反井钻机在索普拉多拉水电站超深电缆竖井开挖中的应用

周 兴

(北京中煤矿山工程有限公司，北京市 100013)



反井钻机在索普拉多拉水电站超深电缆竖井开挖中的应用

周 兴

(北京中煤矿山工程有限公司，北京市 100013)

大直径BMC400反井钻机在索普拉多拉水电站372 m超深电缆竖井全段高一次性钻井(φ1.4 m)成功，改变了超深竖井开挖需增加水平支洞的技术方案，从而极大地降低了经济和工期成本，综合效益明显。表2个。

水电站；超深竖井；反井钻机；应用

0 引 言

目前，水电站建设大多为地下厂房式发电，各类竖井工程众多，竖井工程是水电站建设的重要节点工程，尤其是300 m以上的超深竖井开挖，事关整个工期建设。大量的实践证明，反井钻井施工法是保证竖井工期建设的重要技术措施，但在超过300 m的深竖井施工中，用反井钻机一次钻孔成井并无先例。BMC400反井钻机在厄瓜多尔索普拉多拉水电站372 m超深竖井一次性钻孔成功，大大降低了工期和成本费用，无论是钻机性能还是施工技术水平都达到国际先进，具有很强的示范作用。

1 工程概况

索普拉多拉水电站位于南美洲厄瓜多尔共和国境内，是保特河流域上的重要梯级水电站，为地下厂房式。电站由3台混流式发电机组成，发电水头为375.6 m，单机容量162.6 MW，总装机容量487.8 MW。

电缆竖井起点位于GIS开关站内，末端为电缆廊道起点，电缆井成型断面直径7 m，断面面积38.48 m2，开挖深度372 m。地质情况为Jsu_1b小石英片岩和小石英云母片岩互层、云母片岩和石英云母片岩互层、小石英片岩和石英云母片岩互层，存在2组微弱裂隙N26°E/SE∠32°和N70°E/NW∠64°，无大断层通过。整体围岩较为稳定，岩石强度40～60 MPa，具备较好的成洞条件。

2 开挖施工总体方案

电缆竖井开挖采用“反井钻机导井法”和“人工溜渣井+自上而下扩挖”的施工方案。施工程序为：反井钻机导孔φ270 mm→反井钻机扩孔φ1.4 m→人工自下而上扩挖φ3.4 m溜渣井→人工自上而下全断面扩挖及支护。

水电站电缆竖井达372 m，属于超深竖井。因岩层条件、地质缺陷等潜在因素影响，开挖是否能准确连接下水平电缆廊道非常重要。因此开挖前设计了2种方案：第一，用反井钻机对竖井全高段一次钻孔开挖；第二，增加水平支洞，分段进行竖井开挖。

方案一，用反井钻机全高段一次性完成竖井钻孔。此方案优点是机械化程度高，安全速度快，竖井开挖提升系统及辅助设备只需安装和拆卸一次，可减少工期和节约因增加水平支洞造成的费用。缺点是反井钻井的偏斜率精度要求非常高，要求控制在1%，一旦偏斜过大就有可能成废孔，造成工期和成本的加大。

方案二，增加水平支洞，分段开挖。该方案需增加1条340 m水平支洞(5 m×5 m,城门洞型)，将竖井分两段施工。该方案优点是能够控制竖井与下水平段的准确连接，降低了因竖井偏斜过大重新钻孔的工期风险。缺点是增加了水平支洞的费用，以及反井钻机、竖井开挖提升系统及辅助设备的安装和拆卸带来的重复工期。

综合比较2种方案及施工经验，决定采用方案一，确定钻机型号为BMC400反井钻机。

3 方案的实施

反井钻井法主要分导孔钻进和扩孔钻进2个阶段，其施工工艺是将反井钻机安装在上部浇筑好的混凝土基础上或巷道上水平，从上向下进行导孔施工，采用清水或泥浆正循环洗井排渣。导孔透孔后，在下水平接换扩孔钻头，再由下向上进行扩孔施工，岩渣由钻孔落入下水平，在下水平运走。

反井钻机最大的缺点是无自动纠偏能力，对于精度要求高的深井来讲，对钻机性能和施工技术水平都提出了非常高的要求。通过对电缆竖井的地质条件研究，决定采用BMC400反井钻机(见表1)。该钻机是北京中煤矿山工程有限公司自主生产研制的新型全液压驱动大直径反井钻机，已广泛应用于煤炭、水电、有色冶金和交通等地下工程建设领域钻凿竖井或斜井工程。

表1 BMC400反井钻机主要技术参数

4 施工过程

(1)供电。厄瓜多尔当地电压等级为440 V，电源频率为60 Hz，而反井钻机是380 V和50 Hz。为适应当地施工环境的要求，在出国前对钻机设备进行了改造，采用了国际先进的变频技术，专门研发变频启动配电柜，并加3个ABB变频器来适应这种供电制式，可对各用电设备进行配电、启动、调速和保护等。

(2)供水。保证供水的连续性，每小时不小于10～15 m3。

(3)表土处理。电缆竖井有近60 m的表土层，岩石风化、破碎，还有少量的枯石。国外条件有限，没有进行传统的表土开挖打基桩，于是采用固结灌浆处理，首先用地质钻造灌浆孔，然后进行水泥浆灌浆施工。先在反井钻机导孔中心(电缆井的中心点)及周围半径为75 cm的圆上钻设灌浆孔(孔径φ130 mm，孔深约50 m)，然后在灌浆孔内灌注水泥浆，灌浆压力为2.0 MPa。

(4)钻机基础施工。反井钻机是连续的机械化施工，表土需要承受钻机自重和钻头钻进工作面的拉力作用。鉴于电缆竖井井深，表土不稳定，开挖基础时尽量挖深，面积挖大，实际开挖尺寸6 m×4 m×1.2 m。

(5)定向导孔钻进。导孔的偏斜率决定了整个深反井施工的偏斜率。由于反井钻机没有专业纠偏能力，在施工时虽然可以通过优化稳定钻杆布置、提高开工精度、合理控制钻进参数等措施提高导孔施工的偏斜率， 但对于较深井筒，尤其是遇到倾角较大的岩层，导孔的偏斜率随深度呈几何倍数增长，甚至超过5%，会造成导孔施工失败，成废孔。随着国内外测斜与纠偏技术的发展，偏斜率要求较高的导孔可以采用定向钻具施工。针对该井岩层情况(倾角达70°)，选择用北京中煤自主研制的TD2000/600顶驱定向钻机进行先导孔(φ190 mm)施工，再用反井钻机扫孔(φ270 mm)。

定向钻机具有随钻测斜、自动纠偏、精度高、速度快的优点。电缆竖井导孔仅用时16 d完成，偏斜1.2 m,偏斜率0.3%。

(6)扫孔钻进。由于反井钻机导孔钻头是φ270 mm，比定向先导孔大，为防止扫孔时出现新孔，专门加工变径扩刷钻头由φ190 mm→φ270 mm。扫孔时按照正常导孔程序钻进，泥浆泵工作时及时冲洗渣。地面设备的运转、岩屑、钻压、扭矩、钻速等都能直接反映井下情况，应密切注意。扭矩变化取决于井底情况和转速变化，可能存在钻头保径磨损变小、岩石出现夹层或变层、井底有大块落物、岩渣不能及时排出、井身出现新的轨迹、钻压过大等，应勤观察，在下水平巷道看透孔点是否漏水、掉渣，防止堵孔。

(7)扩孔钻进。由于地层岩石倾角大，两层的岩石软硬叠加，扩孔时钻机变化参数大，很容易卡钻，钻机进尺非常缓慢，憋钻易晃动，刀具很容易损坏，严重的会使边刀掉落。这就要求操作人员有经验、有技术、有责任心，需密切关注钻机参数的变化。在扩孔期间，操作人员需经常在下水平巷道观察掉渣情况，碰到大的枯石或渣块掉到钻头体上，不能正常转动，也不进尺时，不要蛮干，应及时放钻，排除钻头上的石块，再提钻正常扩孔(见表2)。

表2 电缆竖井施工统计

5 结 论

(1)采用定向钻机先导孔能有效解决反井钻机在超深竖井施工偏斜的问题。

(2)反井钻机能够在硬岩条件下全段高一次性钻孔300 m以上的超深竖井。

(3)反井钻机在水电领域复杂条件下施工各类竖井，优势明显，而且安全、高效、快速，大大节约了工期和成本。

[1] 刘志强.水电工程应用反井钻井技术的新进展[J].水力发电，2004(11)：23_24.

[2] 闫 平,黄传庚.厄瓜多尔索普拉多拉水电站343m超深高压竖井开挖支护施工技术研究[J].四川水力发电，2013(2)：37_40.

[3] 荆国业.大直径深反井施工新技术[J].煤炭技术，2014(8)：66_68.

[4] 周向军.三牙轮钻头井下工况的判断与处理[J].化工管理，2013，12(24)：253.

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责任编辑 吴 昊

2014-12-26

周 兴(1984-)男，助理工程师，主要从事反井钻井工程技术与研究工作。 E_mail：24751798@qq.com