LM-200型反井钻在观音岩水电站砂石系统竖井的应用

LM-200型反井钻在观音岩水电站砂石系统竖井的应用

吴杰

中国水利水电第九工程局有限公司，贵州 贵阳 550081

摘要:介绍反井钻机在观音岩水电站砂石加工系统龙洞料场竖井施工中的应用,阐述了反井钻钻竖井的施工方法和工艺流程。在适宜的施工条件下,反井钻机适用于300 m以下的竖井或大角度斜井的施工,该钻机具有施工速度快、建井周期短，劳动强度低，工作环境好，安全可靠，工序简单、管理简单等优点。

关键词: 特殊凿井法；反井钻机；竖井掘进；斜井掘进；正井法施工；施工快捷。

1 工程概述

观音岩水电站砂石系统分两个区布置，即龙硐区和枢纽区，两区相距17km，枢纽区进行成品加工,供给观音岩水电站各个施工项目的砂石骨料，龙硐区生产骨料半成品，通过龙庄公路运至枢纽区系统进行成品加工。龙硐区主要有龙硐石料场、龙硐粗碎、龙硐半成品料场、龙硐供水、供电系统。设计总生产量2500万t，最大生产能力为3300t/h，石料经过粗碎后，通过皮带机进入竖井，再由平硐用皮带机输送到半成品料场。

1.1 半成品输送竖井

竖井设计为直径4m的圆形断面，井身垂直向下，井口高程EL.1456.00m，至EL.1355.95m后井身向平硐轴线方向扩散成喇叭形，至EL.1345.20接平硐扩挖段顶板，井身总高度为110.80m。上口用δ=10mm钢板作内衬，井口8m范围采用0.5m厚钢筋混凝土衬砌锁口；井身开挖直径为4.4m，井壁根据实际采取锚杆、喷C25混凝土进行支护，局部井段采取挂钢筋网锚喷支护。井身下部为EL.1358.95～EL.1345.20m为0.5m厚钢筋混凝土衬砌。

1.2 工程地质条件

竖井开口为栖霞组白云质灰岩，围岩以弱～微风化为主，岩体节理裂隙较发育，岩体多呈中厚层状，开挖后围岩稳定性较好，局部受结构面影响存在不稳定情况，初步定为Ⅲ类围岩。

竖井梁山组上段（P113）区段为紫红色铝土矿层和暗紫红色页岩层，沿走向方向厚度变化大，厚约5～20m，该层风化强烈，风化后呈碎块或薄片状，围岩稳定性差，为Ⅳ类围岩，需加强支护。

竖井下段梁山组中段（P112）区段为白色、灰白色白云岩、含砾砂岩、粗粒石英砂岩为主，隧硐埋深大，岩石新鲜，岩体多呈中厚~厚层状，完整性较好，开挖后围岩稳定性较好，为Ⅱ～Ⅲ类围岩。

2 施工布置

2.1 半成品运输平硐

连接竖井的运输平硐长341.8m，开挖断面为5.5 m×4.5m（宽×高）的城门形断面，进口高程为EL.1320.0m，硐底坡度为9.0%向进口倾斜，与竖井轴线相交处的桩号为0+329.0m，此处硐底高程为EL.1339.0m。硐身视开挖后地质情况采取挂钢筋网、锚杆、喷混凝土及混凝土衬砌等支护措施，其中进口2m为明硐段，硐0+002至硐0+014为混凝土锁口段，此长12m硐段采用50cm厚钢筋混凝土衬砌，整个平硐底板采用厚20cm混凝土浇筑，中间设置30cm×20cm排水沟，路面设1%～2%横坡向中间排水沟倾斜。平硐至竖井下部后，其一侧扩挖为16.7m×8.05m×8.2m（长×宽×高）的硐室，并浇筑C30框架混凝土。在桩号0+070，0+130，0+180及0+290设置汇车道。

 2.2　导井施工方法的选择     竖井施工的传统方法有正井法或爬罐法施工导井,然后扩挖成型。正井法开挖导井机械化程度低,劳动强度大,作业时间长,施工条件差,受危石、烟尘危害,人员长时间作业易造成缺氧。爬罐法施工导井虽然安全问题得到了改善,但人员仍在洞内作业,施工条件没有得到完全改善,如使用安全性能好的进口爬罐则造价会很高。    根据该竖井工程特点,拟选用LM-200型反井钻机开挖导井,再用钻爆法二次扩挖达到设计的开挖轮廓。    与传统的施工方法相比,采用反井钻机开挖导井具有以下优点:①导井采用机械开挖,施工进度快。②扩挖时爆破石碴可直接溜到竖井下部已挖好的平洞,出碴速度快。③中导井贯通后可形成自然通风系统。④适用于各类围岩。⑤无须人员进洞开挖导井,改善了施工条件。⑥机械化程度高,节省劳力、爆破器材以及机械通风和降尘等工序,有利于降低工程造价。

3　反井钻机开挖竖井施工工艺 3.1　工作原理    LM-200型反井钻机的工作原理为:液压马达驱动水龙头并将扭矩传递给钻具系统,带动钻具旋转。破岩采用镰齿盘形滚刀,滚刀在钻压的作用下沿井底滚动,从而对岩石产生冲击、挤压和剪切作用,使其破碎。钻导孔时岩屑沿钻杆与孔壁间的环行空间由洗井液提升到上水平面,扩孔时岩屑靠自重落到下水平面。钻凿1.4 m钻孔时只需先钻216 mm的导孔,直至导孔钻透平洞顶部为止,将导孔钻头卸下,然后接上1.2 m的扩孔钻头,再由下向上扩孔。LM-200型反井钻机示意见图1。

1.主机 2.机械手 3.转盘吊 4.高压胶管 5.接泵站和主机 6.液压控制台7.钻杆 8.扩孔钻头 9.井壁 10.主机基础 11.竖井井口平台 12.至竖井底部廊道

图1 LM-200型反井钻机示意图

3.2　施工工艺流程

3.2.1　导井钻孔 3.2.1.1　施工准备    （1)钻机基础的施工：钻机基础采用混凝土,标号≮C25。尺寸位置以钻孔中心(井心)定位。要保持钻机的地脚螺栓孔位的准确。    （2)铺设轨道：导井贯通后,扩挖采用风动凿岩机,人工钻孔装药,电雷管起爆,爆碴由导井滑至竖井下端,然后采用扒碴机装碴至梭式矿车,用电瓶车运至洞外。混凝土基础养护结束后,铺设钻机轨道。轨距为600 mm或900 mm。   （3)供电：反井钻机由平台高压电源供电,供电负荷≮200 kW,电压380 V。    （4)供水：钻机由设在平台的5 m³水池供水:①配制泥浆约需30～40 m³。②钻进导孔时,循环使用冷却水;扩孔时用于冷却钻头需水约5～8 m³/h。    （5)照明：在钻机和泥浆泵位置安装照明设备。   （6)钻机安装调试和试运转：钻机运到现场后,进行钻机的安装和调试:①接通所有电机电源,进行短暂通电、观察电机转向。②接通钻机泵车到操作车钻机之间的进回油管路。③安装机械手和转盘吊。④钻机调平、找正。⑤安装下支撑和前后斜拉杆。⑥浇地脚螺栓孔。⑦接通冷却水系统。⑧进行泥浆泵调试,以形成泥浆循环系统。 3.2.1.2　导孔钻进    导孔钻进是反井钻进施工的关键,关系到钻孔的质量和成败。    （1)钻具布置　根据钻孔深度接长,布置为:导孔钻头+异型接头+稳定钻杆+…。    （2)钻进参数　钻进参数的选择主要依据地层条件、钻进部位等因素确定。一般按表1所示参数施工,施工时可根据情况予以调整。

表1 导孔钻进参数选择表

  （3)开孔钻进　采用216mm钻头开孔,用开孔扶正器和开孔钻杆配合慢速开孔,开孔深度3 m,开孔后将开孔钻杆提出,洗擦、上油后保存。    4)导孔钻进　导孔钻进时必须全力配合:①钻进前须对泥浆泵检修,以确保泥浆泵排量充足。在钻进过程中,各班要对泥浆泵进行必要的维护,钻进1~2 h即对泥浆泵各易损部件进行检查,更换磨损严重的部件。②加强泥浆管理。③及时清理导孔钻进返出的岩渣,防止岩渣流入泥浆池。④将孔内的岩屑全部排出后,方能停泵接卸钻杆。⑤导孔钻透后,停止泥浆循环,钻机需加清水平稳转动,直至扭矩变化不大时方可停钻。 3.2.1.3　扩孔钻进    （1)拆导孔钻头接扩孔钻头：导孔钻透后,用拆卸工具拆下导孔钻头并接上扩孔钻头,扩孔钻头直径为1.2 m。隧洞下口形成出渣系统后,即可进行向上扩孔。    （2)扩孔钻进：扩孔钻头接好后,慢速上提钻具,直到滚刀开始接触岩石,然后停止上提,用最低转速(5～9 r/min)旋转,钻头滚刀慢进,以确保滚刀不受过大的冲击而损坏,当刀齿把凸出的岩石破碎后,再继续钻进。为保证钻机和滚刀的使用寿命,一般将系统压力限制在18 MPa之内。扩孔过程中可视岩石的硬度适当加压或减压。   （3)完孔：当钻头钻至距基础2.5 m时,要降低钻压、慢速钻进和扩孔,直至钻头露出地面为止。    （4)拆机：先将扩孔钻头卡固在钢轨上、拆掉钻机的前后斜拉杆和各种油管,拆掉钻架主机车和一些辅助设备。将扩孔钻头吊牢提出再拆除轨道,然后将操作车吊上来,拆下泵车和油箱冷却器运至地面。

3.2.2　竖井扩挖    反井钻机扩挖后的导井直径为1.4 m,设计的竖井开挖断面直径为4.4m,因此需进一步扩挖。二次扩挖采用钻爆法施工,由YT-28风动凿岩机钻孔,采用电雷管控制爆破。扩挖作业由竖井上口自上而下进行开挖。扩挖爆碴由导井滑至竖井下口,再用装载机装碴,汽车运碴至洞外。竖井扩挖出碴过程见图2。

图2 竖井扩挖出碴过程施工图

 4 质量控制 4.1 反井钻机偏斜率控制

反井钻井偏斜就是反井施工的技术关键，为此，采取以下措施：

（1）进行精确的测量控制,发现偏斜较大时反复扫孔纠正偏斜度。

（2）施工设备：选用经检修完好的反井钻机和泥浆泵，保证其性能良好。

（3）钻机安装定位：钻机安装牢固,定位准确，混凝土浇筑密实。

（4）合理布置钻具：选用螺旋、直条等多种镶齿稳定钻杆和硬岩导孔钻头，并根据地质条件合理布置。

（5）正确选择钻进参数:钻进参数主要是根据地质条件和不同的钻进位置选择不同的钻压、转速和确定相应的钻进速度，并根据实际钻进过程进行相应的调整。

4.2 断层地段处理方案

竖井埋深较浅，井口段15m范围内的围岩较破碎，在导孔钻进过程中出现塌孔现象，影响钻进正常钻进，根据以往施工经验，采取灌注水泥浆液法对井筒进行护壁，待达到一定强度后，进行二次导孔钻进。塌孔段经过处理，钻进过程正常。

5 建议  

  实践表明,在III～IⅤ类围岩、岩石节理发育及破碎地段钻孔时,易发生卡钻、塌孔,施工时需采用增加泥浆稠度、慢速钻进等措施。LM-200型反井钻机在岩石条件较好的情况下,适用于300m以下的竖井或大角度斜井的施工。

6 结语

观音岩水电站砂石加工系统龙洞区半成品人工料场输料竖井，采用LM—200型强力反井钻机打Φ216mm导孔，该导孔从2009年03月20日开钻至2009年04月09日打到位，及打到平洞顶部高程1348.48m,井深101.32m，垂直偏斜28cm,在1.4m导井扩孔范围内,满足施工要求。1.4m钻头从2009年04月30日开始在平洞内安装完毕扩孔到5月20日完成。整个竖井施工过程从钻导孔到扩孔加上各项准备工作只用了不到2个月时间。

反井钻机钻导孔和扩导井可提前施工，不占直线工期，可见反井钻在竖井施工中的快捷、高效、低成本是显而易见的，类似竖井施工应该积极推广应用。

作者简介：吴杰(1979-)，男，贵州省，高级工程师，从事工程施工、生产管理等工作。

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