.2 选择步骤

1.2.2.1 可行性研究和风险评价

对工程概况和地质条件进行充分研究,确定是否具有使用反井钻机施工条件:包括在上下水平隧洞内能否形成运输、出渣、供水、供电等生产条件;围岩在反井钻井施工过程中和扩挖期间能否稳定,不发生较大的涌水和塌方。因为,在反井施工和扩挖期间,导井无法安设临时支护,若围岩不能在这段时间内稳定而发生塌方堵塞导井,会造成严重事故。因此,采用反井钻机施工前,必须对此进行充分的研究和论证。

1.2.2.2 导井技术参数的确定

工程本身已确定了钻孔深度和倾角,现在要确定导井直径,也就是反井钻机扩孔直径。导井的作用是溜渣、排水、通风,因此要有足够的断面和空间,保证扩挖时不被堵塞。导井直径过小,除了容易堵塞外,还增加了扩挖时打眼和出渣工作量,降低了扩挖速度;导井直径过大,成本大大增加。因此,导井断面选择必须合理,一般按表2选择。对于扩挖直径超过 10m的工程,导井直径可选择在 1.5m左右,先由下向上扩挖至 4～5m,后再扩挖至设计断面,这样可加快施工速度,降低成本,减少导井堵塞。

表2 导井断面直径选择

1.2.2.3 破岩刀具的选择

破岩刀具包括导孔钻头和扩孔滚刀。导孔钻头一般按生产厂家推荐的适用范围选择,但在反井钻机钻进导孔期间,最好不更换导孔钻头,所以应选择适用于硬岩的钻头。扩孔钻头选择滚刀时,主要根据岩石的硬度、磨蚀性来确定滚刀的齿形和布置。反井钻机一般采用镶齿结构,选择如下:

1.2.2.4 反井钻机的选择

首先根据钻孔深度钻孔直径,初步选择相应的反井钻机,然后对钻机的主要技术参数进行验算:

转速根据钻头类型、直径以及滚刀结构确定。一般要求提升力不超过钻机设计最大提升力的60%,扭矩不超过设计最大扭矩的 70%。

1.2.2.5 钻机辅助设备的确定

反井钻机的主要辅助设备是泵,泵用于导孔钻进时洗井液循环。根据不同的地质条件,洗井液可采用泥浆或清水,泥浆作洗井液时除有将岩屑带到孔外的作用,还对地层有一定的支护作用。用清水钻进时一般可用离心泵,用泥浆钻进时必须采用柱塞式泥浆泵,泵的排量和泵压必须满足要求。

1.3 反井钻机施工导井所需现场条件

(1)供电。提供不小于钻机功率 +泥浆泵功率+冷却水泵 +照明的电源,电压一般为 380V,将四线电源接到井口,并设总控开关。

(2)供水。要求清水每小时不小于 15～20m3,接到井口,设控制阀门。其作用是导孔钻进时循环排渣、冷却液压系统和扩孔时冷却破岩滚刀和降尘。

(3)道路。可以是临时公路,可通行吊车,能够将最大件设备运到井口。

(4)场地。施工现场可同时摆放汽车和吊车,能够进行设备装卸。在井口 8～10m范围内平整场地即可满足反井钻机施工要求。

(5)临时工程。根据不同类型钻机,以井筒为中心浇筑混凝土基础(预留地脚螺栓孔),标号不低于 C25,上部和地表平。开挖长 3m、宽 2m、深 1.5m的循环池,并作简单的防渗处理。

1.4 施工顺序及时间(见表3)

表3 施工顺序及时间

1.5 施工情况及技术统计

国内某电站厂房尾水隧洞开挖,首先开挖施工支洞,当其到达主洞位置后,向地下厂房和出口两个方向开挖主洞,此时通风效果很差,影响正常施工。设计的 T4通风竖井,采用人工正井法施工,月进尺只有几米,完成 138m通风竖井需要一年多,难以解决通风问题。反井钻机进场后,调整了井位,并利用原人工开挖的 6m小井作为泥浆池,用 8天时间完成导孔,此时,施工导洞还没到位,等 4天后导洞开挖到位,接 1.4m直径扩孔钻头,由下向上扩孔,用15天完成 138.08m扩孔。在主洞开始开挖时,自然通风效果已能满足施工要求;距离较长时,在钻孔上部安装通风机,采取抽出式通风,效果非常好,放炮后即可进洞出渣。

次后又根据工程进展的需要,先后完成 T2通风竖井、压力管道导井、尾调室通风竖井、T1和 T3通风竖井、厂房通风竖井等工程,为电站整体地下工程建设和后期安装创造了良好的施工条件,技术统计见表4。

采用 LM-200型反井钻机共完成倾角 46°～90°、直径 1.4m的钻孔 7个,总深 825.07m。按时解决了尾水隧洞、尾调室、厂房开挖的通风问题,减少通风时间,创造了良好的施工条件,加快了工程进展。这次在坚硬的玄武岩中钻凿反井成功,为今后反井钻机进一步推广应用打下了良好基础。

表4 反井钻机施工电站通风竖井技术统计

1.6 反井钻机施工导井的技术关键

反井钻机钻导井的工艺是先钻导孔,导孔钻进时间和工作量虽占总工作量很少部分,但却关系到导井施工的成败。导孔的偏斜也就是扩孔后整个导井的偏斜,特别是对于深孔和斜孔,偏斜更易发生,必须认真研究,在施工中给予足够的重视。影响导孔精度的因素很多,如地质条件、钻机结构、钻具布置、钻进参数选择和操作人员的技术水平等。

反井钻机钻进导孔和石油钻井有相似之处:钻孔直径都在 200～350mm,反井钻机所用的钻头是石油钻井采用的镶齿三牙轮硬岩钻头;两者也有许多不同之处:反井钻机的孔深远小于石油钻井,而且钻孔精度要求非常高,一般石油钻井采用的测斜纠偏设备都很难直接用在反井钻井中。因此,必须认真分析钻孔的地质条件,确定钻具布置,制定需采用的钻进参数,并对钻进过程中可能发生的影响钻孔质量的事故进行预测,作到心中有数。在实际钻孔中,应对参加施工人员进行培训,使其全面掌握所制定的施工方案,并高度重视钻机安装、开孔钻进、钻进参数控制、复杂地层通过等重要钻进工序,以减少影响钻孔质量事故的发生,保证钻出高精度的钻孔。

2 竖井、斜井扩挖

利用导井扩挖和普通凿井有许多类似之处,都需布置提绞设备、井架,在井内铺设压风、供水、下料等各种管线,在扩挖过程中靠打眼放炮破碎岩石,并进行临时支护和永久支护。但占总施工工序 1/3～1/2以上的装运、排水等工序,可以转到下水平段装运和排出,大大缩短这些工序所占的时间。扩挖工艺可分为从上向下全断面扩挖,分级扩挖。分断面扩挖和由下向上扩挖,这些工序的选择主要根据是导井直径、井筒开挖直径及岩石条件。

3 结束语

采用反井钻机施工在国内已不是复杂的技术难题,关键在于如何在不同的施工条件下合理地选择反井钻机和高效的施工工艺,才是需要进一步探讨和研究的方向。