国产反井钻机在水电工程应用谭金龙 马绍龙摘要：反井钻机导井施工办法于1950年在北美一方面发展，60年代中期，反井钻机导井施工办法在欧洲，特别是德国开始受到欢迎国内自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， 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，并获得了高效、安全、优质、经济效果水电十四局是较早应用、摸索反井钻机导井施工水电施工公司，5年来对反井钻机应用，特别是国产反井钻机应用进行了进一步、全面摸索，并获得了一定经验核心词 国产反井钻机 导井施工办法 水电工程 应用一、前言1、反井钻机概述反井钻机导井施工办法于1950年在北美一方面发展，60年代中期，反井钻机导井施工办法在欧洲，特别是德国开始受到欢迎，当时反井钻机钻孔直径为1.2m，深度为150～200m；而到70年代初期，钻孔直径可达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，典型有美国罗宾斯公司，可提供28种型号产品，钻孔直径为1.2～6.0m，钻孔深度可达900m，德国维尔特公司生产HG100、160、210、250、330SP系列，钻孔直径从1.4～6.0m，钻孔深度高达1000m。
国内自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反井钻机，典型产品有苏南煤机厂生产LM－90～300系列、长沙矿山研究院生产TYZ1000～1500系列及西北有色冶金机械厂生产AF-等，钻孔直径为0.9m～2.4m，钻孔深度可达250m1992年水电系统第一次引进反井钻机，在十三陵抽水蓄能电站出线洞、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，并获得了高效、安全、优质、经济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、云南大朝山水电站等使用水力发电站为满足不同条件和对水工构造物功能上规定，设立地下竖井式闸门井、调压井和垂直与斜井压力管道竖井、斜井施工素有“咽喉工程、死亡之谷”之称因而竖井及斜井施工从来都是水电施工行业难点和重点而水电十四局在水电工程施工中享有“地下铁军”荣誉称号，为了满足水电站地下工程施工，水电十四局依照水电工程市场需要于7月购买了第一台LM-200型反井钻机，在湖北省水布垭电站成功应用，至12月先后购买共4台反井钻，先后在贵州三板溪水电站、云南省小湾水电站、云南省溪洛渡水电站、湖北省水布垭、三峡水电站等成功应用。
ML系列国产反井钻机由煤炭科学研究总院、北京建井研究所设计，由江苏苏南煤矿机械厂制造反井钻机设计重要用于煤矿开采，设计施工岩石硬度较低，岩石硬度为12级如下反井钻机由主机、油泵车、操作平台构成，施工时配备泥浆泵、循环水输送潜水泵、5t随车吊等反井钻机构造见附图1反井钻机构造示意图2、反井钻机在水电工程竖井、斜井导井施工应用7月水电十四购买了第一台ML-200型反井钻机并在湖北水布垭电站使用，水布垭电站岩石为灰岩，岩石硬度为9～12级，共施工7条竖井（最长竖井181 m），4条斜井（倾角为60度，长150m），总计施工1400 m6月水电十四购买了第二台ML-200型反井钻机在贵州省三板溪水电站使用，三板溪水电站岩石为花岗岩，岩石硬度为14～16级，共施工6条竖井（最长竖井186 m），总计施工670m8月水电十四购买了第三台ML-280型反井钻机在云南省小湾水电站使用，小湾水电站岩石为花岗岩，岩石硬度为14～16级，共施工11条竖井（最长竖井212 m），总计施工1525m12月水电十四购买了第四台RHNO300型进口反井钻机在广州惠蓄水电站使用，惠蓄水电站岩石为花岗岩，岩石硬度为14～16级，共施工3条竖井（最长竖井177 m），2条斜井（倾角为60度，最长303.7m），总计施工1085m。
3月水电十四采用ML-200型反井钻机在湖北省三峡水电站使用，三峡水电站岩石为花岗岩，岩石硬度为14～16级，共施工2条竖井（最长竖井82 m），总计施工164m3月水电十四采用ML-200型、ML-280型反井钻机分别在云南省溪洛渡水电站右岸地下厂房、四川省锦屏二级水电站使用，溪洛渡水电站岩石为花岗岩，岩石硬度为14～16级，共施工2条竖井（最长竖井215 m近期要施工竖井有20条，计2540m）；四川省锦屏二级水电站岩石为灰岩，岩石硬度为12级，共施工1条竖井（长191 m）总计施工600m截至9月大理分局机械化项目部合计施工竖井32条，6条斜井总计施工竖、斜井5514 m二、反井钻机施工基本原理反井钻机施工原理：由电机带动主机液压马达驱动动动力水龙头，运用液压动力将扭矩传递给钻具系统，带动钻具旋转，并向上、下升降，岩石产生挤压和剪切作用，使其破碎反井钻机施工分两个环节进行，先采用Ø216mm小钻头从上至下钻进到钻下平洞，在钻进过程中采用泥浆泵或高压水泵从泥浆池抽至动力水龙头，高压水沿钻杆至钻头排水孔压出，将石碴从钻杆与孔壁间环行空间排至排碴槽，最后进入沉渣池导孔贯通后（停止泥浆泵或高压水泵运营）然后卸下小钻头，改换成Ø1.4m镶齿盘形滚刀钻头，由下向上扩孔。
再采用镰齿盘形滚刀在钻压作用下沿井底滚动，从而对从下至上滚刀对岩石切削、挤压完毕竖井及斜井开挖，扩孔时石碴通过冷却水冲刷和自重坠落到下平洞三、反井钻机竖、斜导井施工工法特点1、反井钻机竖、斜井施工特点反井钻机在施工竖、斜井导孔过程中所有采用机械设备，只需要纯熟技工操作就行，反井钻机操作简朴、安全，对环境导致污染非常小，作业人员比较少每个班只需要4～5人但是反井钻机一次性投入相对较高，国产一台套LM-200型钻机投入使用其费用约145万元一台套进口RHNO300型反井钻机投入费用约1400万元四、老式人工竖、斜井导井施工特点斜井和竖井施工办法有全断面一次开挖法和导井开挖法两种方式，其中老式导井法开挖方式有正井、反井或正反井结合法反导井施工普通采用吊罐法、爬罐法或深孔分段爆破法，老式导井法施工当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一次性投入比较少，重要投入设备：20m3空压机一台、手风钻10把、通风设备一台、运送设备一台（卷扬机、吊罐爬罐），投入费用不到40万元如果采用阿立玛克爬罐则投入费用将增大，一台阿立玛克爬罐售价为255万元老式人工导井法施工无论采用正导井法、反导井法、吊罐法施工，均需要人员及设备至开挖掌子面进行钻爆施工。
因而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记录，深度在100m左右洞室导井开挖普通日平均进尺在1～1.5m左右人工导井施工办法对井深有一定限制，深度越深，施工难度越大、安全隐患更大五、反井钻机与老式人工导井施工工艺比较水力发电站为满足不同条件和对水工构造物功能上规定，设立地下竖井式闸门井、调压井和垂直与斜井压力管道依照对国内68座不同坝型和不同开发型式大型水电站记录，其中有地下竖井、斜井电站就有28座，占41%，并且每座电站均有数个竖井、斜井从规模上看，调压井直径已达24m以上，井深达90m以上，垂直压力管道深度已达300m以上天生桥二级两段斜井深已达754m，可以说竖井、斜井在水电建设中占有一定比重竖井、斜井开挖又是其施工重要环节，并且由于竖井、斜井施工难度很大，往往是电站建设工期控制项目之一为理解决这个难题，水电建设者们克服了诸多困难，不断地学习、借鉴、研究和应用新施工办法和技术，推动了国内水电竖井、斜井开挖技术发展从开挖办法和施工设备发展来看，已从正井人工吊碴开挖发展到人工反井溜碴法、人工配合机械反井吊罐法、反井爬罐法而后又创造了劳动强度较低一次钻孔反井分段爆破法和反井钻机开挖办法等。
应当说，从正井开挖进入应用重力势能反井开挖法，是竖井开挖技术质奔腾一次钻孔分段爆破是一项技术进步，而反井钻机应用更使竖井、斜井开挖进入了一种新阶段1、老式人工导井施工法分析（1）正导井开挖法上马岭电站调压井开挖和压力管道上部开挖，采用自上而下正井开挖办法天生桥调压井为了加快施工进展，顶部也采用上部吊碴办法永定河上马岭电站压力管道倾角33°11′26.5″，开挖直径6.6m，全长179m，开始从上弯段向下开挖，施工十分困难，进展很慢，日后在中间增开一条“七、一”支洞，开始从下而上反井开挖，初步解决了出碴问题2）反导井开挖法云南大朝山电站尾水设4个闸门井，开挖断面为12×16m，闸门井高45m，都是采用2×3 m断面开挖反导井，采用人工搭设脚手架平台进施工反井施工，施工中配备2台手风钻，47天向上开挖导井45m，平均日进尺0.96m，最高日进尺2.5m3）反井爬罐导井开挖法广蓄电站压力管道斜井，上斜井长406.22m，下斜井长347.45m开挖直径9.7m，倾角50°斜井开挖采用正、反井结合办法施工，先开挖2.4×2m下导井（底拱），采用上、下对口四个工作面同步开挖上部向下开挖提高出碴，下部向上用阿立马克STH-500型（柴油）和STH-588型（电动）爬罐。
上斜井导井用127天完毕，最高月进尺90m；下斜井导井用125天完毕，月进尺77m上斜井下口工作面平均日进尺2.595m，下斜井下口平均日进尺1.974m天生桥电站压力管道，长159.5m（总计178.3m）大井直径.7m，竖井导井用阿立马克爬罐开挖，断面2.5m×2.5m，每个循环进尺1～1.5m，平均月进尺55m，最高月进尺80m4）反井吊罐导井开挖法反井吊罐开挖导井，是从冶金系统引进到水电六局，而后在某些水电站施工中推广应用渔子溪埋藏式竖井压力管道竖井为272.2m，开挖直径5.2m，钢衬直径3.4m，内水压力.92MPa开挖采用红旗300型钻机钻设φ100mm中心孔，最高班进尺3m，实际偏差为15～40cm竖井分三段开挖，每段约90m，反井吊罐法开挖导井，导井断面为3.24m2折叠式吊罐重400kg，载重600kg，折叠尺寸为900mm×900mm×1250mm，展开尺寸为1760mm×1460×2100mm钻爆人员4人，采用01-43和01-45型钻机，混合式通风方式导井开挖平均日进尺2.88m，中心孔上部用华1型游动卷扬机牵引5）一次钻孔反井分段爆破开挖法三门峡改建工程排沙洞1号工作闸门井，深51m。
采用一次钻孔、自下而上分段爆破办法开挖导井，导井断面1.8m×1.8m，实际开挖成2.25m×1.93m使用KA-2M-300型钻机，钻φ150mm中心孔，爆破孔φ110～120mm，钻机偏差不大于1.7‰开挖布置6个孔，日后增长至10个孔，装药8.5～12kg/孔，崩落孔7～11kg/孔，周边孔8～12kg/孔岩石竖固系数为8～12孔径120mm，药卷直径105mm（内径95mm），采用毫秒爆破，并串并联法放炮有效天数10.33天，最高班进尺4.28m，最高日循环4次，进尺8.19m，平均日进尺4.6m如果把钻孔和准备工作时间涉及在内，则日平均进尺仅为0.807m天生桥二级调压井，Ø24m，深90m，采用一次钻孔，分段自下而上爆破法开挖导井，导井φ2.4m，共钻7个孔，中间一种大孔，垂直偏差不大于1%每次进尺1m，月进尺20m2、反井钻机导井法施工分析（1）湖北省水布垭电站地下厂房通风竖井长183m，竖井直径Ø1.4m岩层为灰岩，岩石硬度12级， 反井钻机为LM-200型于8月20日开始准备工作（含基本砼施工、设备就位调试及沉渣砌筑等），9月6日开钻，9月17日Ø216mm导孔贯通，9月18日导井Ø1.4m扩孔，9月26日扩孔结束。
其中由于厂房施工停工8天，纯施工时间。