反井钻机开挖极硬岩竖井施工技术

摘 要：某水电站地下副厂房排风竖井处于微风化或新鲜的混合花岗岩地质条件下，施工中采用BMC-300型反井钻机成功完成极硬岩条件下的竖井开挖，施工进度快、误差小，满足了工程要求，通过该文期望为反井钻机在硬岩条件下开挖井筒总结一些成熟的经验和成果。

关键词：反井钻机 极硬岩 竖井 滚刀 稳定钻杆 钻速 钻压

中图分类号：TV5 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）04（b）-0054-02

1 工程概况

某水电站地下副厂房排风竖井井口位于山坡之上，下部与副厂房排风机室相连，井长213.9m，直径1.4m，围岩为微风化或新鲜的混合花岗岩，岩石单轴抗压强度250Mpa，岩石较完整、新鲜，节理不发育，且多闭合胶结，围岩稳定条件较好，主要为微～极微透水岩石，地层无承压水，属Ⅱ类围岩。

2 施工方案比较

近十年来对于井筒的开挖应用反井钻机进行施工越来越普遍，虽然利用反井钻机开挖井筒单价高，但其综合效益很大，其施工工艺有着诸多优点：劳动强度低、对通风要求低、可由下部采用高效率机械出渣，施工周期短，为尽快形成井筒形成通风通道改善洞内施工条件起到了重要作用。特别对于直径小的井筒，可实现一次成形，断面平滑不需要进行支护、施工安全。

该竖井直径只有1.4m，若采用人工正井法则开挖空间小，而且只能由上部利用出渣罐人工出渣，效率非常低，施工周期长，通风条件差、施工环境恶劣，长时间井下作业施工安全难于保障，围岩成形差，不良地质段需做好支护。

采用爬罐法及吊篮法由底部进行开挖虽然出渣效率可以提高，但均需随着掌子面向上布设风水管线，准备工作占用时间长，通风条件也越来越差，对人身健康损害大，且向上钻孔劳动强度高，钻孔作业效率低，围岩成形较差，不良地质段需采取支护确保施工安全。

通过以上方案比较，可见反井钻机开挖井筒是一个先进的施工方案，用于对该排风竖井的开挖具备很多优越性，但施工中也存在诸多难点。

3 施工重点及难点

（1）对于花岗岩这类极硬岩采用反井钻机开挖对钻机性能要求高，尤其是对滚刀质量要求高。

（2）反井钻机开挖井筒存在一个偏斜率问题，施工过程中如何控制偏斜率、甚至纠偏是本工程的一个重点和难点。

4 反井钻机选型

根据该竖井特性选用了北京中煤矿山研究院研制的BMC-300型反井钻机和极硬岩滚刀进行施工，其性能指标如下。

导孔直径/244mm；扩孔直径/1400～1520mm；设计井深/300～250m。

先导孔钻进：转速/2～40rpm；钻压（推力）/550kN；扭矩/30.5kN.m。

扩孔钻进：转速/16rpm；额定拉力/1250kN；最大拉力/1570kN；额定扭矩/64kN・m；最大扭矩/85kN・m。

额定功率/128.5kW；冷却水消耗/20～30m3/h；钻孔倾角/60～90°；工作尺寸（长×宽×高）/3.53×1.75×3.48m；总重/8.7t。

5 施工前的准备工作

（1）反井钻机安装基础浇筑，反井钻机基础要求平整，砼基础浇筑在完整基岩上。基础长4m宽3m厚80cm，采用C25混凝土分二期浇筑而成，一期形成基础并预留反井钻机地脚螺栓坑，待机体到位并进行初校后，回填二期混凝土，以确保反井钻机与基础牢固衔接，不发生移位。

（2）反井钻机运输及安装，本工程选用的BMC-300型反井钻机最大组件钻机车重约8t，由于施工道路路况差、坡度大，因此采用D85推土机牵引15T自卸汽车将其拉至工作面，装卸车采用松下EX330反铲。

在经测量放好线的位置安放好反井钻机轨道后，将反井钻机吊装就位，主机起钻孔口与竖井中心线吻合，开孔位置及垂直度由全站仪进行控制，并采用线锤辅助，操作台、泥浆泵停放在反井钻机附近，操作台距起钻孔口有大于1m的安全距离。

（3）反井钻机的冷却循环系统，反井钻机的冷却循环系统由：泥浆泵、水池（水箱）、水沟组成。距反井钻机基础约10m处设置一个6m3水箱，采用了一台扬程50m、流量20m3/h的潜水泵，由山溪中抽水至水箱中作为钻机冷却及洗井反渣用水。反井钻机混凝土基础和水池之间由一水沟连接，导孔施工出现的回水、细沙沿此沟回流至沉淀池。洗井泵设置在钻机车与水池之间，尽量循环使用沉淀池内的水。

（4）施工供电系统，施工供电采用一台S9-M-315/10/0.4型变压器进行供电，主要用电设备为反井钻机、泥浆泵、供水泵等，总功耗约为230kw。

6 施工方法

6.1 导孔施工

反井钻机施工的关键在于导孔钻孔质量，本型号反井钻机导孔直径为Φ244mm。最终导孔能否钻通，钻通后的偏离误差大小在开钻后无法进行中间检测和控制，只能依靠经验，针对不同的围岩类别，实施不同的工作压力、转速和适时装配稳定钻杆进行控制。

反井钻机的钻杆分为开孔钻杆、普通钻杆和稳定钻杆，开孔钻杆与导孔钻头相接，用扶正器约束，稳定钻杆比普通钻杆外周多了均匀分布的钢肋板，其作用是承受径向负荷，防止钻杆随深度的增加旋转产生过大弯曲、过大摆幅，保证钻孔垂直度，同时保护钻杆与孔壁的接触磨损。因此稳定钻杆的布置合理与否将影响钻孔偏斜率。

导孔贯通后经测量，出孔位置仅偏斜了0.95m，对应偏斜率为0.44%，再一次印证了施工方案的合理性及钻机的可靠性。

导孔施工前11m由于受到井口风化破碎岩体影响，进行了两次护壁灌浆施工，将钻杆及导孔钻头提出采用纯水泥浆进行灌注，待凝24h后继续进行钻进。

6.2 扩孔施工

该竖井岩石坚硬，因此必须选用极硬岩滚刀，目前北京中煤矿山研究院已经研制出抗压强度达到300MPa的极硬岩滚刀，为拓展反井钻井技术应用打下基础。该竖井的成功开挖正是得宜于极硬岩滚刀，在扩孔开挖时选用新滚刀，并根据磨损情况更换了一次滚刀，并对刀盘进行了加固。

扩挖开孔：扩孔开始施工时一般围岩破坏严重，钻头周圈难以均匀受力，因此，一般采用副泵提供较小的、均匀的动力。当Φ1.4m扩孔钻头接好后，慢速上提钻具，直到滚刀开始接触岩石，然后停止上提，用最低转速（5～9rpm）旋转，并慢慢给进，进尺控制在10cm/h，保证钻头滚刀不受过大的冲击而破坏，防止钻头偏心受力过大而扭断钻杆。给进一些停下，等刀齿把凸出的岩石破碎掉，再继续给进。

扩孔：下边要有人观察，将情况及时通知操作人员，等钻头全部均匀接触岩石，才能正常扩孔钻进。在扩孔过程中，当岩石硬度较大，可适当增加钻压，反之可以减少钻压。扩孔时，要及时出渣，防止堵孔。

完孔：当钻头距基础2.5m时，要降低钻压慢速钻进，并且要认真观察基础周围是否有异常现象，如果有，要及时采取措施处理。慢慢的扩孔，直至钻头露出地面。

出渣：扩孔施工中适时利用1m3反铲在导井下部通道装15t自卸汽车进行出渣。

7 偏斜率控制的主要措施

反井钻机钻孔偏斜的原因很多，我们主要从以下几个方面采取措施对偏斜进行控制。

（1）钻机安装定位：钻机安装牢固，定位准确，混凝土浇筑密实。

（2）钻机的安装一定要垂直，在开工之前进行复测，对存在的问题及时进行修改和微调。

（3）根据地层的情况选用不同性能的开孔钻头，也就是做到开孔钻头和地层一定要配套。

（4）选有合理的钻具布置，根据地层的实际情况在不同的位置合理的布置不同数量的稳定钻杆。

（5）选用合理的开孔方案，在必要的时候对稳定钻杆的位置和数量进行调整。

（6）选用合理的钻进参数，充分调整好钻速、钻压、转速、和清洗液的冲洗量之间的关系。

（7）合理组织，选派责任心强有丰富施工经验的操作手进行操作和施工。

（8）及时保养、检修钻机，保证其具有良好的工作状况。

8 施工进度及质量情况

排风竖井偏斜率仅为0.44%，且井壁光滑保证了底部附厂房排风机室内的安全。施工准备20天；自然施工天数33天，综合效率为194.5m/月；纯施工工期27天，纯施工效率为月成井238m/月。其中导孔钻进14天，平均施工速度为0.64m/h；扩孔施工13天，平均施工速度为0.69m/h。

9 结语

该竖井施工中通过选用性能优良的BMC型反井钻机及极硬岩滚刀、合理布置稳定钻杆，精心施工，保证了施工精度和质量，解决了反井钻机在极硬岩条件下成井问题，进一步验证了反井钻机施工的可靠性、优越性。

参考文献

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[2] 陈璋，陈光明，程久胜，等.龙潭隧道竖井、斜井设计[J].公路，2005（8）.

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