浅谈反井钻机在断层破碎带、溶蚀岩体缓斜井施工中的应用

浅谈反井钻机在断层破碎带、溶蚀岩体缓斜井施工中的应用

凌卫军

凌卫军

中国水利水电第十一工程局有限公司第一分局郑州450000

摘要：通过工程实践，将反井钻机施工技术成功应用到500斜井开挖施工中，证明反井钻机施工斜井工艺完全可以替代传统的人工反导井或爬罐斜井施工工艺，是一种高效、安全地施工工艺。反井钻机施工技术在500斜井的开挖施工中的成功应用，将反井钻机的应用范围扩大到500～90°。

关键词：反井钻机断层破碎带、溶蚀岩体施工应用

1工程概况

1.1工程概况

?水电站位于四川甘孜藏族自治州得荣县境内，是金沙江左岸一级支流定曲河乡城、得荣段梯级开发的第八级。压力管道斜井倾角50°，开挖直径5.6m，其中上、下弯段圆弧半径25m、圆心角均为50°、长度23.98m，斜直段长104m，斜直段及部分上下弯段实际可钻斜井总长为124.4m。

1.2地质情况

压力管道斜井中上部围岩溶蚀现象发育，基本为破碎灰岩块及孤石充填细粉砂土，稳定性差；斜井下部围岩基本以板岩和灰岩为主，完整性较好；斜井沿线基本无渗水出现。

1.3关于反井钻机

??本次斜井施工采用的反井钻机型号为LM-200型。主要由钻机车、操作车、泵车、钻具等四部分组成,配套辅助设备为洗井泵一台,反井钻机主要技术性能如下:

(1)导孔直径(mm):216

?(2)导孔直径(mm):1400,2000(二次扩孔)

?(3)钻井深度(m):200,小于150(φ2m扩孔)

?(4)总功率(kW):82.5

?(5)主机外型尺寸(长×宽×高)

??运输(mm):2950×1370×1570

??工作(mm):3230×1770×3448

?(6)主机重量(kg):8277

2施工布置

2.1作业平台

在上弯段沿管0+70掌子面顶部高程向前开挖7m，开挖断面与压力管道同，以满足钻机基础及泥浆循环池施工和反井钻机运行的空间需要。

2.2钻机装卸

洞外采用25t汽车吊吊装反井钻机和辅助设备，CAT320反铲托运至洞内，反铲、手拉葫芦配合人工进行安装。

2.3钻机基础混凝土

反井钻机基础采用C20混凝土分二期浇筑而成,一期形成基础并预留反井钻机地脚螺栓坑,待机体到位并进行初校后,回填二期混凝土,以确保反井钻机与基础牢固衔接,不发生移位。混凝土浇筑厚度应不小于70cm，混凝土面要平整，凸凹变化不能超过1.5cm。同时为满足反井钻机钻孔倾角60～90°而能用于本钻井50°倾角的要求，将基础混凝土顶面浇成倾角20°的斜面，将钻机的操作角度调整为70°就正好是钻孔的50°倾角。

2.4泥浆循环水池

反井钻机的冷却循环系统由:洗井泵(泥浆泵)、水池、水沟组成。距反井钻机基础15m处设置一个5m3水池,水池中间设一隔墙,将水池分隔成清水池和沉淀池。混凝土基础和水池之间由一水沟连接,导孔施工出现的回水、细沙沿此沟回流至沉淀池。洗井泵设置在钻机车与水池之间。

2.5反井钻机运输轨道的安装

为方便反井钻机就位、定位,在洞内卸机部位地面安装运输轨道,轨距60cm,轨道为24kg/m的轻轨,枕木为10cm×10cm方木,间距为50cm/根。

2.6供水

导孔钻进需水5～10m3/h，用于循环排渣，冷却反井钻机液压系统，扩孔钻进需水15m3/h，用于冷却液压系统和扩孔钻头，从主供水管接1.5吋钢管直接引水至钻机附近砌筑水池进行供水。

3反井钻机施工程序

先利用LM-200型反井钻机在上弯段上水平面扩挖区沿斜井轴线方向往下钻一直径为216mm的导孔，导孔形成后在下弯段将Ф216mm钻头更换成Ф1400mm扩挖刀盘，然后通过自下而上反拉扩挖形成直径Ф1400mm的溜渣导井。施工流程如下：

上弯段扩挖支护→基础及循环水池施工→冷却循环水池→反井钻机安装调试→导孔施工→扩孔施工→钻机拆除

4施工过程及方法

4.1φ216mm导孔施工

反井钻机施工的关键在于先导孔钻孔质量，钻通后的偏离误差大小在开钻后无法进行中间检测和控制,只能依靠经验,针对不同的围岩类别,实施不同的钻进压力、转速和适时装配稳定钻杆进行控制。反井钻机的钻杆分为普通钻杆(1m)和稳定钻杆(0.5m),差别在于后者比前者外周多了均匀分布的3cm厚的钢肋板,其作用是导向,防止钻杆随深度的增加旋转产生过大弯曲、过大摆幅,起到稳定的作用,同时保护钻杆与孔壁的接触磨损。采用的稳定钻杆的加设方法如下：钻进2m时必须加设1根,钻进8～10m时再加设1根,然后每钻进15m加设1根。实践证明上述方法较为合理、安全、稳妥。先导孔开始施工时一般采用副泵提供较小的、均匀的动力,以免孔口周壁因振动过大开裂而难以成型。

4.1.1钻进参数

根据本工程施工揭露的地质条件，总结导孔钻进参数见表1。

4.1.2开孔钻进

开孔钻进使用了开孔扶正器。开孔钻进时开孔扶正器和开孔钻杆配合慢速开孔，并启动泥浆泵供浆，进行护壁和排渣。

4.1.3导孔钻进

通过导孔钻进124m施工总结分析，导孔钻进要着重做好以下几点：

（1）一般情况下，导孔钻进转速应高于开孔钻进转速，所以应调节动力头转速，可以用Ⅱ档或Ⅲ档，一般情况下，对于松软地层和过渡地层采用低钻压，对于硬岩和稳定地层宜采用高钻压。

（2）离钻透下平段3m左右时，应逐渐降低钻压。

（3）对于导孔钻进返出的岩渣，必须及时清理，防止岩渣堆积，岩渣清理由人工配合手推车共同完成。

（4）一根钻杆完成后，必须等孔内的岩屑全部排出后，才能停泵接卸钻杆。

（5）导孔钻透后，停止泥浆（水）循环，但钻机不能停转，开始向孔内加清水，直到钻机转动平稳，扭矩变化不大时才能停钻。

（6）钻进导向孔时，如发现钻具旋转困难时，可能遇到裂隙或岩层塌落，此时应把钻具边旋转边提到一定高度，再慢速向下扫孔，若经反复扫孔，仍无效果时，提钻等查明原因进行处理。

斜井先导孔施工实际共钻进了185.4m（钻孔至61m时因卡钻而移位重钻）,最大单日进尺18m,平均6m/d(处理反井钻机故障、卡钻除外)。斜井施工时曾多次出现反井钻机机械故障,并曾出现塌孔、大量漏水等异常现象。

4.2φ1400mm扩孔施工

4.2.1拆导孔钻头接扩孔钻头

导孔钻透后，将扩孔钻头和导孔钻头拆卸工具运到斜井下口，通过对讲机或电话上下联系，上下配合拆下导孔钻头接上扩孔钻头，形成出渣系统后，就可以向上扩孔。

4.2.2扩孔钻进

在扩孔开始前，检查处理距孔中心1.5m范围内扩孔工作面的平整和有无锚杆，对工作面凸起的岩石用风镐等找平，有锚杆要先行取掉。

当扩孔钻头接好后，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(5～9rpm)旋转，并慢慢给进、保证钻头滚刀不受过大的冲击而破坏，给进一下后停转，等刀齿把凸出的岩石破碎掉，再继续给进，当钻进至5m以上，即可正常扩孔钻进。扩孔钻进时，发现排渣不畅，钻头激烈晃动，压力不稳，钻进困难时，可能有大块渣石落在刀盘上磨挤刀具所致，此时将刀具下放一定距离，多次高速旋转，将渣石甩掉，若无效果时，把钻头下放到底进行处理。

开始扩孔时钻头全部均匀接触岩石后，才能正常扩孔钻进。为保证钻机和滚刀的使用寿命，一般将系统压力限制在17MPa之内。在扩孔过程中，当岩石硬度较大，可适当增加钻压，反之可以减少钻压。扩孔钻进时要及时清理扩孔破碎下来的岩屑，防止下口被堵塞。扩孔过程也是拆钻杆的过程，拆下的钻杆要进行必要的清理，上油后带好保护帽。

钻进施工中要求有较为稳定供水量,以使刀具能得到水冷却,供水量要求不小于7.8m3/h。扩孔施工时,钻杆的拆卸要特别注意钻杆卡瓦正确摆放及自身的完好程度,以免出现卡瓦突然断裂,造成扩孔钻头、钻杆脱落。

4.2.3完孔

当钻头钻至距钻机基础2.5m时，要降低钻压慢速钻进，并且要认真观察基础周围是否有异常现象；如果有，要及时采取措施处理；慢慢的扩孔，直至钻头露出地面。

4.2.4拆机

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,将主机从钻架上拆掉，将钻架主机车和一些辅助设备拆下。将扩孔钻头吊牢，将轨道拆掉，将钻头提出孔外。然后将操作车吊上来，再将泵车、油箱冷却器拆下，分别运出洞外。全部钻孔工作结束。

斜井扩孔施工实际共钻进了124.4m扩孔,最大单日进尺28m,平均16m/d(因反井钻机故障、钻杆断裂除外)。

4.3不良地质段施工处理措施

在斜井中上部断层破碎带、溶蚀现象发育有松散堆积体等不良地质段施工时，导孔钻进过程中出现漏水严重和塌孔现象，若不及时处理将会出现卡钻现象，影响正常钻进施工。根据以往施工经验，施工中采取以下预防和处理措施：

4.3.1泥浆护壁

在斜井上部0～20m范围断层破碎带洞段，采用优质膨润土泥浆和水泥、优质膨润土双重泥浆，作为洗井液进行导孔清渣和护壁，效果较明显。

4.3.2导孔固结灌浆

在斜井中上部20～46m范围，围岩溶蚀现象较发育，出现塌孔和不返水、返浆现象，为避免岩渣排不出来而造成二次卡钻影响斜井施工，对塌孔和不返水段进行灌浆护壁处理，等强后再进行二次钻孔，累计导孔固结灌浆74.5m，二次扫孔74.5m。

4.3.3卡钻处理

在反井钻机一次导孔钻进至61m时因地质原因出现塌孔和卡钻现象，钻具不能提升和下降；采用高压风、水等方式对孔壁及孔底渣体反复进行清理，处理历时1.5个月仍然无效后，采取将反井钻机向右侧平移90cm,然后重新开孔钻进，导孔贯通后再进行扩孔施工。二次开孔吸取一次开孔经验，并采取了合理有效地措施，施工过程中非常顺利，从开孔至扩孔结束历时1个月。

5结语

??将反井钻机应用于500缓斜井,在保证安全的前提下顺利地完成了施工任务,这是一次新技术应用的成功典范,同时在未来水电工程施工应用中前景广阔,特别是在保证施工安全方面,该方法值得借鉴与推广叙述如下：

?（1）反井钻机机身实际操作角度不小于60°，通过调整基础混凝土面的角度，来增加机身实际操作角度，从而解决了钻机在缓倾角斜井施工中的操作角度问题。

（2）缓倾角斜井导井施工速度不宜过快，最好保持连续钻进，这样产生上下偏差的几率较小。钻孔一但出现偏斜，采用扫孔纠偏的方法效果不明显。

（3）反井钻机的工作原理较为先进,能适用于缓倾角斜井施工,与其他导井施工方法相比较,具有一定的进度优势和明显的安全优势。

（4）施工中要注意钻进速度,不能盲目追求高进尺,否则容易造成导孔偏斜率偏高而难以控制,甚至扭断钻杆。

?(5)加设、拆卸钻杆时要特别注意施工方法,钻机压力应适中、均匀,以防钻杆脱落,造成难以处理的工程事故;

?(6)就现有的性能而言,LM-200型反井钻机适用于深度在150m以下、可一次性贯通、并且在斜井施工中具有足够的安装工作面。

参考文献：

1.钱永平;王仕虎;反井钻机在惠州抽水蓄能电站长斜井导井施工中的应用[A];抽水蓄能电站工程建设文集（2011）[C];2011年

2.董洪星;LM-120型反井钻机施工斜井技术及研究[J];河北煤炭;2008年05期

3.李存宗;;浅谈反井钻机在施工中的应用[J];甘肃农业;2011年04期