反井钻机在长斜井施工中的应用.doc

1、反井钻机在长斜井施工中的应用孙炯,何勇(中国水利水电第七工程局,四川 郫县 611730)摘 要：冶勒水电站调压室及压力管道工程 CV 标工程总投资为 3 700 万元,总工期为 40 个月,工程的关键线路为压力管道施工。其中两条倾角为 60,长度分别为 242 m 及 270 m 的压力斜井是该标段的最大施工难点:倾角陡、洞身长、地质条件复杂,地下水丰富,涌渗水量达 300 m3/h,安全隐患尤为突出。目前 LM-200 型反井钻机的实际斜井施工记录未超过 150 m。根据现场施工和反井钻机的实际技术性能,采用了反井钻机结合人工开挖下导洞的方案进行施工,取得了较好的效果,实际钻进深度 180

2、 m。主要介绍了反井钻机应用于大倾角、长深度斜井开挖施工的程序、方法、工艺及所取得的成功经验和存在的缺陷。关键词：反井钻机;导孔;扩孔;安装平台;压力;扩挖钻头;提升;控制;吊装;误差;基础;冶勒水电站1 概述1.1 工程概况冶勒水电站位于四川省石棉县和冕宁县境内,总装机容量为 240 MW。我部承建了调压室及压力管道工程。其中上斜井、中斜井长度分别为 242 m 和 270 m。斜井与水平方向夹角为 60,断面型式为直径 4.6 m 的圆形。采用反井钻机与人工下导洞开挖相结合的方案进行导孔施工。1.2 地质情况斜井围岩以、类为主,上中部为类围岩。围岩节理裂隙发育,特别是在桩号 0+6680+

3、682 段(扩挖钻头安装平台附近)岩层挤压破碎,裂隙中充有次生泥,围岩自稳能力极差,地下水丰富,从不同部位呈股状、滴状涌(渗)出,涌渗水量达 300 m3/h。斜井围岩岩性由晋宁期石英闪长岩组成,具混合岩化特点,岩质坚硬,湿抗压强度100 MPa。岩体中隐微裂隙较发育,岩脉与围岩呈溶解式接触,或挤压破碎接触。1.3 关于反井钻机本次斜井施工采用的反井钻机型号为 LM-200 型。主要由钻机车、操作车、泵车、钻具等四部分组成,配套辅助设备为洗井泵一台,斜井专用装置一套。厂家提供的反井钻机主要技术性能如下:(1)导孔直径(mm):216(2)导孔直径(mm):1 400,2 000(二次扩孔)(3

4、)钻井深度(m):200,小于 150 (2 m 扩孔)(4)总功率(kW):82.5(5)主机外型尺寸(长宽高)运输(mm):2 9501 3701 570工作(mm):3 2301 7703 448(6)主机重量(kg):8 2772 施工布置2.1 反井钻机的冷却循环系统反井钻机的冷却循环系统由:洗井泵(泥浆泵)、水池、水沟组成。距反井钻机基础 15 m 处设置一个 5 m3水池,水池中间设一隔墙,将水池分隔成清水池和沉淀池。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。具体布置见图 1。2.2 反井钻机运输轨道的安装为方便反

5、井钻机就位、定位,在洞内卸机部位地面安装运输轨道,轨距 60 cm,轨道为 24kg/m 的轻轨,枕木为 10 cm10 cm 方木,间距为 50 cm/根。2.3 反井钻机的安装基础反井钻机安装在平段与斜井相交部位,主机起钻孔口与斜井中心线延长线吻合。操作车、泵车依次停放在扩挖过后的盲洞内,操作车距起钻孔口有大于 1 m的安全距离。基础采用 C20 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。3 反井钻机施工程序基础浇筑(一期含循环水池)反井钻机进场安装(包括高压洗井泵)测量初定位 216 mm

6、 先导孔施工钻头在预定深度出露(若未出露扩挖找钻头)扩孔钻头安装平台施工扩孔钻头提升扩孔钻头安装安装平台撤出1 200扩孔施工扩孔钻头拆卸反井钻机撤除。4 施工过程及方法4.1 反井钻机的安装本工程平洞直径为 4.6 m,能满足卸车条件,反井钻机采用实际载重能力在10 t 以上的平板货车,货箱的长度不宜超过 5.5 m,离地高度不宜超过 1.2 m。反井钻机主机重达 8.3 t,无法采用汽车吊、装载机等灵便设备在洞内卸车,经研究讨论最终选择在地质塌方部位,利用支护钢支撑再充分加固后配以 10 t 手动葫芦卸车,极限安全卸车高度为 4.8 m。4.2216 mm 先导孔施工反井钻机施工的关键在于

7、先导孔钻孔质量。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,实施不同的主、副泵工作压力、转速和适时装配稳定钻杆进行控制。反井钻机的钻杆分为普通钻杆(1 m)和稳定钻杆(0.5 m),差别在于后者比前者外周多了均匀分布的四条 3 cm 厚的钢肋板,其作用是导向,防止钻杆随深度的增加旋转产生过大弯曲、过大摆幅,起到稳定的作用,同时保护钻杆与孔壁的接触磨损。我部采用的稳定钻杆的加设方法如下:钻进 2 m 时必须加设 1 根,钻进 810 m 时再加设 1 根,然后每钻进 20 m 加设 1 根。实践证明上述方法较为合理、安全、稳妥。钻杆加设

8、时一般采用副泵提供的较小动力运行,钻杆丝扣之间力度适中,过紧容易损伤丝扣,过松钻杆容易脱落。为了便于拆卸钻杆,可在钻杆套接前于丝扣处加设少量 10 号铅丝。先导孔开始施工时一般采用副泵提供较小的、均匀的动力,以免孔口周壁因振动过大开裂而难以成型。我部总结的主、副泵在不同围岩类别、不同钻孔深度等条件下的工作压力经验数据见表 1。上斜井先导孔施工实际共钻进了 160 m,最大单日进尺 8 m,平均 3 m/d(处理反井钻机故障时除外)。中斜井施工时曾多次出现反井钻机机械故障,但示出现塌孔、大量漏水等异常现象。中斜井导孔施工共钻进了 180m 导孔，最大单日进尺 10m，平均 3.8m/d（处理反井

9、钻机故障时除外）。4.31 200 mm 扩孔施工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,采用副泵提供较小的、均匀的动力,进尺较慢,控制在 10 cm/h,以防钻头偏心受力过大而扭断钻杆。钻进施工中要求有较为稳定供水量,以使刀具能得到水冷却,供水量要求不小于 7.8 m3/h。扩孔施工时,钻杆的拆卸要特别注意钻杆卡瓦正确摆放及自身的完好程度,以免出现卡瓦突然断裂,造成扩孔钻头、钻杆脱落。反井钻机在各种条件下,进行扩孔施工的工作压力经验数据见表 1。上斜井扩孔施工时未出现孔壁坍塌等异常现象,但钻头刀具磨损较为严重,几乎每钻进 30 m 就要更换一副全新的刀具,每次更换刀具时,

10、钻头要重新回放至扩挖平台上,耗时 5 d,安全隐患及施工难度极大。上斜井扩孔施工实际共钻进了 160 m,最大单日进尺 6 m,平均 32 m/d(反井钻机故障除外)。根据上斜井扩挖施工经验,在中斜井施工前,我部会同有关厂家技术人员对扩孔钻头进行了大胆的技术改造:将直径由原来的 1 400 mm 改为 1 200 mm,并对刀盘刃角进行了倒圆处理。此举收到了较为良好的效果,中斜井一次性反扩了170 m 后刀具才出现问题。中斜井扩孔施工实际共钻进了 180 m 扩孔,最大单日进尺 7 m,平均 5.2 m/d(因反井钻机故障除外)。4.4 人力资源配置斜井导孔、扩孔施工时现场人力资源配置为:操作

11、班由 9 人组成,3 人一组进行三班倒,9 人中有机械技术员一名,修理工一名,水工技术人员一名。另设一名机械工长期跟踪服务,适时进行现场指导。5 结语将反井钻机应用于长斜井,在保证安全的前提下顺利地完成了施工任务,这是一次新技术应用的成功典范,同时在未来水电工程施工应用中前景广阔,特别是在保证施工安全方面,该方法值得借鉴与推广。现将施工中所取得的几点体会叙述如下。(1)反井钻机的工作原理较为先进,能适用于大倾角、长深度的斜(竖)井施工,与其他导井施工方法相比较,具有一定的进度优势和明显的安全优势;(2)加设、拆卸钻杆时要特别注意施工方法,钻机压力应适中、均匀,以防钻杆脱落,造成难以处理的工程事

12、故;(3)施工中要注意钻进速度,不能盲目追求高进尺,否则容易造成导孔偏斜率偏高而难以控制,甚至扭断钻杆;(4)就现有的性能而言,LM-200 型反井钻机适用于深度在 150 m 以下、可一次性贯通、并且在斜井施工中具有足够的安装工作面。四川水力发电研制单位：北京中煤矿山工程有限公司 用 途：煤炭、水电、冶金等领域的通风孔、排水孔、溜渣井、电缆井、母线竖井、引水井、溜矿井、调压井、闸门井等。技术特点：全部机械化施工，速度快，安全可靠，成本低，可以施工 5090的斜井和直井。设备采用全液压控制，体积小，质量轻，适合在井下小断面工作，工作安全可靠。技术关键：采用先钻导孔后扩孔的施工工艺，根据设备的不

13、同，导孔直径有些区别。技术指标：（1）LM-90 型反井钻机导孔直径：190 mm扩孔直径：500900 mm钻孔深度：5090 m可施工倾角：6090（2）LM-120 型反井钻机导孔直径：244 mm扩孔直径：1 200 mm钻孔深度：80120 m钻孔偏斜率：0.75（3）LM-200 型反井钻机导孔直径：216 mm扩孔直径：1 400 m（一次扩孔）2 000 m（二次扩孔）钻孔深度：200 m（1.40 m 扩孔）150 m(2.0 m 扩孔)钻孔偏斜率：1%推广应用：应用 LM 系列反井钻机，成功的施工了数十条直井和斜井，该施工技术的关键是，采用合理的钻进参数，确保导孔的垂直度和

14、施工速度，应用合理的扩孔钻进参数，保证扩孔的安全性。已完成多项大型反井施工工程，钻成深度为 316 m 的我国最深反井；在十三陵抽水蓄能电站钻成深 237 m、倾角 50的我国目前用反井钻机施工的倾角最大最深的压力管道导井。在国内外煤炭、水电、冶金等系统完成各种反井工程近万米，包括暗井、煤仓、通风孔、压力管道孔等各种竖井和斜井工程。鉴定时间：LM-120 型反井钻机 1987 年；LM-200 型反井钻机 1991 年；LM-90 型反井钻机 1991年；300 m 深井反井钻井技术 1989 年；大倾角深斜反井工艺及专业设备的研究 1991 年。获 奖：反井钻机（直径 1.2 m，钻深 80

15、120 m）1989 年获“七五”攻关阶段成果奖；LM-200 型反井钻机的研制和钻井技术 1991 年获部科技进步一等奖；LM 系列反井钻机 1996 年获部科技进步一等奖。 ZFYD 系列低矮经济型反井钻机 ZFYD-1200ZFYD-2500。您的位置产品信息低矮型系列反井钻机低矮型系列反井钻机型号：ZFYD1200 ZFYD1500 ZFYD2500 ZFBPY1000用途：适用于井下煤仓、暗立（斜）井，管路孔、电缆孔、溜煤孔、通风孔等施工作业。特性：工作高度低、整体搬运、刚性好、承载能力大、稳定性好、装卸钻杆机械化。主要技术指标：钻 机 型 号 ZFYD-1200 ZFYD-1500

16、 ZFYD-2500 导孔直径(mm) 200 250 250 扩孔直径(mm) 1200 1500 2500 钻孔深度(mm) 200 100 100 钻杆直径(mm) 150 200 200 导孔钻速(r/min) 035 035 035扩孔钻速(r/min) 017 017 012 主轴扭矩(kNm) 10.721.5 2244 68.598 许用最大推力(kN) 170 222.5 222.5拉力(kN) 440 1154 1470 钻孔倾角() 6090 6090 6090 主机重量(包括搬运车)（t） 3.65 6.5 9.41 主机搬运尺寸（长宽高）（mm） 2160940154

17、3 230911421704 247314202089 主机工作尺寸（长宽高）（mm） 191510202500 226512452764 269015902900 钻杆有效长度（mm） 1000 1000 1000 钻孔偏斜率（%） 1 1 1 电机功率（Kw） 50.5 118.5 166.5 驱动方式 全液压驱动 全液压驱动 全液压驱动 随机钻杆长度（m） 50 50 50 联 系 人：胡林；电话：025-57716373；手机：13809027872；电子信箱： 低矮型系列反井钻机简介 一、国产反井钻机类型及其特点 反井钻机是一种机械化程度高、安全高效的反井施工设备。尤其是用它钻凿煤矿

18、的反井、井下煤仓、溜煤眼、延伸井筒及各种暗立井时可大大提高建设速度。它 还具有减轻工人劳动强度、作业安全、成井质量好等优 点。受到广大 矿工们的欢 迎。国外六十年代就开始生 产使用反井钻机进行反井施工，反井钻机钻 井工艺不断得到完善和发展，目前在工业发达的国家中使用反井钻机钻凿反井的比重已超过 60%以上，有的达到 90%。 图 1 （a）LM120 型反井钻机 （b）TYZ1000 型天井钻机 1-钻架 2-搬运车 3-油箱车 4-动力车 5-操作台 6-起吊装置 我国研制反井钻机 1967 年开始，由长沙矿山研究院负责设计研究槽形框架拼装结构、全液压传动反井钻机，由于矿山生 产的需要使其发

19、展较迅速，并形成了 TYZ 天井钻机系列，1986 年初到 1994 年煤科总院建井所根据煤矿的生产建设的具体情况，设计了 LM 系列反井钻机。以上二个系列机型属于同一类型，即为槽形框架拼装结构，此类机型代表见图 1。这种反井钻机在主机机架上部设计了一对（或二对）支撑油缸，在安装使用时支撑油缸支撑在峒室的顶板上，钻机机架下端设计了带下支撑油缸的四连杆滑块机构，这上、下支撑油缸的作用是：（1）调平找正钻机机架；（2）承重并防止钻机机架在钻孔时松动；（3）克服来自钻头的反扭矩和反作用力。 这种机型的特点是钻机安装、拆卸方便，下支承设计成四连杆滑块机构，便于 钻凿6090斜孔，装卸钻杆机械化，自带运

20、搬车，可以整体运搬。但这种拼装成框架，支承式安装形式使钻机刚性差，承载能力小，只适用于小机型，又由于上支撑是顶在峒室顶板上，故要求顶板强度高。在生产制造中由于槽型框架拼装结构复杂，加工制造和装配精度难以保证，往往影响钻机的制造质量和加工成本。 二、我所研制的反井钻机类型及其特点 我所从 86 年开始，对国内外反井钻机的结构及使用中的情况进行调查研究，结合我国煤矿生产实际，参考了国外先进 的大型机型，吸取国内机型的优点， 设计了两柱三缸刚性框架结构形式的反井钻机，十几年来，我所设计研制的反井钻机有八个品种，主要类型有普通型、低矮型、移动式和变频调速电液传动型。 这些机型与国内其他厂、院所设计的机

21、型不同，我 们吸收了国内外其他反井钻机的优点，并结 合我国煤矿生产中的具体情况，研究设计了两柱三缸刚性基础的结构形式。上述类型反井钻机在煤 矿生产实际使用中得到了用户的一致好评。我所开发研制反井钻机的特点如下： 1两柱三缸普通型反井钻机 从 87 年到 91 年，我所参考了美国罗宾斯机型，即两柱三缸结构形式，并吸收了国 产钻机的优点，结 合现场使用要求，设计了 ATY1500 型和 ZFY2500 型反井钻机， 这两种钻机结构特点是由两个圆形导向立柱导向，三只对称布置的推进油缸沿两导向柱上、下移动实现钻机的推拉力，钻机机架不需用支撑油缸支撑在峒室顶板上，而直接用锚杆定在地基基岩上。这种普通型的

22、反井钻机在使用中具有刚性好，承 载能力大（ATY1500 型反井钻机一次成井 1.5 米，ZFY2500 型反井钻机一次成井 2.5 米），稳定性好， 导向精度高，锚杆装卸、钻机运输方便等优点，具体结构见图 2。 图 2 ATY1500、ZFY2500 反井钻机 1-主机 2-搬运车 3-油箱车 4-泵站 5-操作台 6-吊挂装置 7-钻机（包括三牙轮钻头、钻杆、扩孔刀盘） 2ZFYD 系列低矮型反井钻机 在反井钻机的研制过程中，我所技术人员经常到生产现场，听取用户的意见，不断的改 进使产品更完美。通过使用和实 践， 发现以上两种结构型式的反井钻机工作高度过高（3600mm 和4030mm），

23、运输尺寸大，在井下使用时需要人工挑 顶，开挖 较大的峒室，增加了施工成本，延长了工期，尤其是较浅的暗立井施工中，应用反井钻机施工其经济效益不明显。 为了适应生产需要，从 1992 年起，我所又研制了低矮型反井钻机（见图 3），并形成了以 ZFYD1200 型为代表的 ZFYD 系列低矮型反井钻机。该机型的特点：（1）采用两柱三缸结构形式，钻机机架直接锚固在地基基岩上，使钻机整体刚性好，承载能力大。（ 2）钻 机的推进油缸采用伸缩式套筒油缸，使钻机工作高度大大降低，一般在 25002900mm（详见附表），用低矮型反井钻机施工暗立井时，开挖峒室工作量小（或不开挖），降低了人、财、物的消耗，缩短了

24、施工前期的准备工期。（3）三只推进油缸对称布置，其中心连线为一等边三角形， 这三角形的重心就是钻机回转中心， 这是钻机运转平稳因素之一，钻扩孔精度高。（4）装卸钻杆机械化，自带运搬车整体运搬。ZFYD 系列低矮型反井钻机研制成功，为我国暗立井施工提供了一种先进、高效而安全的施工设备，在 现场使用中得到了用户的一致好评。 图 3 ZFYD 系列低矮型反井钻机 1-主机 2-搬运车 3-泵站 4-钻具 5-主机基础 6-吊挂装置 7-液压操作台 8-电气开关盒 3滚刀的研究 我所对滚刀破岩机理、受力分析做了大量的工作，还积累了滚刀国内外的结构设计、材料 选择及热处理、各种合金焊接工 艺和滚刀生产制

25、造工艺等大量试验资料。设计的大型竖井钻机楔齿滚刀获机械工业部二等奖，工程钻机用 DXP-1 镶齿盘 形滚刀（课题号 88-146）在生产使用中寿命达 550 米。我们还和洛阳九久公司共同研制了适合于各类地下工程的高耐磨性焊齿破岩滚刀和球齿破岩滚刀。目前我们正在 设计研究地铁及隧道工程用的盘形滚刀和遁构用的刮刀。 三、我所设计研制的反井钻机与国内同类机型比较 我所设计研制的反井钻机与国内其它院所反井钻机的不同点： 1钻机的工作高度低 小机型工作高度2500mm，大机型2960mm 2承载能力大机型成本低 同样性能参数的反井钻机主机重量（包括运搬车重量）相比，我所的钻机重量轻 55%（如ZFYD1

26、200 主机重量 3.61t，LM120 主机重 8t，TYZ1000 主机重 8.4t），功率最大。 3钻扩孔直径目前最大达 2.5 米，钻扩孔深度可达 500 米以上。 其综合性能比较请看附表 四、ZFYD 系列反井钻机的工作原理与结构特点 ZFYD 系列反井钻机的工作原理与其它反井钻机大致相同，即将钻机安装在上水平，先由上往下钻一个先导孔，然后在下水平巷道卸去先导孔钻头，安装上扩孔钻头，再由下往上 扩孔，直到把扩孔钻头打到上水平，完成反井施工。 该钻机主要由主机、运搬车、液 压泵站、钻具（包括 钻杆、稳定钻杆、三牙轮钻头及扩孔钻头等）液压操作台、钻机基础 、钻杆起吊装置等组成。 主机由两

27、台液压马达通过齿轮减速箱、驱动头构成钻机回转系统，驱动头与钻杆联接， 带动钻杆与钻头进行钻孔所需的回转运动，并给钻机提供所需的扭矩。三只对称布置的推进油缸带动减速箱、驱动头及钻具上、下移动构成钻机的推进系 统，并 给钻机提供钻孔所需的钻压。在扭矩及钻压的联合作用下，三牙 轮钻头或扩孔钻头破碎岩石。在先导孔钻进中，被破碎下来的岩石屑用洗井液采用正循环方式排至井口上部，再扩孔时，岩石屑靠自重落到下水平巷道。 ZFYD 系列反井钻机的结构特点如下： 在回转系统中，选用了两台并联的低速大扭矩液压马达，简化了减速箱的设计同时还可以获得两种不同的转速和扭矩。 采用国际上较为先进的三缸两柱式结构，整体钢性较

28、强，稳定性好，同 时三只油缸对称布置，对钻具施加的力均匀，从而保证了钻机钻孔时的工作稳定性。 采用带浮动量的驱动头，装卸钻杆时使钻杆上、下浮动，以免由于主 轴的升降速度与螺距不一致而损坏螺纹，且在驱动头的外齿套上设计了反向棘轮，配合辅助卸杆器拆卸钻杆。 液压系统的主回路小机型采用开式回路，掖压系统简单可靠；大机型采用闭式回路，从而大大减小了钻机上液压泵站的油箱体积，保证了主系统中工作油液的清洁度，有效提高了液压元件的使用寿命。 钻机采用全液压传动，动力单一，便于管理。五、结束语 十几年来我所反井钻机组的技术人员深入现场，根据用户的要求开发新产品，研制出一台又一台新型的反井钻机，这些钻机在兖州矿务局的鲍店矿、南屯矿、北宿煤 矿、兴隆庄煤矿、济宁三号井、东滩矿、窑街矿务局、枣庄矿务局、肥城矿务局、铁法矿务局、六枝矿务局等几十个煤矿，进行了万米以上反井工程施工，表明钻机性能好，成井质量高，得到了 现场领导和施工人员的欢迎，其钻机的综合性能在国内处于领先地位。同 时通过多年来的研制工作， 锻炼出一支较强的设计队伍，在反井钻机的结构设计、反井施工工 艺及性能参数的研究方面也做出了不少的成绩。目前我所正对反井钻机的参数优化、多用综合型钻机（包括水平钻扩孔）的研究及零部件的可靠性方面做了大量的研究工作，我所的目标是将我们设计的反井钻机打入国际市场，使我所成为中国的罗宾斯公司。