水电工程大直径反井钻机一次扩孔成型施工技术的应用

汤 正 于见水 许 峰

(1.北京中煤矿山工程有限公司,北京 100013;2.矿山深井建设技术国家工程研究中心,北京 100013)

水力发电是利用水的势能转换为电能,因为其廉价无污染、且绿色节能,是可再生资源,所以水力发电已逐渐代替化石能源成为发电领域内的首选。目前,全球近五分之一的电力是由水力发电所贡献,而中国是水利资源最丰富的国家之一。2015年,我国水电总装机容量约为2.3亿千瓦,而到了2020年,我国的水电容量已达到了4.2亿千瓦。考虑到我国对水利资源的开发和重视,同时随着“节能减排”和开发清洁能源等相关政策的制定和实施,我国水利水电行业的发展潜力巨大[1]。与此同时,随着开发条件较好的江河位置已开发完毕,地下厂房式水力发电站、引水式电站等大量以地下工程为主的水力发电系统,需要建设输水发电的压力管道、电缆、电梯、通风、调压等许多竖井、斜井工程。这其中,压力管道井(也称引水竖井)是产生发电势能的主要工程结构,一般有垂直和倾斜两种布置方式,斜井的角度一般为45°～60°,压力管道的长度一般为200～600 m,压力管道上口和引水隧洞连接,下部连接到地下厂房,上下都有施工支洞到达,可以使用反井法施工[2]。

而相对于水电工程中常用的普通凿井法施工,作业人员需要进入到井筒内进行钻眼、装药、爆破、出渣和临时支护作业,工作环境艰苦且存在安全隐患[3]。而反井钻机施工技术以机械破岩为基础,能够连续、高效钻进,且施工安全、对作业人员无职业伤害,成井质量好。1992年4月,北京十三陵抽水蓄能电站首次使用反井钻机施工技术取得成功,随后,其他的水电工程竖井、斜井施工中,也越来越多地采用了反井施工技术[4]。如:河北丰宁抽水蓄能电站、白鹤滩水电站、吉林白山水电站、沂蒙抽水蓄能电站等采用反井施工技术施工了多条竖井和斜井[5]。

1 大直径反井钻机应用现状

在以往使用反井钻机的水电工程中,当竖井的开挖直径较大时,大都先采用小型反井钻机钻进导井,再采用钻爆法或其他方法由上向下刷大井筒的施工工艺[6-7]。但无论是哪种施工工艺,大多数仍需要布设稳绞系统,并且存在爆破及废弃泥浆排放的问题,工序复杂且工期长。因此,采用大直径反井钻机技术则成为解决这个问题的有效途径。从2000年开始,煤炭科学研究总院建井研究分院在国家科技部专项资助的“深井反井钻井技术及装备”项目的支持下,接连完成了ZFY2.0/300(BMC300)型、ZFY3.5/400(BMC400)型反井钻机的研制,并于2008年成功研发出了ZFY5.0/450/600(BMC600型)反井钻机及其配套钻具,其最大施工直径可达5.0 m,最大深度达600 m,在抗压强度达到300 MPa的极硬岩石中仍然具有较好的钻进能力[8-9]。

2009年,BMC600型反井钻机在山西王台铺煤矿成功钻进直径5.3 m,钻进深度达到168 m的风井;2014 年,BMC600 型反井钻机在白鹤滩水电站完成直径3.5 m,深度100 m 的通风井等众多井筒工程,这是水电系统首次钻成大直径井筒的反井工程;2017年,甘肃敦格铁路当金山隧道通风竖井,采用BMC600 型反井钻机施工,反井钻井井筒深度达430 m,直径3.0 m,这是我国铁路领域第一条采用反井法施工的竖井,也是国内最深的一次扩孔钻进成井的大直径深竖井工程;2020 年,BMC600 型反井钻机在神华集团李家壕煤矿钻成直径6.0 m,深度80 m 的反井井筒,这是目前国内反井钻机施工完成的最大直径反井[10]。大直径反井钻机钻井技术的应用,改变了传统的普通法需人工爆破作业以及多级扩孔的凿井方式,其作业安全、降低成本、掘进速度快、成井质量好,并且可以满足煤矿、水电、地下核矿山、公路、铁路隧道等各种工程深立井、大直径井筒建设方面的需求。

大直径反井钻机一次扩孔成型施工技术的使用和推广,对水电工程井筒建设,特别是大直径井筒建设具有重要意义,相比小直径反井钻机导井、普通法刷大的模式,极大地降低了安全风险和工程成本,弥补了井筒施工对这些工程建设工期影响的短板。

2 工程实例

2.1 工程概况

以礼河流域内共有4座梯级电站,以礼河四级电站是其中最下游一级电站,且该级电站位于下游的金沙江白鹤滩水电站库区,白鹤滩水电站经过蓄水并发电后,其水库的回水会淹没以礼河四级电站的尾水系统、地下厂房及部分引水隧洞,因此,必须在白鹤滩水电站蓄水前对被淹没的引水式发电系统进行复建。以礼河四级电站复建后的设计总装机容量达130 MW。该电站复建项目主要包括原有的电站首部枢纽、引水隧洞、压力管道、尾水隧洞、地下厂房、出线场等。

其中,新建引水隧洞包括1#、2#两条引水竖井,竖井直径均为4.5 m,其中1#引水竖井上口与引水上平洞连通,下口与引水中平洞连通,上下弯段半径为10 m,竖井垂直高度为212.069 m;2#引水竖井上口与引水中平洞连通,下部与引水下平洞连通,上下弯段半径为10 m,竖井垂直高度为217.615 m。

2.2 地质条件

1#引水竖井上平段(+1 344.7～+1 236.96 m)为Ⅴ类围岩,中部及下部(+1 236.96～+1 113.6 m)为Ⅳ类围岩,局部为Ⅲ类围岩。

2#引水竖井上平段(+1 076.735～+982.19 m)为Ⅳ类围岩,局部为Ⅲ类围岩,中部(+982.19～+974.38 m)为Ⅴ类围岩,下部(+974.38～+840.373 m)为Ⅳ类围岩,局部为Ⅲ类围岩。

两条竖井地层大部分岩石普氏硬度系数均不大于10。

该两条引水竖井井筒建设处于电站工程建设的关键线路,影响着地下工程的建设速度,工期要求紧,因此,考虑采用大直径反井钻机一次扩孔成型施工技术,一次性扩孔至4.5 m,无需二次刷大,可有效缩短施工工期。

2.3 施工方案

2.3.1 施工流程

1#、2#引水竖井顶拱部位天锚等辅助工作完成→定向钻机安装及调试→定向地质钻机270 mm 导孔施工→BMC600型反井钻机安装→反井钻机扫孔(ϕ350 mm)→安装4.5 m 扩孔钻头→竖井扩孔至4.5 m→下平洞、中平洞出渣→反井钻机拆除。

2.3.2 设备选型

引水竖井的偏斜控制要求较高,结合井筒深度、直径及岩石硬度,选用SPJ-300型定向钻机进行定向孔的施工,在施工过程中结合随钻测斜工艺,提高导孔的精度。SPJ-300型钻机主要参数如表1所示;结合本工程实际工况,采用BMC600型反井钻机进行扩孔施工,可满足施工要求。BMC600型反井钻机主要部件尺寸及技术参数如表2和表3所示。

表1 SPJ-300型钻机主要参数

表2 BMC600型反井钻机主要部件尺寸及重量[11]

表3 BMC600型反井钻机主要技术性能参数[11]

2.3.3 导孔施工

考虑到后续反井钻机施工,先将钻机基础下方破碎岩层开挖至基岩段,再用C25混凝土回填至基础平面。导孔施工关系到整个井筒的偏斜以及后续反井钻机扩孔的成败,因此,导孔施工采用定向钻具组合进行钻进,在钻进过程中使用测斜仪对钻进轨迹进行连续监测,若发生偏斜,则进行定向钻进作业,从而使整个钻井的轨迹受控,满足设计需要。钻具组合见表4。在导孔施工时,先钻进ϕ190 mm 的小孔,再扫孔至ϕ270 mm。

表4 钻具组合[12]

2.3.4 扩孔施工

(1)扫孔钻进

清理出预留的四个反井钻机预留孔,主机钢梁及主机利用吊车就位,安装地脚螺栓,反井钻机抄平找正,进行二次浇筑混凝土,养护2 d达混凝土强度后,接导孔钻头,将270 mm导孔扫到350 mm,直到扫透。

(2)扩孔钻头连接

4.5 m 扩孔钻头为塔形结构,上半部分为3.5 m 分体扩孔钻头,下半部分为4.5 m 拓展部分,4.5 m拓展部分为四块组成,全部由螺栓和胀销连接,方便拆装,便于井下运输,其结构见图1所示。

图1 4.5 m 扩孔钻头[11]

提前把分体扩孔钻头所有部件利用平板车运至导孔透孔点位置附近,在顶板平面按间隔1 m打一组起吊锚杆,利用起吊锚杆先拼接一半3.5 m扩孔钻头,拼接好后,再拼接另一半,拼接好3.5 m扩孔钻头后,把所有的连接螺栓及胀销均安装好。再用同样方法把4.5 m 拓展部分的四块拼接完成。

(3)入口处钻进

在下水平换接好扩孔钻头后,通过打点的方式告知上水平慢慢地向上提升钻杆,等到滚刀刚刚与下水平巷道顶部岩石接触,停止上提。因为巷道顶板凹凸不平,滚刀的刀齿与上水平的岩石属于不均匀接触,所以在开始扩孔钻进时使用低转速旋转,慢慢扫孔,同时用恰好提动钻具的力量慢慢给进,确保钻头滚刀不因受强烈的冲击而损坏,待刀齿把透孔点周围凸出的岩石破碎,刀齿全部接触岩石后,即可加小钻压进行钻进,直至扩孔钻头完全进入孔内。

(4)正常扩孔施工

在扩孔过程中,可根据不同的岩层、不同的深度等情况来合理地调整钻进参数,当岩石的硬度比较大时,可适当地增加钻压,反之则可以降低钻压。扩孔破碎下来的岩屑,由下水平的装运系统及时运走。同时,为了有效保护破岩滚刀,在扩孔期间需要将水从钻杆外壁和导孔孔帮的环形空间流下以冷却滚刀,或者通过钻杆直接进入到钻头的中心管,通过喷嘴直接冷却破岩滚刀。

2.3.5 完孔及钻机拆除

当扩孔钻头在上水平全部露出后,利用短钢丝绳将扩孔钻头锁在井口,将主机的一些辅助设备(转盘吊、钻杆输送器等)拆下,并把除主推缸外的所有油缸和马达油管拆除,慢慢放倒主机,拆掉主推缸油管及电机电缆,把主泵站、油箱副泵站、操作台和主机撤离工作位置至安全地带,然后将扩孔钻头与钢梁一起利用顶板吊点吊离井口,放到安全地带,接着将扩孔钻头拆解,同时将钻成的反井进行安全封闭。

2.4 工期情况统计

由于1#引水竖井工作面尚未掘进到位,在此只统计2#引水竖井施工工期情况。2#引水竖井垂直深度217.615 m,井筒直径4.5 m,导孔偏斜18 cm,偏斜率为0.83‰。2#引水竖井于2021-01-02开始扩孔掘进,1月16日顺利贯通,共用时15 d,比预定工期节点提前10 d完工,平均日进尺14.5 m,最大日进尺达到30 m。施工速度统计见表5。

表5 2#引水竖井施工速度统计

3 结 语

以礼河四级电站复建工程2#引水竖井工程,采用大直径反井钻机一次成型施工技术,开挖直径为4.5 m,深度为217.6 m 的井筒,反井扩孔期间平均日进尺14.5 m,最大日进尺达到30 m,反井扩孔施工工期仅为15 d,极大地缩短了工程建设工期。同时,该竖井为目前国内水电行业最大直径一次扩孔成井的反井钻井井筒,后续无需再进行爆破刷大,在保证施工效率的同时,既减少了爆破对竖井围岩的扰动,又实现人员“打井不下井”,以保证安全,为今后水电站竖井设计和施工提供了新的思路。