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1、国产反井钻机在水电工程的应用谭金龙 马绍龙摘要：反井钻机导井施工方法于1950年在北美首先发展，60年代中期，反井钻机导井施工方法在欧洲，特别是德国开始受到欢迎。我国自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的出线洞、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，并取得了高效、安全、优质、经济的效果。水电十四局是较早应用、探索反井钻机导井施工的水电施工企业，5年来对反井钻机的应用，特别是国产反井钻机的应用进行了深入、全面的探索，并取得了一定的经验。关键词 国产反井钻机 导井施工方法 水电工程 应用一、前言1
2、、反井钻机概述反井钻机导井施工方法于1950年在北美首先发展，60年代中期，反井钻机导井施工方法在欧洲，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150200m；而到70年代初期，钻孔直径可达2.02.4m，钻孔深度可达250500m；发展到今天，世界上已有众多厂家生产反井钻机，典型的有美国罗宾斯公司，可提供28种型号的产品，钻孔直径为1.26.0m，钻孔深度可达900m，德国维尔特公司生产的HG100、160、210、250、330SP系列，钻孔直径从1.46.0m，钻孔深度高达1000m。我国自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
3、孔的反井钻机，典型产品有苏南煤机厂生产的LM90300系列、长沙矿山研究院生产的TYZ10001500系列及西北有色冶金机械厂生产的的AF-2000等，钻孔直径为0.9m2.4m，钻孔深度可达250m。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的出线洞、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，并取得了高效、安全、优质、经济的效果。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结构物功能上的要求，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
4、。因此竖井及斜井施工历来都是水电施工行业的难点和重点。而水电十四局在水电工程施工中享有“地下铁军”的荣誉称号，为了满足水电站地下工程施工，水电十四局根据水电工程市场需要于2002年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2004年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。反井钻机设计主要用于煤矿开采，设计施工的岩石硬度较低，岩石硬度为12级以下。反井钻机由主机、油泵车、操作平台组成，施工时配置泥浆
5、泵、循环水输送的潜水泵、5t随车吊等。反井钻机结构见附图1。反井钻机结构示意图2、反井钻机在水电工程的竖井、斜井导井施工的应用2002年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，水布垭电站的岩石为灰岩，岩石硬度为912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 m。2003年6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，三板溪水电站的岩石为花岗岩，岩石硬度为1416级，共施工6条竖井（最长竖井186 m），总计施工670m。2004年8月水电十四购买了第三台ML-280型反井钻机在云南省
6、小湾水电站使用，小湾水电站的岩石为花岗岩，岩石硬度为1416级，共施工11条竖井（最长竖井212 m），总计施工1525m。2004年12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，惠蓄水电站的岩石为花岗岩，岩石硬度为1416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。2005年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，三峡水电站的岩石为花岗岩，岩石硬度为1416级，共施工2条竖井（最长竖井82 m），总计施工164m。2006年3月水电十四采用ML-200型、ML-280型反井钻机分
7、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，溪洛渡水电站的岩石为花岗岩，岩石硬度为1416级，共施工2条竖井（最长竖井215 m。近期要施工的竖井有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2006年9月大理分局机械化项目部累计施工竖井32条，6条斜井。总计施工竖、斜井5514 m。二、反井钻机施工的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，利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步骤进行，先
8、采用216mm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的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行）然后卸下小钻头，改换成1.4m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的作用下沿井底滚动，从而对从下至上滚刀对岩石切削、挤压完成竖井及斜井开挖，扩孔时的石碴经过冷却水的冲刷和自重坠落到下平洞。三、反井钻机竖、斜导井施工工法的特点1、反井钻机竖、斜井施工的特点反井钻机在施工竖、斜井的导孔过程中全部采用机械设备，只需要熟练的技工操作就行，反井钻机操作简单、安全
9、，对环境造成污染非常小，作业人员比较少。每个班只需要45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、传统人工竖、斜井导井施工特点斜井和竖井施工方法有全断面一次开挖法和导井开挖法两种方式，其中传统导井法开挖方式有正井、反井或正反井结合法。反导井施工通常采用吊罐法、爬罐法或深孔分段爆破法，传统导井法施工目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，主要投入的设备：20m3空压机一台、手风钻10把、通风设备一台、运输设备一台（卷扬机、吊罐爬罐），投入费用不到40
10、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。传统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。因此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。据统计，深度在100m左右的洞室导井开挖一般日平均进尺在11.5m左右。人工导井施工方法对井深有一定的限制，深度越深，施工难度越大、安全隐患更大。五、反井钻机与传统人工导井施工工艺的比较水力发电站为满足不同条件和对水工结构物功能上的要求，设立地下竖井式闸门井、调压井和垂直与斜井压力管道。根据对我国68座不同坝型和不同开发型式的大型水电站的统
11、计，其中有地下竖井、斜井的电站就有28座，占41%，而且每座电站都有数个竖井、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的比重。竖井、斜井开挖又是其施工的重要环节，而且由于竖井、斜井施工难度很大，往往是电站建设工期的控制项目之一。为了解决这个难题，水电建设者们克服了诸多困难，不断地学习、借鉴、研究和应用新的施工方法和技术，推动了我国水电竖井、斜井开挖技术的发展。从开挖方法和施工设备的发展来看，已从正井人工吊碴开挖发展到人工反井溜碴法、人工配合机械的反井吊罐法、反井爬罐法。
12、而后又发明了劳动强度较低的一次钻孔反井分段爆破法和反井钻机开挖方法等。应该说，从正井开挖进入应用重力势能的反井开挖法，是竖井开挖技术质的飞跃。一次钻孔分段爆破是一项技术进步，而反井钻机的应用更使竖井、斜井开挖进入了一个新的阶段。1、传统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，采用自上而下的正井开挖方法。天生桥调压井为了加快施工进展，顶部也采用上部吊碴方法。永定河上马岭电站压力管道倾角331126.5，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，后来在中间增开一条“七、一”支洞，开始从下而上的反井开挖，初步解决了出碴问题。（2
13、）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1216m，闸门井高45m，都是采用23 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，施工中配置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2.5m。（3）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、反井结合方法施工，先开挖2.42m下导井（底拱），采用上、下对口四个工作面同时开挖。上部向下开挖提升出碴，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天完成，最高月进尺9
14、0m；下斜井导井用125天完成，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2.5m2.5m，每个循环进尺11.5m，平均月进尺55m，最高月进尺80m。（4）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的，而后在一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100mm中心孔，最高班进尺3m，实际偏差为1540cm。竖井分
15、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900mm900mm1250mm，展开尺寸为1760mm14602100mm。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、自下而上分段爆破的方法开挖导井，导井断面1.8m1.8m，实际开挖成2.25m1.93m。使用KA-2M-300型钻机，钻150mm中心孔，爆破孔110120mm，钻机偏差小于1.7。
16、开挖布置6个孔，后来增加至10个孔，装药8.512kg/孔，崩落孔711kg/孔，周边孔812kg/孔。岩石竖固系数为812。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包括在内，则日平均进尺仅为0.807m。天生桥二级调压井，24m，深90m，采用一次钻孔，分段自下而上爆破法开挖导井，导井2.4m，共钻7个孔，中间一个大孔，垂直偏差小于1%。每次进尺1m，月进尺20m。2、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1.4m。岩层为灰岩，岩石硬度12级， 反井钻机
