抽水蓄能电站斜井反井钻施工技术的改进与优化

抽水蓄能电站斜井反井钻施工技术的改进与优化

李健

中国水利水电第三工程局有限公司，陕西 西安 710000

摘要：建设斜井导井是抽水蓄能电站面临的主要且难度较高的地下项目。通常，斜井施工会使用反井钻的方式。本文主要围绕反井钻施工技术展开分析，期间还就卡钻问题进行了有关讨论，最后明确了不同技术的适用情况。

关键词：抽水蓄能电站；斜井反井钻施工技术；改进优化

抽水蓄能电站是电力系统中的一种储能设备，其发电稳定、使用寿命长、容量大且技术成熟，是新能源发展的关键部分。在“十三五”计划中，中国积极推进抽水蓄能电站的建设，旨在满足对新能源的广泛开采需求，确保电网的稳定性和可靠性。目前，电力系统的核心任务是确保电网的安全和稳定，而抽水蓄能电站则负责实现调节电量、吸收和利用新能源的多重作用。通常，抽水蓄能电站的地点会选择在坚硬的岩石上，这样可以保证水的输送和尾水系统的顺利建设。抽水蓄能电站的主要开挖手段之一就是斜井建设。斜井建设的难度在于其无法进行垂直运输，这使得其在导向控制和体型控制方面相对困难。因此，相对于竖井建设，斜井建设的挑战更大。按照建筑标准，对于断面面积超过18m2的斜井，首先应进行导井的挖掘，然后再将其扩展到设计的开挖边界，所以导井开挖是非常关键的。

一、反井钻概述

采用反井钻机法进行施工建设时，首要步骤是开挖斜井的导孔，然后逐步扩大以形成导井。依照斜井的长度和导井的大小来决定反井钻的类型、导孔的直径以及扩孔的直径。在十三陵抽水蓄能电站2号下斜井的建设中，首次使用了反井钻机，这种方式能够实现斜井的深度控制，其倾斜度不超过60°。

（一）斜井导孔施工

目前，我们在国内使用的斜井导孔施工手段主要包括两种：利用反井钻进行斜井导孔的开挖建设以及采用定向钻进行斜井导孔的开挖建设。

1.反井钻开挖斜井导孔

这种操作方式主要依赖于电机驱动的液压马达，这个马达会推动水龙头，然后借助液压的力量把扭矩输送到钻具系统，从而使得钻杆和钻头能够进行旋转。此外，由于主机油缸所施加的轴向拉力、压力，会被动力头、钻杆传递给导孔钻头，从而让其滚刀在钻压的影响下进行旋转，形成冲击负荷，进而让滚刀的齿轮对岩石施加冲击、挤压以及剪切的效果，最终将其粉碎。清水或泥浆被用于清洗井液，这些液体是通过冲洗泵输送的。然后，它们会穿越空心的钻杆，最终从导孔的钻头中喷射出来。在这个过程中，它们会在孔壁和钻杆之间的环状区域内逐渐升高，最终把岩石碎片带离出导孔。

2.定向钻开挖斜井导孔

定向钻井就是通过定向的钻井技术来操纵井孔的路径，以达成设定的目的。20世纪50年代，我国开始使用定向钻技术进行石油勘查。现在，定向钻井技术已被广大企业所采纳，并在石油领域中占据了重要的地位。在进行长斜井的导孔作业过程中，定向钻的孔斜偏差极低，这一点比使用反井钻进行作业的效果更为出色。此外，其导孔的直径和弯曲程度都可以达到反井钻扩孔的标准。

二、反井钻扩孔施工

反井钻机利用了扩孔滚刀钻头，将其从斜井导孔的底部反向推进。将岩石碎片直接投入到斜井底部的平洞中，利用装载机与运输工具，立即进行清洁并搬离。

（一）卡钻问题实例

在一个长度为290米的引水下斜井正导孔中，由于孔洞的扩大导致了钻头的阻塞，使得其不能再向下延伸。因此，选择把刀盘下移到井底以便进行更深入的检测和处置。

当刀盘移动到距离井口大约67米的位置时，出现了卡顿，导致刀盘无法继续移动。接着，通过上、下移动刀盘，以及增强钻机的扭矩与推进力来进行处理。多次操作之后，发现刀盘被固定在了67m的沟槽中。在这期间，5把滚刀和刀座遭到破坏并坠落到了下井口。通过使用高清摄像机对反导井的下井口区域进行拍照，观察到大概1米的刀盘部分坠入了由破碎岩层构成的沟槽中。

（二）处理策略

第一种策略是在适当的位置地点设计一条施工支洞和导井相交，等到支洞和导井连接起来之后，再进行刀盘的卡钻操作；另一种策略则是，选择一个恰当的方法，把工作人员送到刀盘的卡钻点，然后对刀盘进行气割和拆卸。不管是上述哪种策略，都需要大概100万的资金投入。然而，如果选择使用方案三钻设辅助孔，那么这个过程大概需要50万的经济成本，这极大地减少了处理成本。接下来便对第三种策略方案进行详细分析。

（三）处理施工

1.施工准备

（1）对于上井口和下井口的工作区域实行严格的封锁，禁止任何非工作人员进入，同时也配备了专门的保安。关闭反井钻井，使用卡瓦将钻杆与刀盘固定住，任何未获授权的人员都无法操纵钻机。

（2）利用聚光探照灯在下井口处照明，并运用高分辨率的摄影设备来拍摄，同时也会对刀盘、刀盘卡钻区域的四周和已经开始挖掘的导井区域加以勘测。依据成像数据，探究卡钻的具体原因，并依据卡钻的实际状况制定应对策略。

（3）利用全站仪来准确地测量刀盘的卡钻部分，以便精准地定位其所在的地点。辅助孔孔位布置见图1。

图1 辅助孔孔位布置图

2.受力分析

（1）登山绳受力

按照80kg的标准来衡量工作人员的体重，登山绳的拉力应达到16倍的标准，也就是80*16=1280kg。购买的攀岩绳的直径为10毫米，每根长度为240米，其断裂拉力达到3200公斤，符合标准。在廊道底部的锚杆安装登山绳。

（2）沟槽部位刀盘受力

图2 刀盘部位受力分析简图

图3 与导井岩壁接触点钢丝绳受力分析简图

①单根钻杆长度为1.5米，重达400千克，单米钻杆自重约为267千克，依照20米考虑，取其二分之一计算，可得如下结果：

267*10/1000=2.67t；

②刀盘重量设定为6t，将钻杆与刀盘的重量相加，得出：

6+2.67=8.67t。

③在进行刀盘的吊装操作时，无需计算沿导井轴线的拉力。而在起吊的时候，则根据导井轴线的垂直方向来确定受力：

8.67*cos55°=8.67*0.573=4.97t（取5t）

④在考虑到刀盘卡钻凹槽的摩擦力时，将其设定为1.2倍的系数，并且，当刀盘被吊挂在垂直于导井轴线的地方时，其受力分析如下：

5*1.2=6t。

⑤对于辅助孔底部和导井岩壁的连接处的钢丝绳的受力进行了研究。将接触点和刀盘吊点的垂直受力角度的最大误差设定为27°，那么接触点和刀盘受力表述如下：

6.0/cos27=6.73t。

⑥对于接触点之上的受力加以分析，简化了摩擦阻力，并采用了相应的系数来进行运算：

6.73*2.5=16.8t；

依照前述的力学分析，我们选择了用于起吊的手动葫芦和钢丝绳。

①采用20t的手拉葫芦来操作刀盘的起吊过程。

②决定采用19.5mm的钢丝绳，6*36WS的设计，1770的强度等级，其最高的断裂能力达到239.5千牛，而抗拉力则接近24吨。

另外，还需要执行如起吊、下放刀盘等步骤。

总结

斜井施工具有很大的挑战和风险，因此在制定关键的施工计划时，需要根据实际情况先提出初步的方案，然后召集相关人员进行讨论，集思广益，查找并修正缺陷，重复数次最终确定方案。在水电项目的斜井导井开挖过程中，反井钻施工技术具有显著的优越性。在施工过程中，全部采用了机械设备，没有人员参与，这样的操作风险极低，满足了基本的安全标准，同时，导井的质量也很高，挖掘的速度也非常快。此外，定向钻的导孔倾斜度极低，符合长斜井建设的需求。在200m和低于200m的斜井导井开挖中，“反井钻钻导孔+反井钻扩孔”是首选的方法，而在200~400m的斜井导井开挖中，“定向钻钻导孔+反井钻扩孔”则是首选的方法。对于超过400米的斜井导井，可以进行分段施工，并在其中设立施工支洞。

参考文献：

[1]刘国中.黄家湾首部枢纽工程引水发电洞竖井段反井钻机施工技术研究[J].黑龙江水利科技.2021(2).

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[3]秦政,陈建伟,李功子,等.复杂环境下竖井掘进与局部爆破开挖组合施工技术研究[J].水利水电技术（中英文）.2023(3).