反井钻机施工斜井、竖井技术介绍

2010-04-23刘福生王红霞

水电站设计 2010年2期

刘福生,王红霞,方俊

(1.四川二滩国际工程咨询有限责任公司,四川成都 610072;2.四川电力职业技术学院,四川成都 610072)

1 反井钻机施工竖井、斜井、导井

1.1 反井钻机施工导井技术

反井钻机是连续钻进导井(反井)的机械设备,其施工工艺是先由上水平向下钻一小直径(200～350mm)的导向钻孔,和下水平贯通后拆掉导孔钻头,接上扩孔钻头沿导向钻孔进行反向扩孔(见图1)。反井钻机主要包括两大部分:井外部分和井内部分。井外主要有主机、操作控制台、洗井循环系统、冷却系统、电控系统;井内部分有钻杆、稳定钻杆、导孔钻头、扩孔钻头、破岩滚刀等。由于近几年设计水平和加工工艺的提高,以及反井钻井工艺技术的完善,我国反井钻井技术有了较大发展,从浅孔发展到深孔,最大钻深已达 316m;从直孔到斜孔。从设备到工艺基本能够满足深 400m、倾角不小于45°的垂直孔或斜孔施工。反井钻机主要技术参数见表1。反井钻机施工的主要优点有:

(1)施工安全。反井钻机施工导井时,人员不需进入工作面,工作环境和安全状况都好,避免其它施工方法受落石、淋水、有害气体的伤害。此外,反井钻机采用液压传动控制,操作简单,工人劳动强度低。

(2)工作效率高。反井钻机施工为机械化连续作业,月成井速度在 200m左右,其它施工方法很难达到。

图1 反井钻机施工导井示意

(3)工程质量好。反井钻机采用滚刀机械破岩,井壁光滑,对围岩破坏小,有利于扩挖溜渣、通风、排水。

(4)由于反井钻机效率高,加快了施工速度,为后期施工创造了良好的条件,综合效益显著。

1.2 反井钻机的选择

为了充分发挥反井钻机的优越性,必须根据工程条件、地质条件等合理地选择反井钻机、正确地确定钻进工艺,选择掌握一定机械、地质、钻井等方面知识的操作人员。如果选择不当,可能会出现问题或发生事故。设备选择主要依据和步骤如下:

1.2.1 反井钻机选择主要依据

工程概况:包括工程性质、用途、主要技术参数(井孔深度、终孔直径、井孔倾角等)、相关工程情况、相关工程施工进展情况。

表1 国内部分类型反井钻机主要技术参数

地质条件:包括岩石的物理力学性质、岩体产状、主要地质构造和参数、水文地质条件等,对于深孔、斜孔,应有钻孔位置的地质勘探孔资料和地质柱状图等。

1.2.2 选择步骤

1.2.2.1 可行性研究和风险评价

对工程概况和地质条件进行充分研究,确定是否具有使用反井钻机施工条件:包括在上下水平隧洞内能否形成运输、出渣、供水、供电等生产条件;围岩在反井钻井施工过程中和扩挖期间能否稳定,不发生较大的涌水和塌方。因为,在反井施工和扩挖期间,导井无法安设临时支护,若围岩不能在这段时间内稳定而发生塌方堵塞导井,会造成严重事故。因此,采用反井钻机施工前,必须对此进行充分的研究和论证。

1.2.2.2 导井技术参数的确定

工程本身已确定了钻孔深度和倾角,现在要确定导井直径,也就是反井钻机扩孔直径。导井的作用是溜渣、排水、通风,因此要有足够的断面和空间,保证扩挖时不被堵塞。导井直径过小,除了容易堵塞外,还增加了扩挖时打眼和出渣工作量,降低了扩挖速度;导井直径过大,成本大大增加。因此,导井断面选择必须合理,一般按表2选择。对于扩挖直径超过 10m的工程,导井直径可选择在 1.5m左右,先由下向上扩挖至 4～5m,后再扩挖至设计断面,这样可加快施工速度,降低成本,减少导井堵塞。

表2 导井断面直径选择

1.2.2.3 破岩刀具的选择

破岩刀具包括导孔钻头和扩孔滚刀。导孔钻头一般按生产厂家推荐的适用范围选择,但在反井钻机钻进导孔期间,最好不更换导孔钻头,所以应选择适用于硬岩的钻头。扩孔钻头选择滚刀时,主要根据岩石的硬度、磨蚀性来确定滚刀的齿形和布置。反井钻机一般采用镶齿结构,选择如下:

1.2.2.4 反井钻机的选择

首先根据钻孔深度钻孔直径,初步选择相应的反井钻机,然后对钻机的主要技术参数进行验算:

转速根据钻头类型、直径以及滚刀结构确定。一般要求提升力不超过钻机设计最大提升力的60%,扭矩不超过设计最大扭矩的 70%。

1.2.2.5 钻机辅助设备的确定

反井钻机的主要辅助设备是泵,泵用于导孔钻进时洗井液循环。根据不同的地质条件,洗井液可采用泥浆或清水,泥浆作洗井液时除有将岩屑带到孔外的作用,还对地层有一定的支护作用。用清水钻进时一般可用离心泵,用泥浆钻进时必须采用柱塞式泥浆泵,泵的排量和泵压必须满足要求。

1.3 反井钻机施工导井所需现场条件

(1)供电。提供不小于钻机功率 +泥浆泵功率+冷却水泵 +照明的电源,电压一般为 380V,将四线电源接到井口,并设总控开关。

(2)供水。要求清水每小时不小于 15～20m3,接到井口,设控制阀门。其作用是导孔钻进时循环排渣、冷却液压系统和扩孔时冷却破岩滚刀和降尘。

(3)道路。可以是临时公路,可通行吊车,能够将最大件设备运到井口。

(4)场地。施工现场可同时摆放汽车和吊车,能够进行设备装卸。在井口 8～10m范围内平整场地即可满足反井钻机施工要求。

(5)临时工程。根据不同类型钻机,以井筒为中心浇筑混凝土基础(预留地脚螺栓孔),标号不低于 C25,上部和地表平。开挖长 3m、宽 2m、深 1.5m的循环池,并作简单的防渗处理。

1.4 施工顺序及时间(见表3)

表3 施工顺序及时间

1.5 施工情况及技术统计

国内某电站厂房尾水隧洞开挖,首先开挖施工支洞,当其到达主洞位置后,向地下厂房和出口两个方向开挖主洞,此时通风效果很差,影响正常施工。设计的 T4通风竖井,采用人工正井法施工,月进尺只有几米,完成 138m通风竖井需要一年多,难以解决通风问题。反井钻机进场后,调整了井位,并利用原人工开挖的 6m小井作为泥浆池,用 8天时间完成导孔,此时,施工导洞还没到位,等 4天后导洞开挖到位,接 1.4m直径扩孔钻头,由下向上扩孔,用15天完成 138.08m扩孔。在主洞开始开挖时,自然通风效果已能满足施工要求;距离较长时,在钻孔上部安装通风机,采取抽出式通风,效果非常好,放炮后即可进洞出渣。

次后又根据工程进展的需要,先后完成 T2通风竖井、压力管道导井、尾调室通风竖井、T1和 T3通风竖井、厂房通风竖井等工程,为电站整体地下工程建设和后期安装创造了良好的施工条件,技术统计见表4。

采用 LM-200型反井钻机共完成倾角 46°～90°、直径 1.4m的钻孔 7个,总深 825.07m。按时解决了尾水隧洞、尾调室、厂房开挖的通风问题,减少通风时间,创造了良好的施工条件,加快了工程进展。这次在坚硬的玄武岩中钻凿反井成功,为今后反井钻机进一步推广应用打下了良好基础。

表4 反井钻机施工电站通风竖井技术统计

1.6 反井钻机施工导井的技术关键

反井钻机钻导井的工艺是先钻导孔,导孔钻进时间和工作量虽占总工作量很少部分,但却关系到导井施工的成败。导孔的偏斜也就是扩孔后整个导井的偏斜,特别是对于深孔和斜孔,偏斜更易发生,必须认真研究,在施工中给予足够的重视。影响导孔精度的因素很多,如地质条件、钻机结构、钻具布置、钻进参数选择和操作人员的技术水平等。

反井钻机钻进导孔和石油钻井有相似之处:钻孔直径都在 200～350mm,反井钻机所用的钻头是石油钻井采用的镶齿三牙轮硬岩钻头;两者也有许多不同之处:反井钻机的孔深远小于石油钻井,而且钻孔精度要求非常高,一般石油钻井采用的测斜纠偏设备都很难直接用在反井钻井中。因此,必须认真分析钻孔的地质条件,确定钻具布置,制定需采用的钻进参数,并对钻进过程中可能发生的影响钻孔质量的事故进行预测,作到心中有数。在实际钻孔中,应对参加施工人员进行培训,使其全面掌握所制定的施工方案,并高度重视钻机安装、开孔钻进、钻进参数控制、复杂地层通过等重要钻进工序,以减少影响钻孔质量事故的发生,保证钻出高精度的钻孔。

2 竖井、斜井扩挖

利用导井扩挖和普通凿井有许多类似之处,都需布置提绞设备、井架,在井内铺设压风、供水、下料等各种管线,在扩挖过程中靠打眼放炮破碎岩石,并进行临时支护和永久支护。但占总施工工序 1/3～1/2以上的装运、排水等工序,可以转到下水平段装运和排出,大大缩短这些工序所占的时间。扩挖工艺可分为从上向下全断面扩挖,分级扩挖。分断面扩挖和由下向上扩挖,这些工序的选择主要根据是导井直径、井筒开挖直径及岩石条件。