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反井钻机

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反井钻机

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在水利水电地下工程施工中,采用竖井和斜井结构型式的水工建筑物较多,常见的主要有引水系统中的斜井或竖井、调压井、闸门井、出线井、通风井及交通井等。由于竖井及斜井施工具有工作面窄小、通风困难,工人高空作业、受到炮烟、落石、淋水和粉尘的危害等不安全因素较多。竖井、斜井施工素有“咽喉工程、死亡之谷”之称。因此竖井及斜井施工历来都是水电施工行业的难点和重点。
斜井和竖井施工方法有全断面一次开挖法和导井开挖法两种方式,其中传统导井法开挖方式有正井、反井或正反井结合法。反导井施工通常采用吊罐法、爬罐法或深孔分段爆破法,传统导井法施工目前在水利水电工程中应用比较普遍,施工工艺应用得较为纯熟。但需要人员及设备至开挖掌子面进行钻爆施工。因此在施工过程中均不可避免地存在着安全隐患,而通风散烟困难,进度也容易受限制等。据统计,深度在100m左右的洞室导井开挖一般日平均进尺在1~1.5m左右。人工导井施工方法对井深有一定的限制,深度越深,施工难度越大、安全隐患更多。
反井钻机导井法施工于1950年在北美首先发展,60年代中期,这种方法在欧洲,特别是德国开始受到欢迎,当时反井钻机钻孔直径可达1.2m,深度为150~200m,而到70年代初期,钻孔直径可到2.0~2.4m,钻孔深度可达250~500m。发展到今天,世界上已有众多厂家生产反井钻机,典型的有美国罗宾斯公司可提供28种型号的产品,钻孔直径从1.2~6.0m,钻孔深度可达900m;德国维尔特公司生产的HG100、160、210、250、330SP系列,钻孔直径从1.4~6.0m,钻孔深度可达1000m。我国自70年代开始研制反井钻机,并先后在媒炭和冶金系统中应用,产品多集中于小直径扩孔的反井钻机,典型产品有苏南煤机厂生产的LM-90、LM-120、LM-200系列、长沙矿山研究院生产的TYZ1000、TYZ1200、TYZ1500系列及西北有色冶金机械厂生产的的AF-2000等,钻孔直径为0.9m~2.4m。
1992年水电系统第一次引进反井钻机,在十三陵抽水蓄能电站的出线洞、调压井和高压管道斜井等工程上使用反井钻机进行导井法施工,并取得了较好的施工效果。此后反井钻机又在河南小浪底水利枢纽工程、山西万家寨引黄入晋工程、云南大朝山水电站通风竖井(四条总长486m)、贵州三板溪水电站、云南小湾水电站、湖北水布垭地下厂房等工程的竖井及斜井施工中发挥较大的作用。
虽然反井钻机导井施工法在水电工程竖井和斜井施工应用中,已取得了不少成功的实例,但由于国外反井钻机价格不菲,成本较高,一般单位难以接受,目前国内水电行业中还未应用。国内反井钻机虽价格适中,但目前在中软岩中应用尚还可以,在硬岩中仍有技术问题尚需改进,且施工中特别在钻进中遇到不良地质地段经常出现卡钻、埋钻等事故,严重影响钻孔精度和速度,甚至使钻孔报废。因此反井钻机导井施工法,还需进一步探索与实践,总结施工经验,行成一套完整的施工工艺,并将其予以推广,为水利水电建设事业的发展尽微薄之力。 煤矿、金属矿和非金属矿、水电站和蓄能电站、人防工程、交通、铁路和隧道、军事工程等地下工程施工环境、工程参数(深度、直径和倾角等)、地质条件(岩石岩性、硬度、抗压强度、构造等)千差万别;如何正确地配备合适的施工机具、制定先进的施工工艺、合理选择各种参数、落实可靠的安全措施是反井钻井施工成败的关键。
1. 设备选择的依据
根据竖井或斜井施工的综合条件,在确定采用反井钻井法施工后,即要开始选择反井钻机和配套设备及工艺选择。选择设备主要依据是:
(1) 工程条件。主要包括工程性质、用途、主要技术参数(井孔深度、终孔直径、井孔倾角度等)、相关工程状况。根据施工井筒的深度和倾角等要求,结合现有设备及市场情况确定钻机。
(2) 地质条件。包括岩石的物理力学性质、岩体产状、主要地质构造及参数、水文地质条件等。对于深孔、斜孔,应有钻孔位置的勘探孔资料和地质柱状图。根据施工井位的地质构造及岩性,确定冲洗液为泥浆或清水,从而选择用泥浆泵或水泵。
(3) 施工条件。运输条件,吊装条件以及供电、供水情况。根据井位供电、供水、运输及井位下水平巷道开通情况确定钻机的类型。一般在井位处应有供电、供水,具有钻机工作空间,在下水平巷道开通的情况下,选择上扩法施工,应选择上扩类全断面反井钻机。在煤矿多选择电驱动液压反井钻机。
2. 可行性分析和风险评估
对工程施工条件进行分析,包括上下水平隧道是否形具有运输、出渣、供水、供电、通风等生产系统;
对地质条件进行分析,分析围岩在反井钻井施工过程中和扩孔期间能否稳定,不发生较大的涌水和塌方,造成钻孔堵塞和下部设施淹没。因为在反井施工期间,无法进行支护,若围岩不能自稳,发生塌方,将会堵塞钻孔,造成事故;
对施工位置安全状况进行分析,包括交通运输、通风、隧道支护情况及稳定情况、洪水、有害气体等是否对施工人员和设备伤害程度。
综合以上分析,以确定是否具有采用反井钻机施工可能。
3. 反井钻机选择
3.1 钻孔参数的确定
工程本身已确定了钻孔深度和倾角,还要确定扩孔直径。钻孔的作用是溜渣、排水、通风,因此要有足够的断面强。需要再扩挖(刷大)的工程,扩挖期间不发生堵塞。扩孔直径太小,除了容易发生堵塞外,还增加了扩挖时打眼和出渣工作量,降低扩挖速度。导井直径过大,反井钻井施工成本增加,因此,钻孔直径选择必须合理,一般钻孔直径选择如表4-1。
表 4-1 钻孔直径选择参考
开挖直径(m) 通风井等偏斜精度要求低的工程 井筒、压力管道等偏斜精度要求高的工程
<2 一次钻成 一次钻成
2~3 一次钻成、用两个小直径孔代替、导井直径1m后扩挖 导井直径1m后扩挖
3~5 导井直径1~1.5m后扩挖 导井直径1~1.5m后扩挖
5~7 导井直径1.5~2m后扩挖 导井直径1.5~2m后扩挖
>7 导井直径2m后扩挖 导井直径2m后扩挖
3.2 选择破岩滚刀
反井钻机靠滚刀对岩石的挤压、刮削和剪切破碎岩石,根据岩石的矿物构成、硬度、磨蚀性以及抗压、抗拉、抗剪等力学指标来确定滚刀齿形类型,选择如下:
岩石的磨蚀性:低→中→高;
硬度:软→中硬→坚硬
齿形:楔齿→锥形→复合型→球形;
滚刀结构:单刃盘形滚刀(无镶齿)→多刃盘形滚刀(刀刃上镶齿)→无刃滚刀(刀体锥面镶齿)。
反井钻机滚刀选择后,根据岩石条件在扩孔钻头合理布置滚刀,也就可以确定,破碎岩石需要的最大钻压。
如在抗压强度100MPa的岩石中,钻进深度200m、直径1.4m的钻孔,在扩孔钻头上需要布置6把中硬岩滚刀,每把滚刀需要约30kN破岩压力,整个钻头的破岩钻压180kN。
3.3 钻杆选择
钻杆包括普通钻杆、稳定钻杆、接头钻杆,选择钻杆时要满足拉力和扭矩共同作用下的强度、刚度要求,同时要达到一定的抗疲劳破坏能力,钻杆连接丝扣要有通用性和互换性。钻杆选择完成后,钻杆的重量是影响钻机选择的因素。如有效长度1.0m、外径182mm的钻杆,重量约155kg。稳定钻杆和接头钻杆外径,要予导孔钻头外径匹配。
3.4 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:
实际工作拉力=动力头重量+扩孔钻头重量+钻杆重量+最大钻压
实际工作扭矩=破岩阻力矩+摩擦阻力
如在抗压强度100MPa的岩石中,钻进深度200m、直径1.4m的钻孔,可以初步选择LM-200型反井钻机(其参数前面以作说明),进行钻机拉力和扭矩验算:
实际工作拉力=40kN(动力头及油缸重量)+25kN(扩空钻头重量)+200m×155kg×9.8(重力加速度)/1000+180kN(钻压)=548.8kN扭矩
一般要求实际工作拉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60%。在本例中LM-200型反井钻机最大拉力为850kN,实际工作拉力/最大拉力比是64.5%,LM-200型基本上满足工程要求,但也可以选择更大的型号的反井钻机。

4.钻头及刀具的选择

4.1导井钻头的选择
导孔钻头本身及导孔钻头与地层的匹配关系,对钻井的偏斜和钻进速度影响很大。软岩钻头采用较小夹角的长楔齿或碳化钨一字形镶齿;硬岩钻头则采用较大夹角的短楔齿或碳化钨半球形镶齿。此外,软岩楔齿或镶齿之间的间距比硬岩楔齿或镶齿之间的间距大。理想的反井导孔钻头应具有硬岩钻头设计的大多数特性,以获得最小的钻头移步量和最大的边刀强度。同时还应具有中等范围的内列切割结构,以便在低钻压下能够获得最大的钻进速度。
近年来钻头设计甚至是软岩钻头设计都趋向于采用碳化钨镶齿刀具,如选用碳化钨半球形镶齿短型球齿的导井钻头,既满足了钻头和地层的匹配关系,又减少了钻头本身的移步量。
反井钻机导孔钻头一般为三牙轮钻头,三牙轮钻头可分为铣齿钻头和镶齿钻头。铣齿钻头主要用在低抗压强度、高可钻性岩层或冲积层到半磨蚀性岩层中,反井钻机一般不采用。镶齿钻头主要用在磨蚀性强的高抗压强度的岩层中。导孔钻头的选择,应根据工程岩石情况,比厂家推荐的钻头适用范围高一级使用。
4.2扩孔钻头的选择
扩孔钻头由刀具、刀盘体、中心管、稳定器、冷却装置等部分组成。根据扩孔方式分为一次扩孔钻头和分次扩孔钻头。反井扩孔钻头结构如图4-3所示。
扩孔钻头应根据岩石的坚硬程度来选择,有镶齿滚刀、盘形滚刀,可参照下表选用。

滚刀类型表
滚刀类型
适应岩石类型
岩石单向抗压强度(MPa)
盘型滚刀 镶齿滚刀
(ZY)
钙质胶结砾岩,坚固的页岩、坚固的泥灰岩、砂眼、泥灰质石灰岩、致密灰岩、片麻岩
≤110
盘型滚刀 镶齿滚刀
(Y)
坚固的石灰岩、坚固的砂质页岩、石灰质胶结的致密砂岩、白云岩
110~160
镶齿滚刀
花岗岩、石英岩、辉绿岩、玄武岩等
160~200

4.3 破岩滚刀
破岩滚刀是反井钻井技术的关键工具,特别是硬岩反井破岩滚刀。在大部分水电站,坝址岩石坚硬,如山东泰安抽水蓄能电站、四川自一里水电站、吉林白山水电站、福建穆阳溪水电站等,多为花岗岩地层,岩石坚硬,单轴抗压强度达到310MPa,这类岩石石英、长石等磨粒性强的矿物含量在70%以上。如在泰安抽水蓄能电站使用普通滚刀,其寿命只有5~10m,工效非常低,破岩刀具费用达到1万元/m以上,这样必将限制了反井钻机作为工程设备的推广应用。为此,我公司,对硬岩反井破岩滚刀进行了专项研究,研制出特殊的极硬岩滚刀,在工程应用时其寿命达到125m以上,并经多个项目不同岩石条件应用实践,硬岩滚刀可以满足不同工程需要,解决了硬岩地层中钻进反井的难题,使反井钻机能够较高效地破碎岩石,提高了反井钻机功效,降低了工程成本。
 

 

作者: 时间:2015-11-24 09:55:50

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