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反井鉆機

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反井鉆機正文內容1.jpg

在水利水電地下工程施工中,采用豎井和斜井結構型式的水工建筑物較多,常見的主要有引水系統中的斜井或豎井、調壓井、閘門井、出線井、通風井及交通井等。由于豎井及斜井施工具有工作面窄小、通風困難,工人高空作業、受到炮煙、落石、淋水和粉塵的危害等不安全因素較多。豎井、斜井施工素有“咽喉工程、死亡之谷”之稱。因此豎井及斜井施工歷來都是水電施工行業的難點和重點。
斜井和豎井施工方法有全斷面一次開挖法和導井開挖法兩種方式,其中傳統導井法開挖方式有正井、反井或正反井結合法。反導井施工通常采用吊罐法、爬罐法或深孔分段爆破法,傳統導井法施工目前在水利水電工程中應用比較普遍,施工工藝應用得較為純熟。但需要人員及設備至開挖掌子面進行鉆爆施工。因此在施工過程中均不可避免地存在著安全隱患,而通風散煙困難,進度也容易受限制等。據統計,深度在100m左右的洞室導井開挖一般日平均進尺在1~1.5m左右。人工導井施工方法對井深有一定的限制,深度越深,施工難度越大、安全隱患更多。
反井鉆機導井法施工于1950年在北美首先發展,60年代中期,這種方法在歐洲,特別是德國開始受到歡迎,當時反井鉆機鉆孔直徑可達1.2m,深度為150~200m,而到70年代初期,鉆孔直徑可到2.0~2.4m,鉆孔深度可達250~500m。發展到今天,世界上已有眾多廠家生產反井鉆機,典型的有美國羅賓斯公司可提供28種型號的產品,鉆孔直徑從1.2~6.0m,鉆孔深度可達900m;德國維爾特公司生產的HG100、160、210、250、330SP系列,鉆孔直徑從1.4~6.0m,鉆孔深度可達1000m。我國自70年代開始研制反井鉆機,并先后在媒炭和冶金系統中應用,產品多集中于小直徑擴孔的反井鉆機,典型產品有蘇南煤機廠生產的LM-90、LM-120、LM-200系列、長沙礦山研究院生產的TYZ1000、TYZ1200、TYZ1500系列及西北有色冶金機械廠生產的的AF-2000等,鉆孔直徑為0.9m~2.4m。
1992年水電系統第一次引進反井鉆機,在十三陵抽水蓄能電站的出線洞、調壓井和高壓管道斜井等工程上使用反井鉆機進行導井法施工,并取得了較好的施工效果。此后反井鉆機又在河南小浪底水利樞紐工程、山西萬家寨引黃入晉工程、云南大朝山水電站通風豎井(四條總長486m)、貴州三板溪水電站、云南小灣水電站、湖北水布埡地下廠房等工程的豎井及斜井施工中發揮較大的作用。
雖然反井鉆機導井施工法在水電工程豎井和斜井施工應用中,已取得了不少成功的實例,但由于國外反井鉆機價格不菲,成本較高,一般單位難以接受,目前國內水電行業中還未應用。國內反井鉆機雖價格適中,但目前在中軟巖中應用尚還可以,在硬巖中仍有技術問題尚需改進,且施工中特別在鉆進中遇到不良地質地段經常出現卡鉆、埋鉆等事故,嚴重影響鉆孔精度和速度,甚至使鉆孔報廢。因此反井鉆機導井施工法,還需進一步探索與實踐,總結施工經驗,行成一套完整的施工工藝,并將其予以推廣,為水利水電建設事業的發展盡微薄之力。 煤礦、金屬礦和非金屬礦、水電站和蓄能電站、人防工程、交通、鐵路和隧道、軍事工程等地下工程施工環境、工程參數(深度、直徑和傾角等)、地質條件(巖石巖性、硬度、抗壓強度、構造等)千差萬別;如何正確地配備合適的施工機具、制定先進的施工工藝、合理選擇各種參數、落實可靠的安全措施是反井鉆井施工成敗的關鍵。
1. 設備選擇的依據
根據豎井或斜井施工的綜合條件,在確定采用反井鉆井法施工后,即要開始選擇反井鉆機和配套設備及工藝選擇。選擇設備主要依據是:
(1) 工程條件。主要包括工程性質、用途、主要技術參數(井孔深度、終孔直徑、井孔傾角度等)、相關工程狀況。根據施工井筒的深度和傾角等要求,結合現有設備及市場情況確定鉆機。
(2) 地質條件。包括巖石的物理力學性質、巖體產狀、主要地質構造及參數、水文地質條件等。對于深孔、斜孔,應有鉆孔位置的勘探孔資料和地質柱狀圖。根據施工井位的地質構造及巖性,確定沖洗液為泥漿或清水,從而選擇用泥漿泵或水泵。
(3) 施工條件。運輸條件,吊裝條件以及供電、供水情況。根據井位供電、供水、運輸及井位下水平巷道開通情況確定鉆機的類型。一般在井位處應有供電、供水,具有鉆機工作空間,在下水平巷道開通的情況下,選擇上擴法施工,應選擇上擴類全斷面反井鉆機。在煤礦多選擇電驅動液壓反井鉆機。
2. 可行性分析和風險評估
對工程施工條件進行分析,包括上下水平隧道是否形具有運輸、出渣、供水、供電、通風等生產系統;
對地質條件進行分析,分析圍巖在反井鉆井施工過程中和擴孔期間能否穩定,不發生較大的涌水和塌方,造成鉆孔堵塞和下部設施淹沒。因為在反井施工期間,無法進行支護,若圍巖不能自穩,發生塌方,將會堵塞鉆孔,造成事故;
對施工位置安全狀況進行分析,包括交通運輸、通風、隧道支護情況及穩定情況、洪水、有害氣體等是否對施工人員和設備傷害程度。
綜合以上分析,以確定是否具有采用反井鉆機施工可能。
3. 反井鉆機選擇
3.1 鉆孔參數的確定
工程本身已確定了鉆孔深度和傾角,還要確定擴孔直徑。鉆孔的作用是溜渣、排水、通風,因此要有足夠的斷面強。需要再擴挖(刷大)的工程,擴挖期間不發生堵塞。擴孔直徑太小,除了容易發生堵塞外,還增加了擴挖時打眼和出渣工作量,降低擴挖速度。導井直徑過大,反井鉆井施工成本增加,因此,鉆孔直徑選擇必須合理,一般鉆孔直徑選擇如表4-1。
表 4-1 鉆孔直徑選擇參考
開挖直徑(m) 通風井等偏斜精度要求低的工程 井筒、壓力管道等偏斜精度要求高的工程
<2 一次鉆成 一次鉆成
2~3 一次鉆成、用兩個小直徑孔代替、導井直徑1m后擴挖 導井直徑1m后擴挖
3~5 導井直徑1~1.5m后擴挖 導井直徑1~1.5m后擴挖
5~7 導井直徑1.5~2m后擴挖 導井直徑1.5~2m后擴挖
>7 導井直徑2m后擴挖 導井直徑2m后擴挖
3.2 選擇破巖滾刀
反井鉆機靠滾刀對巖石的擠壓、刮削和剪切破碎巖石,根據巖石的礦物構成、硬度、磨蝕性以及抗壓、抗拉、抗剪等力學指標來確定滾刀齒形類型,選擇如下:
巖石的磨蝕性:低→中→高;
硬度:軟→中硬→堅硬
齒形:楔齒→錐形→復合型→球形;
滾刀結構:單刃盤形滾刀(無鑲齒)→多刃盤形滾刀(刀刃上鑲齒)→無刃滾刀(刀體錐面鑲齒)。
反井鉆機滾刀選擇后,根據巖石條件在擴孔鉆頭合理布置滾刀,也就可以確定,破碎巖石需要的最大鉆壓。
如在抗壓強度100MPa的巖石中,鉆進深度200m、直徑1.4m的鉆孔,在擴孔鉆頭上需要布置6把中硬巖滾刀,每把滾刀需要約30kN破巖壓力,整個鉆頭的破巖鉆壓180kN。
3.3 鉆桿選擇
鉆桿包括普通鉆桿、穩定鉆桿、接頭鉆桿,選擇鉆桿時要滿足拉力和扭矩共同作用下的強度、剛度要求,同時要達到一定的抗疲勞破壞能力,鉆桿連接絲扣要有通用性和互換性。鉆桿選擇完成后,鉆桿的重量是影響鉆機選擇的因素。如有效長度1.0m、外徑182mm的鉆桿,重量約155kg。穩定鉆桿和接頭鉆桿外徑,要予導孔鉆頭外徑匹配。
3.4 反井鉆機的選擇
首先根據鉆孔深度、鉆孔直徑,初步選擇相應的反井鉆機,然后對鉆機的主要技術參數進行驗算:
實際工作拉力=動力頭重量+擴孔鉆頭重量+鉆桿重量+最大鉆壓
實際工作扭矩=破巖阻力矩+摩擦阻力
如在抗壓強度100MPa的巖石中,鉆進深度200m、直徑1.4m的鉆孔,可以初步選擇LM-200型反井鉆機(其參數前面以作說明),進行鉆機拉力和扭矩驗算:
實際工作拉力=40kN(動力頭及油缸重量)+25kN(擴空鉆頭重量)+200m×155kg×9.8(重力加速度)/1000+180kN(鉆壓)=548.8kN扭矩
一般要求實際工作拉力不超過鉆機設計最大提升力的60%,扭矩不超過設計最大扭矩的60%。在本例中LM-200型反井鉆機最大拉力為850kN,實際工作拉力/最大拉力比是64.5%,LM-200型基本上滿足工程要求,但也可以選擇更大的型號的反井鉆機。

4.鉆頭及刀具的選擇

4.1導井鉆頭的選擇
導孔鉆頭本身及導孔鉆頭與地層的匹配關系,對鉆井的偏斜和鉆進速度影響很大。軟巖鉆頭采用較小夾角的長楔齒或碳化鎢一字形鑲齒;硬巖鉆頭則采用較大夾角的短楔齒或碳化鎢半球形鑲齒。此外,軟巖楔齒或鑲齒之間的間距比硬巖楔齒或鑲齒之間的間距大。理想的反井導孔鉆頭應具有硬巖鉆頭設計的大多數特性,以獲得最小的鉆頭移步量和最大的邊刀強度。同時還應具有中等范圍的內列切割結構,以便在低鉆壓下能夠獲得最大的鉆進速度。
近年來鉆頭設計甚至是軟巖鉆頭設計都趨向于采用碳化鎢鑲齒刀具,如選用碳化鎢半球形鑲齒短型球齒的導井鉆頭,既滿足了鉆頭和地層的匹配關系,又減少了鉆頭本身的移步量。
反井鉆機導孔鉆頭一般為三牙輪鉆頭,三牙輪鉆頭可分為銑齒鉆頭和鑲齒鉆頭。銑齒鉆頭主要用在低抗壓強度、高可鉆性巖層或沖積層到半磨蝕性巖層中,反井鉆機一般不采用。鑲齒鉆頭主要用在磨蝕性強的高抗壓強度的巖層中。導孔鉆頭的選擇,應根據工程巖石情況,比廠家推薦的鉆頭適用范圍高一級使用。
4.2擴孔鉆頭的選擇
擴孔鉆頭由刀具、刀盤體、中心管、穩定器、冷卻裝置等部分組成。根據擴孔方式分為一次擴孔鉆頭和分次擴孔鉆頭。反井擴孔鉆頭結構如圖4-3所示。
擴孔鉆頭應根據巖石的堅硬程度來選擇,有鑲齒滾刀、盤形滾刀,可參照下表選用。

滾刀類型表
滾刀類型
適應巖石類型
巖石單向抗壓強度(MPa)
盤型滾刀 鑲齒滾刀
(ZY)
鈣質膠結礫巖,堅固的頁巖、堅固的泥灰巖、砂眼、泥灰質石灰巖、致密灰巖、片麻巖
≤110
盤型滾刀 鑲齒滾刀
(Y)
堅固的石灰巖、堅固的砂質頁巖、石灰質膠結的致密砂巖、白云巖
110~160
鑲齒滾刀
花崗巖、石英巖、輝綠巖、玄武巖等
160~200

4.3 破巖滾刀
破巖滾刀是反井鉆井技術的關鍵工具,特別是硬巖反井破巖滾刀。在大部分水電站,壩址巖石堅硬,如山東泰安抽水蓄能電站、四川自一里水電站、吉林白山水電站、福建穆陽溪水電站等,多為花崗巖地層,巖石堅硬,單軸抗壓強度達到310MPa,這類巖石石英、長石等磨粒性強的礦物含量在70%以上。如在泰安抽水蓄能電站使用普通滾刀,其壽命只有5~10m,工效非常低,破巖刀具費用達到1萬元/m以上,這樣必將限制了反井鉆機作為工程設備的推廣應用。為此,我公司,對硬巖反井破巖滾刀進行了專項研究,研制出特殊的極硬巖滾刀,在工程應用時其壽命達到125m以上,并經多個項目不同巖石條件應用實踐,硬巖滾刀可以滿足不同工程需要,解決了硬巖地層中鉆進反井的難題,使反井鉆機能夠較高效地破碎巖石,提高了反井鉆機功效,降低了工程成本。
 

 

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