反井鉆機(jī)開挖極硬巖豎井施工技術(shù)

趙宏斌　翟洪偉

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

關(guān)鍵詞：反井鉆機(jī) 極硬巖 豎井 滾刀 穩(wěn)定鉆桿 鉆速 鉆壓

中圖分類號：TV5 文獻(xiàn)標(biāo)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(fēng)豎井井口位于山坡之上，下部與副廠房排風(fēng)機(jī)室相連，井長213.9m，直徑1.4m，圍巖為微風(fēng)化或新鮮的混合花崗巖，巖石單軸抗壓強(qiáng)度250Mpa，巖石較完整、新鮮，節(jié)理不發(fā)育，且多閉合膠結(jié)，圍巖穩(wěn)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(yīng)用反井鉆機(jī)進(jìn)行施工越來越普遍，雖然利用反井鉆機(jī)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(yōu)點：勞動強(qiáng)度低、對通風(fēng)要求低、可由下部采用高效率機(jī)械出渣，施工周期短，為盡快形成井筒形成通風(fēng)通道改善洞內(nèi)施工條件起到了重要作用。特別對于直徑小的井筒，可實現(xiàn)一次成形，斷面平滑不需要進(jìn)行支護(hù)、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(fēng)條件差、施工環(huán)境惡劣，長時間井下作業(yè)施工安全難于保障，圍巖成形差，不良地質(zhì)段需做好支護(hù)。

采用爬罐法及吊籃法由底部進(jìn)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(shè)風(fēng)水管線，準(zhǔn)備工作占用時間長，通風(fēng)條件也越來越差，對人身健康損害大，且向上鉆孔勞動強(qiáng)度高，鉆孔作業(yè)效率低，圍巖成形較差，不良地質(zhì)段需采取支護(hù)確保施工安全。

通過以上方案比較，可見反井鉆機(jī)開挖井筒是一個先進(jìn)的施工方案，用于對該排風(fēng)豎井的開挖具備很多優(yōu)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(jī)開挖對鉆機(jī)性能要求高，尤其是對滾刀質(zhì)量要求高。

（2）反井鉆機(jī)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(jī)選型

根據(jù)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(jī)和極硬巖滾刀進(jìn)行施工，其性能指標(biāo)如下。

導(dǎo)孔直徑/244mm；擴(kuò)孔直徑/1400～1520mm；設(shè)計井深/300～250m。

先導(dǎo)孔鉆進(jìn)：轉(zhuǎn)速/2～40rpm；鉆壓（推力）/550kN；扭矩/30.5kN.m。

擴(kuò)孔鉆進(jìn)：轉(zhuǎn)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(zhǔn)備工作

（1）反井鉆機(jī)安裝基礎(chǔ)澆筑，反井鉆機(jī)基礎(chǔ)要求平整，砼基礎(chǔ)澆筑在完整基巖上。基礎(chǔ)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(chǔ)并預(yù)留反井鉆機(jī)地腳螺栓坑，待機(jī)體到位并進(jìn)行初校后，回填二期混凝土，以確保反井鉆機(jī)與基礎(chǔ)牢固銜接，不發(fā)生移位。

（2）反井鉆機(jī)運輸及安裝，本工程選用的BMC-300型反井鉆機(jī)最大組件鉆機(jī)車重約8t，由于施工道路路況差、坡度大，因此采用D85推土機(jī)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(jīng)測量放好線的位置安放好反井鉆機(jī)軌道后，將反井鉆機(jī)吊裝就位，主機(jī)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(jìn)行控制，并采用線錘輔助，操作臺、泥漿泵停放在反井鉆機(jī)附近，操作臺距起鉆孔口有大于1m的安全距離。

（3）反井鉆機(jī)的冷卻循環(huán)系統(tǒng)，反井鉆機(jī)的冷卻循環(huán)系統(tǒng)由：泥漿泵、水池（水箱）、水溝組成。距反井鉆機(jī)基礎(chǔ)約10m處設(shè)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(jī)冷卻及洗井反渣用水。反井鉆機(jī)混凝土基礎(chǔ)和水池之間由一水溝連接，導(dǎo)孔施工出現(xiàn)的回水、細(xì)沙沿此溝回流至沉淀池。洗井泵設(shè)置在鉆機(jī)車與水池之間，盡量循環(huán)使用沉淀池內(nèi)的水。

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

6 施工方法

6.1 導(dǎo)孔施工

反井鉆機(jī)施工的關(guān)鍵在于導(dǎo)孔鉆孔質(zhì)量，本型號反井鉆機(jī)導(dǎo)孔直徑為Φ244mm。最終導(dǎo)孔能否鉆通，鉆通后的偏離誤差大小在開鉆后無法進(jìn)行中間檢測和控制，只能依靠經(jīng)驗，針對不同的圍巖類別，實施不同的工作壓力、轉(zhuǎn)速和適時裝配穩(wěn)定鉆桿進(jìn)行控制。

反井鉆機(jī)的鉆桿分為開孔鉆桿、普通鉆桿和穩(wěn)定鉆桿，開孔鉆桿與導(dǎo)孔鉆頭相接，用扶正器約束，穩(wěn)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(fù)荷，防止鉆桿隨深度的增加旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生過大彎曲、過大擺幅，保證鉆孔垂直度，同時保護(hù)鉆桿與孔壁的接觸磨損。因此穩(wěn)定鉆桿的布置合理與否將影響鉆孔偏斜率。

導(dǎo)孔貫通后經(jīng)測量，出孔位置僅偏斜了0.95m，對應(yīng)偏斜率為0.44%，再一次印證了施工方案的合理性及鉆機(jī)的可靠性。

導(dǎo)孔施工前11m由于受到井口風(fēng)化破碎巖體影響，進(jìn)行了兩次護(hù)壁灌漿施工，將鉆桿及導(dǎo)孔鉆頭提出采用純水泥漿進(jìn)行灌注，待凝24h后繼續(xù)進(jìn)行鉆進(jìn)。

6.2 擴(kuò)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(jīng)研制出抗壓強(qiáng)度達(dá)到300MPa的極硬巖滾刀，為拓展反井鉆井技術(shù)應(yīng)用打下基礎(chǔ)。該豎井的成功開挖正是得宜于極硬巖滾刀，在擴(kuò)孔開挖時選用新滾刀，并根據(jù)磨損情況更換了一次滾刀，并對刀盤進(jìn)行了加固。

擴(kuò)挖開孔：擴(kuò)孔開始施工時一般圍巖破壞嚴(yán)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(dāng)Φ1.4m擴(kuò)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(zhuǎn)速（5～9rpm）旋轉(zhuǎn)，并慢慢給進(jìn)，進(jìn)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(jìn)一些停下，等刀齒把凸出的巖石破碎掉，再繼續(xù)給進(jìn)。

擴(kuò)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(kuò)孔鉆進(jìn)。在擴(kuò)孔過程中，當(dāng)巖石硬度較大，可適當(dāng)增加鉆壓，反之可以減少鉆壓。擴(kuò)孔時，要及時出渣，防止堵孔。

完孔：當(dāng)鉆頭距基礎(chǔ)2.5m時，要降低鉆壓慢速鉆進(jìn)，并且要認(rèn)真觀察基礎(chǔ)周圍是否有異?，F(xiàn)象，如果有，要及時采取措施處理。慢慢的擴(kuò)孔，直至鉆頭露出地面。

出渣：擴(kuò)孔施工中適時利用1m3反鏟在導(dǎo)井下部通道裝15t自卸汽車進(jìn)行出渣。

7 偏斜率控制的主要措施

反井鉆機(jī)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(jìn)行控制。

（1）鉆機(jī)安裝定位：鉆機(jī)安裝牢固，定位準(zhǔn)確，混凝土澆筑密實。

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

（3）根據(jù)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(jù)地層的實際情況在不同的位置合理的布置不同數(shù)量的穩(wěn)定鉆桿。

（5）選用合理的開孔方案，在必要的時候?qū)Ψ€(wěn)定鉆桿的位置和數(shù)量進(jìn)行調(diào)整。

（6）選用合理的鉆進(jìn)參數(shù)，充分調(diào)整好鉆速、鉆壓、轉(zhuǎn)速、和清洗液的沖洗量之間的關(guān)系。

（7）合理組織，選派責(zé)任心強(qiáng)有豐富施工經(jīng)驗的操作手進(jìn)行操作和施工。

（8）及時保養(yǎng)、檢修鉆機(jī)，保證其具有良好的工作狀況。

8 施工進(jìn)度及質(zhì)量情況

排風(fēng)豎井偏斜率僅為0.44%，且井壁光滑保證了底部附廠房排風(fēng)機(jī)室內(nèi)的安全。施工準(zhǔn)備20天；自然施工天數(shù)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(dǎo)孔鉆進(jìn)14天，平均施工速度為0.64m/h；擴(kuò)孔施工13天，平均施工速度為0.69m/h。

9 結(jié)語

該豎井施工中通過選用性能優(yōu)良的BMC型反井鉆機(jī)及極硬巖滾刀、合理布置穩(wěn)定鉆桿，精心施工，保證了施工精度和質(zhì)量，解決了反井鉆機(jī)在極硬巖條件下成井問題，進(jìn)一步驗證了反井鉆機(jī)施工的可靠性、優(yōu)越性。

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