大傾角壓力管道斜井機械破巖鉆進技術(shù)與工藝探討

劉志強，宋朝陽

(1.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；2.煤礦深井建設技術(shù)國家工程實驗室，北京 100013)

0 引 言

煤炭是我國電力發(fā)展的主體能源，無論在過去、現(xiàn)在和將來的相當長時期內(nèi)，燃煤發(fā)電都占有主導地位。然而，以煤為主的能源供應體系是中國環(huán)境污染日趨嚴重的主要原因，所以有待改善電力供應的質(zhì)量，使整個能源系統(tǒng)步入可持續(xù)發(fā)展的軌道[1]。我國抽水蓄能電站從20世紀60年代起步以來，呈穩(wěn)步上升的趨勢，蓄能電站裝機規(guī)模不斷擴大，截至2018年12月底，我國已投運儲能項目的累計裝機規(guī)模為31.2 GW?！笆濉逼陂g新開工抽水蓄能電站裝機容量為6 000萬kW，到2025年將達到9 000萬kW左右。我國已建和在建抽水蓄能電站主要分布在華南、華中、華北、華東等地區(qū)，以解決電網(wǎng)的調(diào)峰問題。目前，抽水蓄能電站是應用最為廣泛、技術(shù)成熟的大規(guī)模儲能技術(shù)之一，用于大電網(wǎng)調(diào)峰和大電網(wǎng)黑啟動等方面，已成為我國電力工業(yè)中不可缺少的重要組成部分[1]。

大型抽水蓄能電站的建設主要依靠山區(qū)地形的上下水庫的高差特征，將水轉(zhuǎn)化為重力勢能或電能。抽水蓄能電站的構(gòu)筑物一般包括上、下水庫及壓力管道。其中，上水庫建設在高山上部；下水庫布置在高山下部，利用原有或建設新的水庫；壓力管道建設在山體內(nèi)部。同時還有安裝發(fā)電機的地下廠房、輸變電用的調(diào)壓硐室、以及發(fā)電排出的尾水通道等系統(tǒng)。隨著抽水蓄能電站裝機容量增加，輸水系統(tǒng)發(fā)電水頭高，壓力管道長度增加，導致建設過程中存在大量的長距離、大傾角的斜井工程，其施工難度大、風險高。所以，長距離大傾角壓力管道斜井高效建設，成為制約抽水蓄能電站建設的關(guān)鍵問題之一。

抽水蓄能電站的大傾角壓力管道斜井多采用導井法施工，首先施工小直徑導井，再由上向下采用鉆爆法擴挖，最后進行壓力管道支護結(jié)構(gòu)的安裝。廣州抽水蓄能電站最早采用爬罐法施工導井，具有作業(yè)環(huán)境危險、工作人員勞動強度大、職業(yè)傷害嚴重等缺點，并且隨著斜井長度加大，施工效率低，逐漸被反井鉆井法代替。在北京十三陵抽水蓄能電站建設中，首次采用反井鉆機施工了直徑1.4 m的壓力管道導井[2]，證明了反井鉆機鉆井法是高效、安全、快速的導井施工方法，但是反井鉆機鉆井過程，對破碎或薄弱地層尚無法進行有效的初期支護，所以，反井鉆井施工的適用性對地層條件提出了更高的要求。在國家科技部“十二五”“863計劃”中將“煤炭智能化掘采技術(shù)與裝備”作為重點項目，該項目中的第3個課題“礦山豎井掘進機研制”(編號為2012AA06A403)，研制了豎井掘進機樣機，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、施工機械化、控制自動化、掘進支護一體化的豎井掘進機[3]。

筆者針對大長度大傾角抽水蓄能電站壓力管道的施工難題，梳理了目前抽水蓄能電站壓力管道開挖方法，分析了爬罐和反井鉆機2種導井施工工藝的優(yōu)缺點，提出了以豎井掘進機為核心的大傾角壓力管道斜井機械破巖鉆進工藝；最后論述了此工藝進一步需要研究的技術(shù)問題和科學問題。

1 現(xiàn)有壓力管道施工技術(shù)與工藝

抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)布置如圖1所示。地下廠房內(nèi)安裝的發(fā)電機組為可逆式，既能夠作為發(fā)電機發(fā)電，也可以作為水泵抽水。在用電低谷時，下水庫的水通過尾水隧道進入地下廠房，發(fā)電機組作為水泵將水增壓，水流通過壓力管道下平段、下斜段、中平段、上斜段和上平段，流入上水庫內(nèi)，利用水位的上升實現(xiàn)能量的蓄積；在用電高峰時，將上水庫的閘門打開，上水庫的水從上平段流入壓力管道內(nèi)，經(jīng)過壓力管道增壓，水流經(jīng)過上平段、上斜段、中平段、上斜段和下平段，流入發(fā)電機組發(fā)電；實現(xiàn)大電網(wǎng)調(diào)峰填谷的作用。

圖1 抽水蓄能電站發(fā)電系統(tǒng)布置示意Fig.1 Schematic of power generation system of pumped storage power station

壓力管道斜井是抽水蓄能電站的關(guān)鍵構(gòu)筑物，是能量轉(zhuǎn)化的核心通道。壓力管道井傾角大，一般與水平面夾角為50°～65°，穿過巖石多為火成巖，巖石堅硬且抗壓強度高，給長距離壓力管道斜井施工增加難度。以長度為700 m級壓力管道斜井為例，首先需要施工1條平硐，將壓力管道斜井分成上下2段，再分別進行上下斜井的分段施工。常用的壓力管道斜井施工方法為導井擴挖法：首先利用爬罐或反井鉆機形成導井，采用爬罐法施工的導井為矩形斷面，一般邊長為1.8 m×1.8 m，采用反井鉆機施工的導井為圓形，直徑為1.4～2.5 m；導井形成后，利用鉆爆法由上向下擴挖施工，爆破破碎的巖渣通過導井落到斜井下部隧道內(nèi)，再進行裝巖運輸排渣；擴挖的同時進行必要的臨時支護；整個斜井井筒開挖完畢后，采用鋼筋混凝土井壁或內(nèi)鋼管井壁壁后充填混凝土的方式進行永久支護，以滿足壓力管道運行條件。

1.1 爬罐法開挖導井技術(shù)與工藝

爬罐開挖導井，也稱為爬罐反向鑿井法，簡稱爬罐法。利用爬罐作為輸送工具和操作平臺，將作業(yè)人員和材料運輸?shù)焦ぷ髅?，同時將爬罐作為操作平臺進行爆破孔的鉆鑿、裝巖、連線、封孔及必要的臨時支護作業(yè)。爬罐利用固定在斜井上部或垂直井井筒一幫的爬罐軌道作為運行支撐，爬罐上的齒輪和軌道上的齒條嚙合，依靠電力驅(qū)動或者內(nèi)燃驅(qū)動，實現(xiàn)爬罐的上升和下放。20世紀80年代初開始，在水電工程建設的漁子溪二級、魯布哥等水力發(fā)電站以及廣州、天荒坪等抽水蓄能電站工程中采用了瑞典生產(chǎn)的阿里馬克爬罐進行施工(圖2)，我國也曾經(jīng)生產(chǎn)過電動爬罐，并在十三陵抽水蓄能電站有過應用。

圖2 爬罐處在始發(fā)和斜井工作面的狀態(tài)Fig.2 Climbing tank is in state of starting and inclined well working face

壓力管道斜井的導井由下向上進行掘進，主要包括鉆孔、裝藥、爆破、危石處理和臨時支護等工序，如圖3所示。鉆孔和裝藥的方向從下向上，與普通鉆爆法相比施工難度和風險明顯增加。導井施工首先沿斜井軸線方向從下向上掘進能夠容納爬罐長度的一段導井，用于爬罐軌道的安裝。爬罐軌道由齒條、壓風管、供水管等組成，采用錨桿固定在巖體中。爬罐包括主爬罐和副爬罐，副爬罐用作為安全救援。爬罐軌道安裝完成后，進行爬罐安裝和運轉(zhuǎn)，并接通壓風和供水管路。利用爬罐進行導井正常施工時，通過爬罐將人員和鑿巖設備、火工材料運送到工作面；在施工保護罩的掩護下，人員在爬罐工作平臺進行炮孔鉆進、炸藥裝填、雷管聯(lián)線、炮孔的封堵等工作，然后，施工人員乘坐爬罐下降到斜井底部爬罐始發(fā)位置，人員撤至安全地點后即可起爆，爆破采用風壓起爆雷管、電雷管或?qū)П艿确绞奖茙r石[4]。

圖3 爬罐法開挖斜井導井主要工序示意Fig.3 Schematic of main process of guided wellexcavation of inclined well by alimak climber method

爬罐法施工導井在巖層穩(wěn)定、斜井長度較小時，施工效率較高，具有一定的優(yōu)勢。從理論上講，爬罐法不需要事先開鑿上水平輔助巷道，施工長度可達上千米。但是受斜井結(jié)構(gòu)特征的影響，爬罐法施工導井具有以下缺點：①隨著掘進導井長度的增加，爬罐上下運行導致輔助作業(yè)時間較長，掘進速度明顯減慢，施工效率明顯降低；②工作面通風條件差，導致工作面易聚集有害氣體，通常用于施工長度不超過200 m的斜井導井；③爬罐法平臺上作業(yè)人員在5面圍巖和1面為深井的環(huán)境下作業(yè)，落石、淋水、有害氣體等對人員傷害風險很大，且對作業(yè)人員心理產(chǎn)生不利影響，隨著對施工安全和職業(yè)健康重視，已將爬罐法施工導井列為淘汰落后工藝目錄。

1.2 反井鉆機開挖導井技術(shù)與工藝

反井鉆機開挖導井方法，也稱為反井鉆井法。反井鉆機最開始主要應用于礦山井下工程，隨著技術(shù)、工藝、裝備的發(fā)展，應用范圍逐漸拓展，發(fā)展到礦物開采和地下工程建設各個領域。從20世紀90年代開始，反井鉆機應用在抽水蓄能電站傾斜壓力管道導井鉆進施工中，北京十三陵抽水蓄能電站工程采用LM-200型反井鉆機，鉆成直徑1.4 m的壓力管道導井，反井鉆井施工從1992年6月26日開始，至8月17日結(jié)束，歷時39 d，完成了斜長203 m、傾角50°的壓力管道斜井導井，導井偏斜率僅為1.43%，平均月進尺達147 m，純鉆進成孔月進尺達222.70 m。目前，在建的抽水蓄能電站工程導井施工，全部為反井鉆井方法。反井鉆機鉆進壓力管道導井如圖4所示。反井鉆機采用動力頭驅(qū)動旋轉(zhuǎn)鉆進方式，推進采用液壓油缸推進，鉆架為整體框架，采用正循環(huán)排渣。整個過程中無需作業(yè)人員下井，人員安全得到根本保證，真正實現(xiàn)了無人化機械掘進；且反井鉆機采用機械破巖方式施工導井，減少了對圍巖的擾動破壞，形成的導孔孔壁光滑，易于溜渣和排水，導井圍巖穩(wěn)定性更好。

圖4 反井鉆機鉆進壓力管道導井示意Fig.4 Schematic of drilling pressure pipeline guide well with reverse rig

為了突破大傾角斜井直接采用反井鉆機鉆進導孔時，有效控制其鉆孔偏斜精度的關(guān)鍵技術(shù)，2016年以豐寧抽水蓄能電站1號引水系統(tǒng)壓力管道下斜段為背景，為了實現(xiàn)在中粗?；◢弾r地層中斜井導孔軌跡精確控制，研究了高精度斜井導孔軌跡控制技術(shù)、定向鉆具組合技術(shù)以及鉆孔孔壁泥漿保護技術(shù)。在工業(yè)性試驗過程，利用研制的TDX-50新型斜超前定向?qū)Э讓Ｓ勉@機、7LZ120新型短螺桿鉆具以及SMWD無線隨鉆測斜儀等鉆孔施工設備，從2016年8月12日設備進場開始，2016年9月14日定向鉆進開鉆，2016年10月18日直徑190 mm的超前定向?qū)Э资┕そY(jié)束，鉆進工期為35天，鉆孔斜長302 m，偏斜率低至0.45%，突破了大傾角反井鉆進斜井導井的快速、高效、精確的鉆孔定向控制的技術(shù)難題。

1.3 壓力管道擴挖技術(shù)與工藝

目前，抽水蓄能電站斜井擴挖受現(xiàn)場施工條件、設備能力、作業(yè)人員的技術(shù)熟練程度和操作水平以及工期要求等因素的制約，專用的斜井機械化裝備尚未進行系統(tǒng)研究，斜井鉆孔、裝藥、清渣等工序主要采用手工半機械化進行作業(yè)。導井擴挖一般采用自上而下的方式，斜井擴挖施工剖面布置，如圖5所示。根據(jù)斜井斷面大小及導井直徑，采用分層逐層爆破擴挖，或上下半斷面分次擴挖方式，上下半斷面分次擴挖布置如圖6所示。

圖5 斜井擴挖施工剖面布置Fig.5 Sectional layout of inclined shaft expansion

圖6 上下半斷面分次擴挖布置Fig.6 Schematic of sub-expansion of upper and lower half sections

抽水蓄能電站斜井采用鉆爆法進行擴挖時，運用手持式風動鑿巖機鉆鑿傾斜的爆破孔，以YT-28型手持式風動鑿巖機鉆孔為例，由于導井的存在已形成了較好的自由面，所以不需設置掏槽孔，沿導井周圍依次布設崩落孔和周邊光爆孔。為保證全斷面開挖時石渣溜放順暢，避免導井堵塞事故的發(fā)生，崩落孔采用直徑32 mm的藥卷連續(xù)裝藥；周邊孔采用直徑32 mm藥卷間隔裝藥實現(xiàn)光面爆破，炮孔間距不允許大于500 mm；開挖長度控制在2.0～3.0 m，預計循環(huán)進尺1.7～2.8 m。起爆采用圓周分段法，爆破孔采用非電毫秒雷管起爆網(wǎng)絡，引爆采用電雷管起爆。工作面采用人工扒渣、清面，在下平段內(nèi)采用裝載機裝巖，并采用自卸車運輸出渣。為保證施工的安全，在施工中還需要根據(jù)實際地質(zhì)情況進行必要的臨時支護。采用鉆爆法擴挖工藝來講，工作面通風條件差、人員作業(yè)環(huán)境惡劣，且提絞設備和其他設施相互干擾，因此，安全事故難以避免。所以，為了徹底改善施工環(huán)境，保證安全施工，亟待尋求研究抽水蓄能電站斜井機械擴挖鉆進工藝及裝備[4-6]。目前，反井鉆機擴孔鉆進為抽水蓄能電站斜井擴挖的主要施工工藝，擴孔鉆進采用下排渣方式，巖渣靠自重由導井落到下斜段底部再排出。豐寧抽水蓄能電站1號引水系統(tǒng)壓力管道下斜段，導井擴孔鉆進采用了BMC500型反井鉆機，形成的導井直徑為2.25 m，擴孔鉆進時間為25 d。盡管反井鉆機擴孔工藝實現(xiàn)了機械化鉆井，但是依然存在鉆進精度低、鉆井直徑小和鉆進效率低的技術(shù)難題，不能滿足長距離抽水蓄能電站壓力管道擴挖的工程需求。

2 機械破巖鉆進壓力管道斜井工藝及關(guān)鍵技術(shù)

為解決抽水蓄能電站壓力管道長度大、傾角大、巖石堅硬等特點，以國家“十二五”“863計劃”項目研制的豎井掘進機為基礎，通過設備改造、技術(shù)研究和工藝論證等一系列研究，使其滿足斜井掘進的工程需求[5-7]。因此，在現(xiàn)有反井鉆機鉆進、豎井掘進機掘進技術(shù)和裝備的基礎上，提出了以定向鉆機+反井鉆機+井筒掘進機為基礎裝備的抽水蓄能電站壓力管道斜井全斷面機械鉆進工藝，簡要工藝流程為：①采用定向?qū)Э足@進技術(shù)鉆進反井鉆井超前導孔，鉆孔偏斜率控制在0.3%～0.5%；②采用反井鉆機初次擴挖，直徑達可達到2.0～2.5 m，利用導井作為下排渣通道；③采用豎井掘進機進行二次擴挖，可將斜井直徑擴大到5.8 m。此項“三機分步”施工工藝，能夠滿足傾角50°～90°、長度小于800 m斜井的建設需求，能夠?qū)崿F(xiàn)長距離、大傾角和大直徑斜井的無人化或少人化的機械破巖鉆進[8]。

2.1 定向鉆進超前導孔的關(guān)鍵技術(shù)與工藝

抽水蓄能電站大傾角長斜井導孔偏斜控制技術(shù)，是反井鉆機施工導井和豎井掘進機機械破巖擴挖鉆進的關(guān)鍵。為解決導井的偏斜控制問題，采用專用定向鉆機鉆進超前導孔。在壓力管道上水平隧道內(nèi)，以斜井軸線和水平隧道軸線的交線處澆筑滿足定向?qū)Э足@機、反井鉆機等設備穩(wěn)定運行的混凝土基礎；并根據(jù)設備單件最大質(zhì)量、體積和操作空間范圍，設計輔助隧道達到所需要的斷面和滿足安裝提吊設備的鋼結(jié)構(gòu)；安裝好定向?qū)Э足@機后，以由上向下的方式進行鉆進，待與下水平隧道貫通后，拆除定向鉆機。專用鉆機鉆進定向超前導孔施工如圖7所示。

圖7 專用鉆機鉆進定向超前導孔示意Fig.7 Schematic of directional advanced pilot hole drilled by special rig

斜井專用定向鉆機設備如圖8所示。斜井專用定向鉆機由鉆架、動力頭、鉆桿上卸扣裝置、行走機構(gòu)、導軌、鉆桿、鉆孔傾角調(diào)整機構(gòu)、液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成。鉆機所有部件(包括液壓系統(tǒng)泵站、動力頭、鉆架、導軌架等)均安裝在鋼制履帶底盤上，鉆機操縱臺、鉆機行走操縱臺、電路開關(guān)及泥漿閥門均集中置于鉆機前端機架一側(cè)的司鉆房內(nèi)。動力頭驅(qū)動鉆具回轉(zhuǎn)工作，利用鉆桿上卸扣裝置實現(xiàn)機械接卸鉆具，利用鉆孔傾角調(diào)整機構(gòu)、傾角鎖緊機構(gòu)控制鉆孔角度，開孔角度為0°～90°。斜井專用定向鉆機配備?89 mm鉆桿，超前導向孔直徑可達190 mm，并采用隨鉆測量及螺桿鉆具進行糾偏，保超前導孔施工的鉆孔精度達到偏斜率小于0.3%。

斜井導孔專用定向鉆機技術(shù)參數(shù)如下：[9]

電機驅(qū)動功率/kW90軸壓力提升力/kN500動力頭回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/(N·m)1 600動力頭轉(zhuǎn)速/(r·min-1)0～80鉆機角度調(diào)節(jié)/(°)0～90鉆孔直徑/mm190鉆桿直徑/mm89動力頭一次推進行程/mm4 500鉆機行走速度/(km·h-1)2鉆機爬坡能力/(°)20輔助液壓卷揚機提升力/kN15

圖8 斜井專用定向鉆機設備Fig.8 Directional drilling equipment for inclined wells

2.2 超前導孔擴孔技術(shù)與工藝

不同類型反井鉆機的鉆桿直徑不同：BMC400型反井鉆機鉆桿直徑為228 mm，導孔直徑為270 mm；BMC500型反井鉆機鉆桿直徑254 mm，導孔直徑為311 mm；BMC600型反井鉆機鉆桿直徑為327 mm，導孔直徑為350 mm。而采用專用鉆機鉆進定向超前導孔，形成的鉆孔直徑為190 mm，不能滿足反井鉆機鉆桿的下放要求，需要將超前導孔擴大到反井鉆機導孔直徑。采用反井鉆機擴大超前導孔，首先拆除斜井定向鉆機，再進行反井鉆機安裝，并采用帶有超前穩(wěn)定器的三牙輪鉆頭，由上向下擴大超前導孔，直至將反井鉆機鉆桿下放到壓力管道下口。超前導孔擴大及反井鉆機鉆桿下放如圖9所示[10]。

圖9 超前導孔擴大及反井鉆機鉆桿下放示意Fig.9 Schematic of enlargement of leading hole and lowering of drill pipe of reverse rig

2.3 反井鉆機初次擴挖鉆進技術(shù)與工藝

采用BMC600型反井鉆機進行斜井的初次擴挖鉆進時，以自上而下的方式下放反井鉆機鉆桿，并在下水平連接直徑2.5 m擴孔鉆頭，再由反井鉆機主機驅(qū)動鉆桿旋轉(zhuǎn)和提拉鉆頭，以自下而上的方式進行初次擴孔施工，形成直徑為2.5 m的斜井導井，最后拆除反井鉆機。反井鉆機擴孔鉆進形成導井如圖10所示。

圖10 反井鉆機鉆進擴孔示意Fig.10 Schematic of drilling and reaming with reverse rig

2.4 豎井掘進機二次擴挖鉆進工藝

豎井掘進機是涉及巖石破碎、機械加工、電氣傳動、液壓控制、傳感器測量、數(shù)字控制等多種技術(shù)交叉融合而形成的機械破巖鑿井裝備[11]。豎井掘進機鉆進斜井如圖11所示。

圖11 豎井掘進機鉆進斜井示意Fig.11 Schematic of shaft boring machine drilling into inclined shaft

豎井掘進機二次擴挖時，首先施工一定長度的能夠滿足掘進機安裝高度的掘進機鎖口，再安裝豎井掘進機，包括掘進機的鉆頭、支撐推進系統(tǒng)、操作控制臺、安全防護平臺和臨時支護平臺；其次，將掘進機框架上的支撐靴板支撐在鎖口上，利用動力頭驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)和推進，并采用滾刀破碎巖石由上向下鉆進，破碎的巖渣通過導井溜到壓力管道下平段。鉆進過程中，根據(jù)斜井井幫圍巖條件，在豎井掘進機上部臨時支護作業(yè)平臺上，完成錨桿安裝和噴漿防護等臨時支護作業(yè)。

3 機械破巖鉆進壓力管道斜井的關(guān)鍵技術(shù)及研究方向

3.1 機械破巖鉆進壓力管道斜井的關(guān)鍵技術(shù)

圍繞豎井掘進機鉆進斜井中機械破巖、出渣、支護平行作業(yè)工藝，凝練出了豎井掘進機定位技術(shù)、豎井掘進機破巖鉆進技術(shù)、豎井掘進機支撐結(jié)構(gòu)移步技術(shù)、臨時支護技術(shù)、通風排水技術(shù)5項關(guān)鍵技術(shù)。

1)豎井掘進機定位技術(shù)。根據(jù)斜井軸線和鉆進方向的測量數(shù)據(jù)，計算出各個支撐油缸需要伸出的長度，并通過多個行程的鉆進，逐漸調(diào)整豎井掘進機姿態(tài)，使其鉆進方向和斜井軸線高度重合；按照豎井掘進機鉆進破巖的反轉(zhuǎn)矩和反推力，計算出支撐靴板的摩擦阻力，以及確定各個支撐油缸需要達到的支撐力，防止鉆進過程靴板和井幫的相對滑動，保證下一行程的鉆進方向的準確。

2)豎井掘進機破巖鉆進技術(shù)。高效破碎大體積巖石和減少對圍巖擾動依然是機械破巖的需要積解決的核心問題之一[12-15]，機械破巖效率決定了機械鉆進的速度。破巖鉆進時，電機帶動動力頭驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)，同時推進油缸推動鉆頭下行，并使破巖滾刀與巖石接觸，逐漸開始破碎巖石；隨著推進的壓力逐漸增加，達到設計的鉆壓值后，進行正常鉆進，且鉆壓需要根據(jù)鉆機設備和地層特性確定。

3)豎井掘進機支撐結(jié)構(gòu)移步技術(shù)。豎井掘進機鉆進1個行程后，也就是當推力油缸達到最大設置行程位置時，動力頭驅(qū)動鉆頭繼續(xù)旋轉(zhuǎn)破巖，直到形成較為平整的井底面，且使破巖滾刀穩(wěn)定接觸巖石；然后鎖緊主推油缸，逐漸松開8個支撐油缸，使各支撐油缸支撐力為零，再逐漸使4個推進油缸活塞桿縮回，豎井掘進機支撐框架整體下移；當推進油缸全部回縮到位后，將支撐靴板固定進行定位，支撐油缸達到設計壓力后，再開始進行下一鉆進循環(huán)。

4)臨時支護技術(shù)。盡管豎井掘進機破巖對斜井井幫圍巖的破壞小，依然需要對地層條件和圍巖穩(wěn)定進行科學評價。一方面，豎井掘進機的支撐結(jié)構(gòu)在工作時，對井幫施加的壓力在一定程度上能夠起到防止井幫破壞的作用；另一方面，對于地層條件較差的層位，在考慮作業(yè)人員和設備的安全的情況下，利用安裝在豎井掘進機上部作業(yè)平臺的錨桿鉆機，進行鉆鑿、安裝臨時支護錨桿和掛網(wǎng)，同時利用平臺上的噴漿機進行噴漿作業(yè)，對井幫圍巖進行封閉加固。

5)通風排水技術(shù)。與傳統(tǒng)的鉆眼爆破破巖方法不同，豎井掘進機鉆井為機械滾刀破巖，井下作業(yè)人員少、且產(chǎn)生的有害氣體和粉塵比較小，通過鉆頭噴霧便可有效降低大部分粉塵；其次，由于導井和電站的通風系統(tǒng)形成了井筒循環(huán)通風，一般不需要單獨設立通風裝置，特殊情況下可設置局部通風機。豎井掘進機鉆進過程中地層中少量涌水時，可直接通過導井流到斜井下部排出；當?shù)貙佑克枯^大時，需預先采用地層改性方法封堵涌水。

3.2 機械破巖鉆進壓力管道斜井的研究方向

根據(jù)豎井掘進機鉆井抽水蓄能水電站大傾角、長距離和大直徑壓力管道斜井的施工技術(shù)特點，為了保障施工的質(zhì)量和安全性，筆者提出了豎井掘進機鉆進壓力管道斜井的5個研究方向，具體如下：

1)定向機械鉆進長斜井技術(shù)的可行性研究。在掌握長斜井賦存地質(zhì)條件的基礎上，從施工技術(shù)、施工工期、施工費用和安全可控性等方面，比較分析爬罐法、反井鉆井法、豎井掘進機鉆進法等施工工藝的技術(shù)特點，綜合論證機械鉆進壓力管道斜井的施工工藝的必要性、適用性及可行性。

2)反井鉆機擴挖大傾角超前導孔精度智能控制技術(shù)研究。研究適用于斜井導孔擴大的定向反井鉆具，在偏斜超出預先設定參數(shù)時，該鉆具能夠進行智能糾偏，并使得鉆進方向沿既定軌跡持續(xù)鉆進。

3)大型反井鉆機裝備的研究。為了滿足抽水蓄能電站壓力管道斜井設計和施工要求，研究適用于鉆鑿斜井導井的大型反井鉆機結(jié)構(gòu)體系，保障在斜井上部隧道中有限的空間內(nèi)的快速和精準安裝，改進反井鉆機的鉆桿扶正器、鉆機動力頭內(nèi)部主軸扶正器，以及前、后拉桿等輔助設備，確保反井鉆機鉆進導井的軸線與導孔軸線相同，并提高大型反井鉆機的施工效率。

4)機械鉆進大直徑斜井的鉆頭結(jié)構(gòu)和鉆頭材料研究。通過對機械鉆進時鉆頭不同部位的受力特征，研究鉆頭刀盤不同位置滾刀受力和運動規(guī)律，研究新型斜井鉆頭結(jié)構(gòu)、鉆頭滾刀布置形式、抗磨蝕滾刀材料、鉆頭整體穩(wěn)定等[16-18]，優(yōu)化機械破巖鉆進參數(shù)，研發(fā)高效破巖、智能糾偏和穩(wěn)定可靠的斜井反井鉆頭。

5)機械鉆進大傾角斜井排渣工藝研究。機械鉆進大傾角斜井時，破巖體積大，井下鉆具系統(tǒng)多，巖屑的運移規(guī)律比豎直井更加復雜。在導孔鉆進過程中，由于巖屑的沉積致使摩阻、轉(zhuǎn)矩增大，導致卡鉆事故[19-20]，尤其以40°～60°傾角的斜井最為嚴重。因此，亟待研究鉆桿旋轉(zhuǎn)作用下斜井環(huán)空巖屑分布規(guī)律、鉆井泥漿—巖屑兩相流動運移規(guī)律，優(yōu)化機械鉆進大傾角斜井鉆進參數(shù)，提高機械鉆進大傾角斜井排渣效率。

4 結(jié) 論

1)在地下工程建設中，大體積機械破巖能夠解決長期困擾地下工程開挖過程中人員作業(yè)環(huán)境差、施工效率低、安全風險高等工程難題，并協(xié)調(diào)破巖和防止圍巖擾動破壞之間的矛盾，具有廣泛的發(fā)展前景。

2)以定向鉆機、反井鉆機和豎井掘進機為核心的井筒機械化鉆進技術(shù)和裝備體系為基礎，提出了以定向鉆機+反井鉆機+豎井掘進機為基礎裝備的抽水蓄能電站壓力管道斜井全斷面機械鉆進技術(shù)工藝，能夠控制定向鉆機鉆孔偏斜率為0.3%～0.5%；反井鉆機初次擴挖，直徑2.5 m；井筒豎井掘進機進行二次擴挖，直徑5.8 m；能夠滿足傾角50°～90°、長度小于800 m壓力管道斜井的建設需求，能夠?qū)崿F(xiàn)長距離、大傾角和大直徑斜井的無人化或少人化的機械破巖鉆進

3)圍繞豎井掘進機鉆進斜井中機械破巖、出渣、支護平行作業(yè)工藝，凝練出了豎井掘進機定位技術(shù)、豎井掘進機破巖鉆進技術(shù)、豎井掘進機支撐結(jié)構(gòu)移步技術(shù)、臨時支護技術(shù)、通風排水技術(shù)5項關(guān)鍵技術(shù)；指明了定向機械鉆進長斜井技術(shù)的可行性研究、反井鉆機擴挖大傾角超前導孔精度智能控制技術(shù)研究、大型反井鉆機裝備的研究、機械鉆進大直徑斜井的鉆頭結(jié)構(gòu)和鉆頭材料研究，以及機械鉆進大傾角斜井排渣工藝研究等5個主要研究方向。

4)創(chuàng)新非爆破鉆進壓力管道斜井施工工藝，研發(fā)適用于抽水蓄能電站壓力管道斜井的豎井掘進機及輔助裝備，完善壓力管道斜井施工的理論、技術(shù)和工藝體系，能夠促進抽水蓄能電站的建設效率和能力提升，并為其他類似地下工程建設提供新方法，推動建井技術(shù)與裝備的機械化、無人化、智能化的發(fā)展。