反井鉆機(jī)發(fā)展回顧

普通豎井鉆井法早在1896年開始應(yīng)用，而反井鉆井法出現(xiàn)較晚。采礦工作者將潛孔式鉆機(jī)和平巷掘進(jìn)機(jī)的原理，應(yīng)用在反井掘進(jìn)中，創(chuàng)造出反井鉆機(jī)雛形。 1960年德國將如圖1所示的裝備用于施工反井。這種設(shè)備主要包括絞車、鋼絲繩、鉆頭和電纜等，它的施工工藝和吊罐法有些相似，先用小直徑鉆機(jī)鉆1到2個(gè) 孔，沿鉆孔下放鋼絲繩和電纜，在下部和鉆頭連接，鉆頭的結(jié)構(gòu)類似于平巷掘進(jìn)機(jī)，具備支撐、推進(jìn)和旋轉(zhuǎn)功能。在鉆頭入孔之前，先施工一段導(dǎo)向孔，或安設(shè)一段和鉆孔直徑相同 的鋼管，鉆頭入內(nèi)后，徑向油缸支撐在井幫或鋼管上，鉆頭的推進(jìn)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)同時(shí)作用于破巖刀具，將巖石破碎下來，當(dāng)一個(gè)推進(jìn)行程完成后，先把推進(jìn)油缸縮回， 上部絞車提住鉆頭，縮回徑向支撐，上提鉆頭，再將徑向油缸支撐好，進(jìn)行下一循環(huán)鉆進(jìn)。這種施工設(shè)備由于在上下兩水平，操作控制困難，地質(zhì)條件對鉆進(jìn)影響很 大，使用起來問題較多，這種無鉆桿鉆機(jī)雖已不在使用，但它開辟了機(jī)械施工反井新途徑。

到1962年，美國羅賓斯公司研制成第一臺(tái)有鉆桿反井鉆機(jī)，這臺(tái)鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)都在上部，由上向下鉆進(jìn)導(dǎo)孔，鉆導(dǎo)孔同時(shí)將鉆桿放到下部，在下部和擴(kuò)孔鉆 頭相連，再由下向上擴(kuò)孔，最后形成反井。目前大多數(shù)反井鉆機(jī)是這種類型，只是具體結(jié)構(gòu)有所不同。德國、芬蘭、日本、前蘇聯(lián)等國，相繼研制出多種類型反井鉆 機(jī)，目前反井鉆進(jìn)施工深度以達(dá)千米，最大直徑6m。

1 概況

    LM系列反井鉆機(jī)是用于鉆鑿各種反井（天井）的專用設(shè)備。煤炭科學(xué)研究總院北京建井研究所(北京中煤礦山工程有限公司)自“7.5”期間開始反井鉆機(jī)的研 制，先后完成國家和原煤炭部重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“LM-120型反井鉆機(jī)”、“LM-200型”、“LM-90型”反井鉆機(jī)的研制。2002年7月完成了科 技部專項(xiàng)資金項(xiàng)目“深井反井鉆井技術(shù)及裝備”中的關(guān)鍵部分ZFY2.0/400型（LM-400型）反井鉆機(jī)主機(jī)，并通過驗(yàn)收，將要進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，目前 已完成LM-300型反井鉆機(jī)設(shè)計(jì)，很快投入加工。形成了中小型反井鉆機(jī)系列（表1）和相應(yīng)的施工技術(shù)。再進(jìn)行反井鉆機(jī)研制的同時(shí)，對反井鉆井工藝進(jìn)行深 入的研究，并投入到煤炭、水電、有色、和工業(yè)等領(lǐng)域中，取得了十分顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。此項(xiàng)目被原煤炭部列為100推中的20項(xiàng)重點(diǎn)之一，至今已有 50多臺(tái)反井鉆機(jī)分別在27個(gè)礦務(wù)局和水電系統(tǒng)以及國外工程中采用。目前，國內(nèi)豎井鉆井最大深度為316m，斜井最大深度為236m（傾角50度）。

表1  LM系列反井鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

型號(hào)	導(dǎo)孔直徑/mm	擴(kuò)孔直徑/m	深度/m	轉(zhuǎn)速/r/min	扭矩/kNm	推/拉力 /kN	總功率/kW	外形尺寸 /m
LM-90	190	0.9	100	0-45	15	160/380	45.5	2.5×1.6×2.8
LM-120	244	1.2	120	0-43	31	250/500	62.5	2.9×1.4×3.2
LM-200	216	1.4-2.0	200	0-20	40	350/850	82.5	3.2×1.7×3.4
LM-300	216	1.5	300	0-38	50	420/1256	97.5	2.9×1.9×3.4
ZFY2.0/400 （LM-400）	270	2.0	400	0-32	100	2000/3000	110	3.1×1.6×4.6

2 反井鉆機(jī)主要用途

反井鉆機(jī)適用于鉆鑿上、下部都有工作面的各種豎井和斜井，對于煤炭、冶金、黃金等系統(tǒng)地下采礦工程；人防、鐵路交通等隧道工程；水電系統(tǒng)地下廠房式電站、抽水蓄能電站等工程均可應(yīng)用（表2）。

表2   反井鉆機(jī)應(yīng)用范圍及工程

應(yīng)用領(lǐng)域	階段性臨時(shí)工程	臨時(shí)工程	永久工程
煤炭系統(tǒng)	各種溜矸孔（煤倉、暗井、主井、副井、風(fēng)井）	采區(qū)風(fēng)眼、溜煤眼、溜矸眼、瓦斯抽放孔 、安全救護(hù)鉆孔	通風(fēng)井、下料井
水電系統(tǒng)	各種導(dǎo)井（壓力管道、出線井、調(diào)壓井、電梯井）	施工期間通風(fēng)豎井（長大隧洞、地下調(diào)壓室）、加固鉆孔	地下永久建筑（廠房、變壓室等）通風(fēng)豎井、觀測孔、
其它開采礦井	各種溜井（井筒、礦倉）	采區(qū)風(fēng)眼、溜礦眼、溜渣眼、材料人員井	通風(fēng)孔等
地下建筑	各種導(dǎo)井	施工期間通風(fēng)孔	通風(fēng)井、進(jìn)出口

3 反井鉆機(jī)的分類

 雖然反井鉆機(jī)種類很多，但根據(jù)鉆機(jī)安裝位置、導(dǎo)孔和擴(kuò)孔鉆進(jìn)方向等主要鉆進(jìn)工藝的不同，可將反井鉆機(jī)劃分為三類：

第一類，反井鉆機(jī)安裝在上水平，由上水平向下鉆進(jìn)導(dǎo)孔，在下水平拆導(dǎo)孔鉆頭，接擴(kuò)孔鉆頭，由下向上擴(kuò)孔。

第二類，鉆機(jī)安裝在下水平，由下水平向上鉆進(jìn)導(dǎo)孔，在上水平拆導(dǎo)孔鉆頭，接擴(kuò)孔鉆頭，由上向下擴(kuò)孔。

第三類，鉆機(jī)安裝在下水平，由下水平全斷面向上水平鉆進(jìn)，一次成孔，沒有導(dǎo)孔。

表1為這三種類型反井鉆機(jī)的比較，可以進(jìn)一步看出它們的區(qū)別和優(yōu)缺點(diǎn)。目前，我國這三類反井鉆機(jī)都有使用，如北京建井研究所研制的LM系列、南京煤研所研 制的AF系列、長砂礦山研究院研制的ATY系列，以及從美國引進(jìn)的83RM-HE型和從芬蘭引進(jìn)的RHINO1000型為第一類；從西德引進(jìn)的 P/EH1200型為第二類；重慶煤科院分院研制的ZDQ100/100型和蘇聯(lián)飛箭-77為第三類，這幾類鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表3，由于這些反井鉆機(jī) 各有特點(diǎn)，所以必須充分利用各自優(yōu)點(diǎn)，為礦山建設(shè)服務(wù)。

表3  三種類型反井鉆機(jī)比較表

鉆機(jī)類型       比較項(xiàng)目	第I類	第II類	第III類
鉆機(jī)安裝位置	上水平	下水平	下水平
導(dǎo)孔方向	由上向下	由下向上	無導(dǎo)孔
拆導(dǎo)孔鉆頭接擴(kuò)孔鉆頭位置	下水平	上水平	——
擴(kuò)孔方向	由下向上	由上向下	由下向上
擴(kuò)孔出渣	下水平	下水平	下水平
適用條件	上下水平都有巷道	上下水平都有巷道	下水平有巷道
優(yōu)點(diǎn)	鉆機(jī)和出渣在兩水平互不干擾，工作條件好；受地質(zhì)條件影響??；鉆孔垂直度容易掌握。	鉆機(jī)功率小，相對體積和重量小。	可以在上水平?jīng)]巷道或生產(chǎn)系統(tǒng)時(shí)采用
缺點(diǎn)	導(dǎo)孔鉆進(jìn)難度大，需要的輔助設(shè)備較多。	出渣和鉆進(jìn)相互影響；一次擴(kuò)孔直徑較小，需要分次擴(kuò)孔相對速度較低；鉆孔精度難以保證。	鉆機(jī)功率大；出渣和鉆進(jìn)相互影響。

4．LM系列反井鉆機(jī)鉆進(jìn)工藝及構(gòu)造

反井鉆機(jī)可用于施工豎井和斜井甚至可以施工水平鉆孔，其主要施工工藝包括導(dǎo)孔鉆進(jìn)和擴(kuò)孔鉆進(jìn)，在上部施工出反井鉆機(jī)平臺(tái)，澆筑鉆機(jī)基礎(chǔ)和其它輔助臨時(shí)設(shè) 施，安裝鉆機(jī)，由上向下鉆進(jìn)一小直徑導(dǎo)孔，導(dǎo)孔鉆頭后，將擴(kuò)孔鉆頭運(yùn)到下部，拆下導(dǎo)孔鉆頭，連接擴(kuò)孔鉆頭，由下向上擴(kuò)孔。導(dǎo)孔鉆進(jìn)過程中破碎的巖石靠水泵 或泥漿泵產(chǎn)生的壓力水或泥漿排到地面，擴(kuò)孔時(shí)巖屑靠自重落到下水平，由裝載設(shè)備運(yùn)出。                   

反井鉆機(jī)主要包括主機(jī)部分、鉆具部分和輔助設(shè)施。主機(jī)一般包括鉆機(jī)架、液壓泵站、操作控制部分。鉆具部分包括開孔鉆桿、穩(wěn)定鉆桿、普通鉆桿、導(dǎo)孔鉆頭、擴(kuò) 孔鉆頭等。輔助部分包括電控系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及泥漿循環(huán)系統(tǒng)。圖2為LM-200型反井鉆機(jī)主機(jī)部分，圖3為鉆具部分，圖4為擴(kuò)孔鉆頭，圖5為導(dǎo)孔鉆頭， 圖6為破巖滾刀。

4.1 LM-200型反井鉆機(jī)

LM-200型反井鉆機(jī)是為煤礦井下鉆進(jìn)較深反井設(shè)計(jì)，為了便于井下運(yùn)輸，第一要控制鉆及外形尺寸；第采用軌輪式行走方式；第三，采用防爆電氣。該機(jī)包括主機(jī)、操作車、泵站、鉆具部分和泥漿循環(huán)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)。泵站有兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，主油泵75kW、

圖1 LM－200型反井鉆機(jī)

輔油泵7.5kW，導(dǎo)孔鉆進(jìn)循環(huán)用泥漿泵90kW，冷卻系統(tǒng)循環(huán)量10－15m³/h。該機(jī)設(shè)計(jì)最大鉆井深度200m，鉆井直徑1.4－2.0m。但目前已用該鉆機(jī)鉆進(jìn)深度316m工程，對該機(jī)進(jìn)行部分改造后，在十三陵抽水蓄能電站，鉆進(jìn)傾角50度深236m的大傾角斜孔，已在煤炭、水電和有色礦山系統(tǒng)廣泛采用。

4．2 ZFY2.0/400型反井鉆機(jī)

ZFY2.0/400型反井鉆機(jī)是為煤炭深井以及水電系統(tǒng)堅(jiān)硬巖石工程開發(fā)的強(qiáng)力反井鉆機(jī)，該機(jī)鉆機(jī)主要由主機(jī)、泵站、液壓操縱臺(tái)、鉆具（包括鉆桿、穩(wěn)定 鉆桿、鉆頭等）、起吊裝置、電器開關(guān)等組成。（見圖3）圖示為鉆機(jī)工作狀態(tài)。鉆機(jī)主機(jī)主油泵功率110kW，該機(jī)主要特點(diǎn)是：

（1）     采用L型鉆架結(jié)構(gòu)，相對框架型結(jié)構(gòu)來說，減輕了主機(jī)重量，便于運(yùn)輸和吊裝；

（2）     鉆架和底盤采用鉸結(jié)結(jié)構(gòu)，便于鉆機(jī)角度調(diào)整和鉆進(jìn)斜孔；

（3）     加長了鉆桿長度，減少了鉆進(jìn)輔助時(shí)間和鉆具拆卸造成的磨損。

5．反井鉆機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)

（1）施工安全。和其它反井施工方法相比，反井鉆機(jī)施工時(shí)，工作人員不需進(jìn)入工作面，進(jìn)行打眼、裝藥和臨時(shí)支護(hù)等作業(yè)，工作人員都在環(huán)境和安全狀況較好的上部，施工人員不再受落石、淋水、有害氣體的傷害，避免了全事故的發(fā)生。

（2）工作效率高。反井鉆機(jī)施工為機(jī)械化連續(xù)作業(yè)，速度快，比其它施工方法提高工效5－10倍。為后期施工創(chuàng)造了良好的條件，其綜合效益顯著。

（3）工程質(zhì)量好。反井鉆機(jī)采用滾刀機(jī)械破巖，對圍巖破壞小，井壁光滑，有利于擴(kuò)挖溜渣、通風(fēng)、排水。

（4）反井鉆機(jī)采用液壓傳動(dòng)控制，操作簡單，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低。

6． LM系列反井鉆機(jī)技術(shù)及施工的發(fā)展

 

表5   反井鉆井工藝研究實(shí)例

工程實(shí)例	工藝項(xiàng)目	完成時(shí)間
開灤礦務(wù)局趙各莊礦11水平暗井	塌孔等不良地質(zhì)條件鉆井工藝	1986年
澄河礦務(wù)局王村煤礦主煤倉	漏漿地層鉆井工藝	1987年
山東省新泰市汶南煤礦新立井	深井反井鉆井工藝	1989年
軒崗礦務(wù)局焦家寨礦副井	井筒內(nèi)施工反井工藝	1991年
十三陵抽水蓄能電站壓力管道	大傾角斜孔反井鉆井工藝	1992年
土耳其某煤礦	復(fù)雜條件鉆進(jìn)反井工藝	1994年
兗州礦務(wù)局濟(jì)寧3號(hào)井副井	凍結(jié)地層反井鉆井工藝	1995年
云南大朝山電站通風(fēng)豎井	堅(jiān)硬巖石鉆進(jìn)反井工藝	1998年
許疃煤礦副井	鉆井法鑿井和反井鉆機(jī)綜合鑿井工藝	2002年

 

 

為了充分發(fā)揮反井鉆機(jī)優(yōu)越性，必須根據(jù)工程條件，地質(zhì)條件等合理選擇反井鉆機(jī)；正確的確定鉆進(jìn)工藝；選擇掌握一定機(jī)械、地質(zhì)、鉆井等方面知識(shí)有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的操作人員。如果選擇不當(dāng)，可能會(huì)出現(xiàn)問題或發(fā)生事故。設(shè)備選擇主要依據(jù)和步驟如下：

7．1反井鉆機(jī)選擇主要依據(jù)

①             工程概況，包括工程性質(zhì)、用途、主要技術(shù)參數(shù)（井孔深度、擴(kuò)挖直徑、井孔傾角等）、相關(guān)工程情況、相關(guān)工程施工進(jìn)展情況。

②             地質(zhì)條件，包括巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、巖體產(chǎn)狀、主要地質(zhì)構(gòu)造和參數(shù)、水文地質(zhì)條件等，對于深孔、斜孔，應(yīng)有鉆孔位置的地質(zhì)柱狀圖等勘探資料。

7．2 選擇步驟

① 可行性研究和風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

對工程概況和地質(zhì)條件進(jìn)行充分研究，確定是否具有采用反井鉆機(jī)施工條件：包括在上下水平隧洞內(nèi)能否形成運(yùn)輸、出渣、供水、供電等生產(chǎn)條件；圍巖在反井鉆井 施工過程中和擴(kuò)挖期間能否穩(wěn)定，不發(fā)生較大的涌水和塌方。因?yàn)?，在反井施工和擴(kuò)挖期間，導(dǎo)井無法安設(shè)臨時(shí)支護(hù)，若圍巖不能在這段時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定，發(fā)生塌方，將 導(dǎo)井堵塞，會(huì)造成嚴(yán)重事故。因此，采用反井鉆機(jī)施工前，必須對此進(jìn)行充分的研究和論證。

表7  導(dǎo)井?dāng)嗝嬷睆交驍嗝娉叽邕x擇

擴(kuò)挖直徑 /m	打眼放炮人工施工的導(dǎo)井 （木垛、吊罐和爬罐法等）			反井鉆機(jī)施工的導(dǎo)井
	堅(jiān)硬巖石 （>100Mpa）		較軟巖石 （<100Mpa）	堅(jiān)硬巖石 （>100Mpa）	較軟巖石 （<100Mpa）
<5 5-8 >8	1.5×1.5m 2×2m 2.4×2.4m	1.5×1.5m 1.5×1.5m 2×2m		φ1.2-1.4 φ1.4-1.8 φ1.8-2	φ1.0 φ1.2-1.5 φ1.5-1.4

② 導(dǎo)井技術(shù)參數(shù)的確定

工程本身已確定了鉆孔深度和傾角，現(xiàn)在要確定導(dǎo)井直徑，也就是反井鉆機(jī)擴(kuò)孔直徑，導(dǎo)井的作用是溜渣、排水、通風(fēng)、要有足夠的斷面，保證擴(kuò)挖時(shí)不致堵塞。導(dǎo) 井直徑過小，除了容易堵塞外，還增加了擴(kuò)挖時(shí)打眼和出渣工作量，降低了擴(kuò)挖速度。導(dǎo)井直徑過大，成本將會(huì)大大增加。因此，導(dǎo)井?dāng)嗝孢x擇必須合理，一般按表 7選擇，但對于擴(kuò)挖直徑超過10m的工程，導(dǎo)井直徑可選擇在1.5m左右，先由下向上擴(kuò)挖到4~5m，后再擴(kuò)挖到設(shè)計(jì)斷面，這樣可加快施工速度，降低成 本,減少導(dǎo)井堵塞。

③ 破巖刀具的選擇

破巖刀具包括導(dǎo)孔鉆頭和擴(kuò)孔滾刀。對于導(dǎo)孔鉆頭一般按生產(chǎn)廠家推薦的適用范圍選擇，但在反井鉆機(jī)鉆進(jìn)導(dǎo)孔期間，最好不進(jìn)行導(dǎo)孔鉆頭的更換，所以選導(dǎo)孔鉆頭 時(shí)應(yīng)選擇適用于硬巖的鉆頭。對于擴(kuò)孔鉆頭，選擇滾刀時(shí)，主要根據(jù)巖石的硬度、磨蝕性來確定滾刀的齒形和布置。反井鉆機(jī)一般采用鑲齒結(jié)構(gòu)，選擇如下：

巖石的磨蝕性：低   →    中    →    高

硬        度：軟   →   中硬   →   堅(jiān)硬

齒        形：楔形 → 錐形 → 復(fù)合型 → 球形

滾  刀 結(jié) 構(gòu)：多刃盤形 → 多刃盤形 → 無盤布置

④ 反井鉆機(jī)的選擇

    首先根據(jù)鉆孔深度鉆孔直徑，初步選擇相應(yīng)的反井鉆機(jī)，然后對鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算：

    提升力=動(dòng)力頭重量+擴(kuò)孔鉆頭重量+鉆桿重量+鉆壓

    扭矩=破巖阻力矩+摩擦阻力

    轉(zhuǎn)速根據(jù)鉆頭類型、直徑以及滾刀結(jié)構(gòu)確定。一般要求提升力不超過鉆機(jī)設(shè)計(jì)最大提升力的60%，扭矩不超過設(shè)計(jì)最大扭矩的70%。

⑤ 鉆機(jī)輔助設(shè)備的確定

反井鉆機(jī)的主要輔助設(shè)備是泵，泵用于導(dǎo)孔鉆進(jìn)時(shí)洗井液循環(huán)。根據(jù)不同的地質(zhì)條件，可采用泥漿或清水，泥漿作洗井液時(shí)除了有將巖屑帶到孔外的作用，還對地層有一定的支護(hù)作用。用清水鉆進(jìn)時(shí)一般可用離心泵，用泥漿鉆進(jìn)時(shí)必須采用柱塞式泥漿泵，泵的排量和泵壓必須滿足要求。

8．反井鉆機(jī)施工導(dǎo)井所需現(xiàn)場條件

1）供電，提供不小于鉆機(jī)功率+泥漿泵功率+冷卻水泵+照明的電源，電壓一般為380V，將四線電源接到井口，并設(shè)總控開關(guān)。

2）供水，要求清水每小時(shí)不小于15-20m3，接到井口，設(shè)控制閥門。其作用是導(dǎo)孔鉆進(jìn)時(shí)循環(huán)排渣、冷卻液壓系統(tǒng)和擴(kuò)孔時(shí)冷卻破巖滾刀和降塵。

3）道路，可以是臨時(shí)公路，吊車可通行、能夠?qū)⒆畲蠹ㄖ鳈C(jī)）設(shè)備運(yùn)到井口。

4） 場地，施工現(xiàn)場可同時(shí)擺放汽車和吊車，能夠進(jìn)行設(shè)備裝卸。在井口8-10m范圍內(nèi)平整即可滿足反井鉆機(jī)施工要求。

5） 臨時(shí)工程，根據(jù)不同類型鉆機(jī)，以井筒為中心澆筑混凝土基礎(chǔ)，予留地腳螺栓孔，標(biāo)號(hào)不小于C25，上部和地表平。開挖長3m、寬2m、深1.5m的循環(huán)池，并作簡單的防滲處理。

9．采用LM系列反井鉆機(jī)完成的部分工程情況

    自1987年，利用反井鉆機(jī)鑿井以來，先后在煤炭、水電系統(tǒng)和國外地下工程中完成各種反向鑿井100多項(xiàng)，總深度近萬米，鉆孔直徑0.19-0.9-1.2-1.4-2.0m，鉆孔深度8-316m，鉆孔傾角45-90度，受到用戶的一致好評。

（1）     1989年4月至7月，在山東省汶南煤礦用LM-200型反井鉆機(jī)，鉆成直徑1.4m，深度316m我國目前為止最深反井。

（2）     1992年至1993年，反井鉆機(jī)首次在水電系統(tǒng)應(yīng)用，完成國家和北京市重點(diǎn)工程，十三陵抽水蓄能電站出線豎井工程158m，還第一次完成深度為203m 和236m的傾角50度的大傾角斜孔(1號(hào)、2號(hào)壓力管道下斜段)，1號(hào)、2號(hào)調(diào)壓井，獲得水電系統(tǒng)和北京市的好評，也使得反井鉆機(jī)在水電系統(tǒng)得到推廣應(yīng) 用。

（3）     1990年在軒崗礦務(wù)局焦家寨礦，在75m深的井筒，采用LM-120型反井鉆機(jī)，第一次在井筒內(nèi)鉆成深236m的反井。

（4）     1994到1995年第一次將反井鉆機(jī)應(yīng)用于國外工程，采用LM-200型反井鉆機(jī)，在土耳其鉆成直徑1.2m和1.4m的反井11個(gè)，總深1108米，創(chuàng)造了良好的信譽(yù)，得到國外同行好評。

（5）     1995年，在兗州礦務(wù)局濟(jì)寧3號(hào)井，第一次穿過98m的凍結(jié)地層，在300m深的井筒內(nèi)鉆成直徑1.4m，深260m溜矸孔。

（6）     1995年,在阜新礦務(wù)局五龍煤礦完成副井延深溜矸孔工程，鉆孔直徑1.4m，深190m。

（7）     1997到1998年,在云南大朝山電站,在堅(jiān)硬的玄武巖中，鉆成直徑1.4m，傾角46-90度尾水隧洞、地下廠房、尾水調(diào)壓室通風(fēng)豎井和壓力管道7個(gè)，總深度825米。

（8）     1998年在福建芹山電站完成調(diào)壓井和閘門井兩個(gè)總深129m。

（9）     1998到1999年,在山西引黃入晉工程中,完成電纜井和出水壓力豎井總兩條深284m。

（10）  2000年在金昌有色公司二礦高地壓的地層中，國內(nèi)外其它鉆井設(shè)備都不成功的壓力下，鉆成兩條深度118m的溜渣孔。

（11）  2001年采用LM-200型反井鉆機(jī)，在云南省盈江縣勐乃河施工電站，鉆成直徑1.0m，深度230m，傾角70度的壓力管道導(dǎo)井。

（12）  2002年4月，采用LM-120型反井鉆機(jī)，在棗莊礦業(yè)集團(tuán)蔣莊煤礦南風(fēng)井，深度115m的凍結(jié)井筒內(nèi)，鉆成直徑1.2m，深147m的溜矸孔。

（13）  2002年6月，采用LM-200型反井鉆機(jī)在龍灘電站，鉆成深度229m的排煙豎井。

（14）  2002年6月，采用LM-120型反井鉆機(jī)，在淮北礦業(yè)集團(tuán)許疃煤礦副井，深度300m的鉆井井筒內(nèi)，鉆成直徑1.2m，深139m的溜矸孔。

（15）  2001年到2002年在山西晉城寺河煤礦，鉆成直徑1.4m，深298m的瓦斯抽放小井。

（16）  2002年12月正在鉆進(jìn)安徽滁州瑯琊山抽水蓄能電站出線豎井，直徑1.4m，深度152m。

（17）  2002年12月正在鉆進(jìn)福建周寧電站調(diào)壓井和壓力管道；

（18）  2002年11月正在鉆進(jìn)云南會(huì)澤鉛鋅礦提升井直徑1.4m，深度300m.

（19）  2002年11月正在鉆進(jìn)云南昭通電站調(diào)壓井和壓力管道。

10.工程實(shí)例介紹

10.1.1概況

 十三陵抽水蓄能電站是為改變北京供電質(zhì)量,興建的重點(diǎn)建設(shè)工程，位于北京昌平縣，十三陵水庫左岸。利用十三陵水庫為下池，在水 庫左岸莽山上修建蓄能上池。在電站建設(shè)中，傾斜壓力管道工程施工難度大，是電站建設(shè)的關(guān)鍵。為加快施工速度，進(jìn)行用反井鉆機(jī)鉆鑿壓力管道的工業(yè)性實(shí)驗(yàn)。實(shí) 驗(yàn)段為2號(hào)壓力管道下斜，從壓力管道中部施工支洞到北探洞，開挖斷面Ｄ5-5.6m，凈斷面Ｄ4.4-3.8ｍ，和水平夾角50°。穿過的巖石主要為復(fù)成 份礫巖，巖體為微風(fēng)化至新鮮狀態(tài)Ⅱ－Ⅳ巖體，裂隙發(fā)育。沿線有F_２、F_１５、F_１６、F_１４、F_２０斷層以及輝綠玢巖巖脈，斷層一般寬1-3ｍ，影響帶2-5ｍ，透水性好。

4.2 反井鉆機(jī)選擇及改造

根據(jù)2號(hào)壓力管道的工程條件，選擇LM-200型反井鉆機(jī)。通過對有關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，該機(jī)基本能滿足工程要求。但由于該機(jī)是針對地下礦山井下條件設(shè)計(jì)，鉆 孔傾角60-90°。本次試驗(yàn)用其鉆鑿傾角50°的斜孔，需對鉆機(jī)進(jìn)行改造，改造的主要部分為：主機(jī)、穩(wěn)定鉆桿、和鉆桿輸送裝置等。

4.3 防斜措施

反井鉆井施工中導(dǎo)孔是關(guān)鍵，其成敗關(guān)系到整個(gè)鉆孔工作的成敗。本次是我國第一次用反井鉆機(jī)施工大傾角深孔工程，沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)可借鑒，2號(hào)壓力管道下斜段 巖石為復(fù)成份礫巖，巖石的均質(zhì)性差，裂隙和構(gòu)造十分發(fā)育。并且對于斜孔，不但鉆孔頂角變化會(huì)導(dǎo)致偏斜，方位變化對偏斜影響更大，所以必須從技術(shù)上作好準(zhǔn) 備，采取可靠的鉆進(jìn)措施來控制鉆孔的偏斜。

⑴ 選擇適宜的鉆進(jìn)參數(shù)

 影響鉆孔偏斜的主要因素是鉆壓，通過計(jì)算，對于LM-200型反井鉆機(jī)，當(dāng)鉆壓大于60kN時(shí)，鉆桿可能失穩(wěn)，因此鉆壓控制最好不超過此值。 但在此鉆壓下，鉆進(jìn)速度較低，可以通過增加穩(wěn)定鉆桿，提高失穩(wěn)壓力，加大鉆壓，提高鉆進(jìn)速度。對于復(fù)成份礫巖，鉆壓控制在10kN，鉆進(jìn)速度約 1.0-1.5m/h。在本次試驗(yàn)鉆井參數(shù)控制的原則是：鉆孔前50ｍ采用低鉆壓，高轉(zhuǎn)速和恒鉆速。隨著鉆孔深度的增加，摩擦阻力增長很快，逐步減低轉(zhuǎn) 速，適當(dāng)增加鉆壓，保持鉆速均勻。

⑵ 增設(shè)穩(wěn)定鉆桿

    穩(wěn)定鉆桿的外徑和鉆孔直徑基本相同，它保持鉆具居于井中心，減少由于鉆壓增加引起鉆具彎曲所造成的鉆孔偏斜。為達(dá)到防斜目的，至少布置3根穩(wěn)定鉆桿，即近鉆頭穩(wěn)定鉆桿、中穩(wěn)定鉆桿和上穩(wěn)定鉆桿。根據(jù)壓力管道具體情況，適當(dāng)增加穩(wěn)定鉆桿，并根據(jù)測斜結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

⑶　泥漿參數(shù)控制

 2號(hào)壓力管道下斜段的地質(zhì)條件復(fù)雜，各種構(gòu)造發(fā)育，可能會(huì)發(fā)生漏漿、塌孔、埋鉆等孔內(nèi)事故。為避免或減少孔內(nèi)事故的發(fā)生，采用優(yōu)質(zhì)NV-1鈉土配制泥漿作為洗井液。設(shè)計(jì)泥漿參數(shù)如表4。在鉆孔過程中根據(jù)地層條件，對泥漿數(shù)作進(jìn)一步調(diào)整 。

表4                          設(shè)計(jì)泥漿參數(shù)表

泥漿參數(shù)	控制范圍	泥漿參數(shù)	控制范圍
粘度/s	20-30	比重	1.04-1.10
失水量/ml(30min)-1	10-15	泥皮厚度/mm	0.7-1.4
切力/mg cm-2	0-40	PH值	8-9
含砂量/%	1	膠體率/%	>97

為保證鉆孔方位 ,導(dǎo)孔鉆進(jìn)時(shí)先后進(jìn)行了3次測斜工作。所用的測量儀器為JJX-3型井斜儀,采用電磁原理，以螺盤定位和360°電路完成的方位機(jī)構(gòu)。它不存在漂移問題。該儀器的誤差指標(biāo):方位誤差:±2°,頂角誤差:±10'。

4.4 鉆進(jìn)工作

完成對LM-200型反井鉆機(jī)的改造后，鉆機(jī)運(yùn)到現(xiàn)場，1992-06-04進(jìn)行安裝，6月26日開鉆導(dǎo)孔鉆進(jìn)，8月4日安裝擴(kuò)孔鉆頭，8月17日完成了 深203m直徑1.4m，傾角50°的2號(hào)壓力管道下斜導(dǎo)井。鉆孔的技術(shù)統(tǒng)計(jì)見表5。此后，又施工了1號(hào)壓力管道下斜段和大朝山電站2號(hào)壓力管道。

表5              反井鉆機(jī)鉆鑿2號(hào)壓力管道導(dǎo)井統(tǒng)計(jì)

工作內(nèi)容	工作量	工作時(shí)間/h	達(dá)到指標(biāo)
導(dǎo)孔鉆進(jìn)	直徑216mm，深203m	370.75	0.55m/h
接擴(kuò)孔鉆頭		6
擴(kuò)孔鉆進(jìn)	直徑1.4m，深191m	240.75	0.79m/h
擴(kuò)孔破巖	293.87m3	240.75	1.22m3/h
成孔速度			130m/月
純成孔速度			222.7m/月
鉆孔偏斜率			1.1%

 

4.4大朝山電站通風(fēng)豎井施工

4.1.1  工程概況

大朝山水電站是瀾滄江中下游河上的又一座大型梯級電站,位于滇西云縣和景東交界處, 在漫灣水電站下游。電站樞紐工程主要包括攔河壩和地下廠房系統(tǒng)。攔河為碾壓砼重力壩,壩頂高程△906.0m,最大壩高△118.0m,壩頂長 481.0m。水庫總庫容9.4億m3,調(diào)節(jié)庫容3.67億m3,為季調(diào)節(jié)水庫。水電站裝6臺(tái)22.5萬kW水輪發(fā)電機(jī)組,總裝機(jī)容量為1.35MW。小 灣電站建成前保證出力為36.31萬kW,年平均發(fā)電量為59.31億kW.h。小灣電站建成后, 保證出力72.35萬kW,多年平均發(fā)電量為70.21億kWh。

大朝山水電站尾水隧洞是電站的重要建筑物,包括出口土石方明挖和支護(hù)、閘門啟閉機(jī)安裝、兩條尾水隧洞石方洞挖和混凝土襯砌、通風(fēng)豎井等工程。兩條尾水隧洞 分別為1362.3×φ17m和1258.9×φ17m。`施工長大尾水隧洞，建設(shè)時(shí)期的通風(fēng)成為制約進(jìn)度的關(guān)鍵之一，為此，在施工支洞附近設(shè)計(jì)四條通風(fēng) 豎井，深度從95到140m。

豎井施工特別是小斷面豎井，施工難度大。前期曾采用人工正井法開挖，工程進(jìn)展緩慢，制約了尾水隧洞主體工程進(jìn)度，為此，將原通風(fēng)豎井人工正井法，改為反井鉆機(jī)法機(jī)械施工，以加快豎井施工速度，搶回工期，為主體工程施工創(chuàng)造良好條件。

1997年10月反井鉆機(jī)進(jìn)場，到1998年9月，先后完成尾水隧洞、廠房、尾調(diào)室通風(fēng)豎井6條和壓力管道1條，總鉆孔深度825.07m。

4.2.2工程條件

尾水隧洞通風(fēng)豎井布置在施工支洞和主洞相交位置附近，上部在廠區(qū)公路邊，那戈河兩側(cè)。巖石主要為玄武巖，夾部分凝灰?guī)r，為Ⅲ到Ⅴ圍巖，地質(zhì)條件相對簡單，但由于那戈河的影響，水文條件可能復(fù)雜。

尾調(diào)室通風(fēng)井布置既要考慮位置，又要考慮上部鉆機(jī)運(yùn)輸和安裝方便，經(jīng)過多次修改，最后確定尾調(diào)室通風(fēng)井上口在10號(hào)公路。巖石主要為玄武巖，夾部分凝灰?guī)r，為Ⅲ到Ⅴ圍巖，巖石堅(jiān)硬。

4.2.3施工設(shè)備簡介

根據(jù)通風(fēng)豎井條件，選用LM-200型反井鉆機(jī)，該機(jī)是LM系列反井鉆機(jī)之一，是由煤炭科學(xué)研究總院北京建井研究所研制，主要用于煤炭深井和水電系統(tǒng)長大壓力管道施工，該機(jī)曾獲得原能源部煤炭科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、獲電力部科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)、獲華北電力集團(tuán)公司科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

4.2.4施工情況及技術(shù)統(tǒng)計(jì)                      

大朝山電站尾水隧洞開挖，首先開挖施工支洞，當(dāng)其達(dá)到主洞位置后，向地下廠房和出口兩個(gè)方向開挖主洞，此時(shí)，通風(fēng)效果很差，影響正常施工。設(shè)計(jì)的T4通風(fēng) 豎井，采用人工正井法施工，月進(jìn)只有幾米，完成138m通風(fēng)豎井需要一年多，難以解決通風(fēng)問題。反井鉆機(jī)進(jìn)場后，調(diào)整井位，并利用原人工開挖的6m的小 井，作為泥漿池，用8天時(shí)間完成導(dǎo)孔，此時(shí)，施工導(dǎo)洞還沒到位，等4天后導(dǎo)洞開挖到位，接1.4m直徑擴(kuò)孔鉆頭，由下向上擴(kuò)孔，用15天完成 138.08m擴(kuò)孔。在主洞開始開挖時(shí)，自然通風(fēng)效果已能滿足施工要求，距離較長時(shí)，在鉆孔上部安裝通風(fēng)機(jī)，抽出式通風(fēng)，效果非常好，放炮后即可進(jìn)洞出 渣。

次后又根據(jù)工程進(jìn)展的需要，先后完成T2通風(fēng)豎井、壓力管道導(dǎo)井、尾調(diào)室通風(fēng)豎井、T1和T3通風(fēng)豎井、廠房通風(fēng)豎井等工程，為大朝山電站整體地下工程建設(shè)和后期安裝創(chuàng)造良好的施工條件，技術(shù)統(tǒng)計(jì)見表2。

表5-4-6        反井鉆機(jī)施工大朝山電站通風(fēng)豎井技術(shù)統(tǒng)計(jì)

工程名稱	T4通風(fēng)豎井	T2通風(fēng)豎井	T3通風(fēng)豎井	T1通風(fēng)豎井	尾調(diào)室通風(fēng)豎井	廠房通風(fēng)豎井
導(dǎo)孔深度 （m）	138.08	130.75	109.5	101	162.18	133.56
擴(kuò)孔深度 （m）	138.08	130.75	109.5	101	162.18	133.56
鉆孔傾角（度）	90	90	84	73	90	87.167
導(dǎo)孔直徑（mm）	216	216	216	216	216	216
擴(kuò)孔直徑（mm）	1.4	1.4	1.4	1.4	1.4	1.4
開鉆日期	97.10.22	97.11.26	98.3.4	98.6.25	98.5.2	98.8.9
完工日期	97.11.18	97.12.25	98.3.26	98.7.26	98.6.20	98.8.26
導(dǎo)孔時(shí)間(天)	8	6	4	7	9	5
擴(kuò)孔時(shí)間(天)	15	24	15	23	30	13
導(dǎo)孔平均鉆速(m/天)	17.26	21.8	27.38	14.43	18	26.6
擴(kuò)孔平均鉆速(m/天)	9.2	5.4	7.3	4.39	5.4	10.23
月成孔速度	180.1	130.75	172.9	101	124.6	221.67