反井施工 |
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LM系列反井鉆機及反井鉆井施工技術
反井鉆機發(fā)展回顧
普通豎井鉆井法早在1896年開始應用,而反井鉆井法出現(xiàn)較晚。采礦工作者將潛孔式鉆機和平巷掘進機的原理,應用在反井掘進中,創(chuàng)造出反井鉆機雛形。 1960年德國將如圖1所示的裝備用于施工反井。這種設備主要包括絞車、鋼絲繩、鉆頭和電纜等,它的施工工藝和吊罐法有些相似,先用小直徑鉆機鉆1到2個 孔,沿鉆孔下放鋼絲繩和電纜,在下部和鉆頭連接,鉆頭的結構類似于平巷掘進機,具備支撐、推進和旋轉功能。在鉆頭入孔之前,先施工一段導向孔,或安設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,鉆頭的推進和旋轉機構同時作用于破巖刀具,將巖石破碎下來,當一個推進行程完成后,先把推進油缸縮回, 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,進行下一循環(huán)鉆進。這種施工設備由于在上下兩水平,操作控制困難,地質條件對鉆進影響很 大,使用起來問題較多,這種無鉆桿鉆機雖已不在使用,但它開辟了機械施工反井新途徑。
到1962年,美國羅賓斯公司研制成第一臺有鉆桿反井鉆機,這臺鉆機驅動控制系統(tǒng)都在上部,由上向下鉆進導孔,鉆導孔同時將鉆桿放到下部,在下部和擴孔鉆 頭相連,再由下向上擴孔,最后形成反井。目前大多數(shù)反井鉆機是這種類型,只是具體結構有所不同。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,目前反井鉆進施工深度以達千米,最大直徑6m。
1 概況
表1
型號 |
導孔直徑/mm |
擴孔直徑/m |
深度/m |
轉速/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 反井鉆機主要用途
反井鉆機適用于鉆鑿上、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用(表2)。
表2
應用領域 |
階段性臨時工程 |
臨時工程 |
永久工程 |
煤炭系統(tǒng) |
各種溜矸孔(煤倉、暗井、主井、副井、風井) |
采區(qū)風眼、溜煤眼、溜矸眼、瓦斯抽放孔 、安全救護鉆孔 |
通風井、下料井 |
水電系統(tǒng) |
各種導井(壓力管道、出線井、調壓井、電梯井) |
施工期間通風豎井(長大隧洞、地下調壓室)、加固鉆孔 |
地下永久建筑(廠房、變壓室等)通風豎井、觀測孔、 |
其它開采礦井 |
各種溜井(井筒、礦倉) |
采區(qū)風眼、溜礦眼、溜渣眼、材料人員井 |
通風孔等 |
地下建筑 |
各種導井 |
施工期間通風孔 |
通風井、進出口 |
3 反井鉆機的分類
第一類,反井鉆機安裝在上水平,由上水平向下鉆進導孔,在下水平拆導孔鉆頭,接擴孔鉆頭,由下向上擴孔。
第二類,鉆機安裝在下水平,由下水平向上鉆進導孔,在上水平拆導孔鉆頭,接擴孔鉆頭,由上向下擴孔。
第三類,鉆機安裝在下水平,由下水平全斷面向上水平鉆進,一次成孔,沒有導孔。
表1為這三種類型反井鉆機的比較,可以進一步看出它們的區(qū)別和優(yōu)缺點。目前,我國這三類反井鉆機都有使用,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,以及從美國引進的83RM-HE型和從芬蘭引進的RHINO1000型為第一類;從西德引進的 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,這幾類鉆機的主要技術參數(shù)見表3,由于這些反井鉆機 各有特點,所以必須充分利用各自優(yōu)點,為礦山建設服務。
表3
比較項目 |
第I類 |
第II類 |
第III類 |
鉆機安裝位置 |
上水平 |
下水平 |
下水平 |
導孔方向 |
由上向下 |
由下向上 |
無導孔 |
拆導孔鉆頭接擴孔鉆頭位置 |
下水平 |
上水平 |
—— |
擴孔方向 |
由下向上 |
由上向下 |
由下向上 |
擴孔出渣 |
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 |
鉆機和出渣在兩水平互不干擾,工作條件好;受地質條件影響小;鉆孔垂直度容易掌握。 |
鉆機功率小,相對體積和重量小。 |
可以在上水平?jīng)]巷道或生產(chǎn)系統(tǒng)時采用 |
缺點 |
導孔鉆進難度大,需要的輔助設備較多。 |
出渣和鉆進相互影響;一次擴孔直徑較小,需要分次擴孔相對速度較低;鉆孔精度難以保證。 |
鉆機功率大;出渣和鉆進相互影響。 |
4.LM系列反井鉆機鉆進工藝及構造
反井鉆機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孔鉆進和擴孔鉆進,在上部施工出反井鉆機平臺,澆筑鉆機基礎和其它輔助臨時設 施,安裝鉆機,由上向下鉆進一小直徑導孔,導孔鉆頭后,將擴孔鉆頭運到下部,拆下導孔鉆頭,連接擴孔鉆頭,由下向上擴孔。導孔鉆進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,擴孔時巖屑靠自重落到下水平,由裝載設備運出。
反井鉆機主要包括主機部分、鉆具部分和輔助設施。主機一般包括鉆機架、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、導孔鉆頭、擴 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型反井鉆機主機部分,圖3為鉆具部分,圖4為擴孔鉆頭,圖5為導孔鉆頭, 圖6為破巖滾刀。
4.1 LM-200型反井鉆機
LM-200型反井鉆機是為煤礦井下鉆進較深反井設計,為了便于井下運輸,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。該機包括主機、操作車、泵站、鉆具部分和泥漿循環(huán)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)。泵站有兩臺電機驅動,主油泵75kW、
圖1 LM-200型反井鉆機
輔油泵7.5kW,導孔鉆進循環(huán)用泥漿泵90kW,冷卻系統(tǒng)循環(huán)量10-15m3/h。該機設計最大鉆井深度200m,鉆井直徑1.4-2.0m。但目前已用該鉆機鉆進深度316m工程,對該機進行部分改造后,在十三陵抽水蓄能電站,鉆進傾角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
ZFY2.0/400型反井鉆機是為煤炭深井以及水電系統(tǒng)堅硬巖石工程開發(fā)的強力反井鉆機,該機鉆機主要由主機、泵站、液壓操縱臺、鉆具(包括鉆桿、穩(wěn)定 鉆桿、鉆頭等)、起吊裝置、電器開關等組成。(見圖3)圖示為鉆機工作狀態(tài)。鉆機主機主油泵功率110kW,該機主要特點是:
(1)
(2)
(3)
5.反井鉆機主要優(yōu)點
(1)施工安全。和其它反井施工方法相比,反井鉆機施工時,工作人員不需進入工作面,進行打眼、裝藥和臨時支護等作業(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。反井鉆機施工為機械化連續(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)工程質量好。反井鉆機采用滾刀機械破巖,對圍巖破壞小,井壁光滑,有利于擴挖溜渣、通風、排水。
(4)反井鉆機采用液壓傳動控制,操作簡單,工人勞動強度低。
6. LM系列反井鉆機技術及施工的發(fā)展
表5
工程實例 |
工藝項目 |
完成時間 |
開灤礦務局趙各莊礦11水平暗井 |
塌孔等不良地質條件鉆井工藝 |
1986年 |
澄河礦務局王村煤礦主煤倉 |
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 |
復雜條件鉆進反井工藝 |
1994年 |
兗州礦務局濟寧3號井副井 |
凍結地層反井鉆井工藝 |
1995年 |
云南大朝山電站通風豎井 |
堅硬巖石鉆進反井工藝 |
1998年 |
許疃煤礦副井 |
鉆井法鑿井和反井鉆機綜合鑿井工藝 |
2002年 |
為了充分發(fā)揮反井鉆機優(yōu)越性,必須根據(jù)工程條件,地質條件等合理選擇反井鉆機;正確的確定鉆進工藝;選擇掌握一定機械、地質、鉆井等方面知識有實踐經(jīng)驗的操作人員。如果選擇不當,可能會出現(xiàn)問題或發(fā)生事故。設備選擇主要依據(jù)和步驟如下:
7.1反井鉆機選擇主要依據(jù)
①
②
7.2 選擇步驟
① 可行性研究和風險評價
對工程概況和地質條件進行充分研究,確定是否具有采用反井鉆機施工條件:包括在上下水平隧洞內(nèi)能否形成運輸、出渣、供水、供電等生產(chǎn)條件;圍巖在反井鉆井 施工過程中和擴挖期間能否穩(wěn)定,不發(fā)生較大的涌水和塌方。因為,在反井施工和擴挖期間,導井無法安設臨時支護,若圍巖不能在這段時間內(nèi)穩(wěn)定,發(fā)生塌方,將 導井堵塞,會造成嚴重事故。因此,采用反井鉆機施工前,必須對此進行充分的研究和論證。
表7
擴挖直徑 /m |
打眼放炮人工施工的導井 (木垛、吊罐和爬罐法等) |
反井鉆機施工的導井 |
|||
堅硬巖石 (>100Mpa) |
較軟巖石 (<100Mpa) |
堅硬巖石 (>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 導井技術參數(shù)的確定
工程本身已確定了鉆孔深度和傾角,現(xiàn)在要確定導井直徑,也就是反井鉆機擴孔直徑,導井的作用是溜渣、排水、通風、要有足夠的斷面,保證擴挖時不致堵塞。導 井直徑過小,除了容易堵塞外,還增加了擴挖時打眼和出渣工作量,降低了擴挖速度。導井直徑過大,成本將會大大增加。因此,導井斷面選擇必須合理,一般按表 7選擇,但對于擴挖直徑超過10m的工程,導井直徑可選擇在1.5m左右,先由下向上擴挖到4~5m,后再擴挖到設計斷面,這樣可加快施工速度,降低成 本,減少導井堵塞。
③ 破巖刀具的選擇
破巖刀具包括導孔鉆頭和擴孔滾刀。對于導孔鉆頭一般按生產(chǎn)廠家推薦的適用范圍選擇,但在反井鉆機鉆進導孔期間,最好不進行導孔鉆頭的更換,所以選導孔鉆頭 時應選擇適用于硬巖的鉆頭。對于擴孔鉆頭,選擇滾刀時,主要根據(jù)巖石的硬度、磨蝕性來確定滾刀的齒形和布置。反井鉆機一般采用鑲齒結構,選擇如下:
巖石的磨蝕性:低
硬
齒
滾
④ 反井鉆機的選擇
⑤ 鉆機輔助設備的確定
反井鉆機的主要輔助設備是泵,泵用于導孔鉆進時洗井液循環(huán)。根據(jù)不同的地質條件,可采用泥漿或清水,泥漿作洗井液時除了有將巖屑帶到孔外的作用,還對地層有一定的支護作用。用清水鉆進時一般可用離心泵,用泥漿鉆進時必須采用柱塞式泥漿泵,泵的排量和泵壓必須滿足要求。
8.反井鉆機施工導井所需現(xiàn)場條件
1)供電,提供不小于鉆機功率+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,并設總控開關。
2)供水,要求清水每小時不小于15-20m3,接到井口,設控制閥門。其作用是導孔鉆進時循環(huán)排渣、冷卻液壓系統(tǒng)和擴孔時冷卻破巖滾刀和降塵。
3)道路,可以是臨時公路,吊車可通行、能夠將最大件(主機)設備運到井口。
4) 場地,施工現(xiàn)場可同時擺放汽車和吊車,能夠進行設備裝卸。在井口8-10m范圍內(nèi)平整即可滿足反井鉆機施工要求。
5) 臨時工程,根據(jù)不同類型鉆機,以井筒為中心澆筑混凝土基礎,予留地腳螺栓孔,標號不小于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系列反井鉆機完成的部分工程情況
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
(19)
10.工程實例介紹
10.1.1概況
4.2 反井鉆機選擇及改造
根據(jù)2號壓力管道的工程條件,選擇LM-200型反井鉆機。通過對有關參數(shù)進行計算,該機基本能滿足工程要求。但由于該機是針對地下礦山井下條件設計,鉆 孔傾角60-90°。本次試驗用其鉆鑿傾角50°的斜孔,需對鉆機進行改造,改造的主要部分為:主機、穩(wěn)定鉆桿、和鉆桿輸送裝置等。
4.3 防斜措施
反井鉆井施工中導孔是關鍵,其成敗關系到整個鉆孔工作的成敗。本次是我國第一次用反井鉆機施工大傾角深孔工程,沒有成熟的經(jīng)驗可借鑒,2號壓力管道下斜段 巖石為復成份礫巖,巖石的均質性差,裂隙和構造十分發(fā)育。并且對于斜孔,不但鉆孔頂角變化會導致偏斜,方位變化對偏斜影響更大,所以必須從技術上作好準 備,采取可靠的鉆進措施來控制鉆孔的偏斜。
⑴ 選擇適宜的鉆進參數(shù)
⑵ 增設穩(wěn)定鉆桿
⑶ 泥漿參數(shù)控制
表4
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 ,導孔鉆進時先后進行了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°電路完成的方位機構。它不存在漂移問題。該儀器的誤差指標:方位誤差:±2°,頂角誤差:±10'。
4.4 鉆進工作
完成對LM-200型反井鉆機的改造后,鉆機運到現(xiàn)場,1992-06-04進行安裝,6月26日開鉆導孔鉆進,8月4日安裝擴孔鉆頭,8月17日完成了 深203m直徑1.4m,傾角50°的2號壓力管道下斜導井。鉆孔的技術統(tǒng)計見表5。此后,又施工了1號壓力管道下斜段和大朝山電站2號壓力管道。
表5
工作內(nèi)容 |
工作量 |
工作時間/h |
達到指標 |
導孔鉆進 |
直徑216mm,深203m |
370.75 |
0.55m/h |
接擴孔鉆頭 |
|
6 |
|
擴孔鉆進 |
直徑1.4m,深191m |
240.75 |
0.79m/h |
擴孔破巖 |
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大朝山電站通風豎井施工
4.1.1
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,調節(jié)庫容3.67億m3,為季調節(jié)水庫。水電站裝6臺22.5萬kW水輪發(fā)電機組,總裝機容量為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、閘門啟閉機安裝、兩條尾水隧洞石方洞挖和混凝土襯砌、通風豎井等工程。兩條尾水隧洞 分別為1362.3×φ17m和1258.9×φ17m。`施工長大尾水隧洞,建設時期的通風成為制約進度的關鍵之一,為此,在施工支洞附近設計四條通風 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,工程進展緩慢,制約了尾水隧洞主體工程進度,為此,將原通風豎井人工正井法,改為反井鉆機法機械施工,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月反井鉆機進場,到1998年9月,先后完成尾水隧洞、廠房、尾調室通風豎井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。巖石主要為玄武巖,夾部分凝灰?guī)r,為Ⅲ到Ⅴ圍巖,地質條件相對簡單,但由于那戈河的影響,水文條件可能復雜。
尾調室通風井布置既要考慮位置,又要考慮上部鉆機運輸和安裝方便,經(jīng)過多次修改,最后確定尾調室通風井上口在10號公路。巖石主要為玄武巖,夾部分凝灰?guī)r,為Ⅲ到Ⅴ圍巖,巖石堅硬。
4.2.3施工設備簡介
根據(jù)通風豎井條件,選用LM-200型反井鉆機,該機是LM系列反井鉆機之一,是由煤炭科學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,該機曾獲得原能源部煤炭科技進步一等獎、獲電力部科技進步三等獎、獲華北電力集團公司科技進步一等獎。
4.2.4施工情況及技術統(tǒng)計
大朝山電站尾水隧洞開挖,首先開挖施工支洞,當其達到主洞位置后,向地下廠房和出口兩個方向開挖主洞,此時,通風效果很差,影響正常施工。設計的T4通風 豎井,采用人工正井法施工,月進只有幾米,完成138m通風豎井需要一年多,難以解決通風問題。反井鉆機進場后,調整井位,并利用原人工開挖的6m的小 井,作為泥漿池,用8天時間完成導孔,此時,施工導洞還沒到位,等4天后導洞開挖到位,接1.4m直徑擴孔鉆頭,由下向上擴孔,用15天完成 138.08m擴孔。在主洞開始開挖時,自然通風效果已能滿足施工要求,距離較長時,在鉆孔上部安裝通風機,抽出式通風,效果非常好,放炮后即可進洞出 渣。
次后又根據(jù)工程進展的需要,先后完成T2通風豎井、壓力管道導井、尾調室通風豎井、T1和T3通風豎井、廠房通風豎井等工程,為大朝山電站整體地下工程建設和后期安裝創(chuàng)造良好的施工條件,技術統(tǒng)計見表2。
表5-4-6
工程名稱 |
T4通風豎井 |
T2通風豎井 |
T3通風豎井 |
T1通風豎井 |
尾調室通風豎井 |
廠房通風豎井 |
導孔深度 (m) |
138.08 |
130.75 |
109.5 |
101 |
162.18 |
133.56 |
擴孔深度 (m) |
138.08 |
130.75 |
109.5 |
101 |
162.18 |
133.56 |
鉆孔傾角(度) |
90 |
90 |
84 |
73 |
90 |
87.167 |
導孔直徑(mm) |
216 |
216 |
216 |
216 |
216 |
216 |
擴孔直徑(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 |
導孔時間(天) |
8 |
6 |
4 |
7 |
9 |
5 |
擴孔時間(天) |
15 |
24 |
15 |
23 |
30 |
13 |
導孔平均鉆速(m/天) |
17.26 |
21.8 |
27.38 |
14.43 |
18 |
26.6 |
擴孔平均鉆速(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 |