反井钻机在抽水蓄能电站长斜井施工的应用

doi:10.16648/j.cnki.1005-2917.2019.04.021

反井钻机在抽水蓄能电站长斜井施工的应用

（中国水利水电第三工程局有限公司，陕西 西安　710024）

王明星

摘

要： 我国已成为装备制造强国，基础设施建设中大型机械设备的应用已十分普遍。近年来反井钻机已普遍应用在水电站的斜井、竖井反导

井工程施工中，其施工技术已趋于成熟。但在250m以上、角度60°及以下的斜井中用国产反井钻机施工还属攻关课题。文章介绍国内反井钻机，用于新疆阜康抽水蓄能电站长斜井反导井施工中，在安全、精确、高速的成功应用。

关键词： 长斜井；反井钻；施工的应用

1. 工程概况

阜康抽水蓄能电站引水系统压力钢管由1#和2#引水压力钢管组成，1#和2#引水压力钢管主管平行布置，洞轴线间距为43.72m，立面上采用双斜井布置。

引水系统工程上、下斜井共有四条，斜长约270m，斜井角度为60°。斜井总体倾斜角度大、长度深、贯通精度要求高、开挖难度大。

地质条件：斜井覆岩体厚度190m～350m，基岩以灰黑色～灰绿色硅质岩夹砂岩（C2－2）为主，上部少量砾岩夹细砂岩、灰岩（C2－3）。层面较发育，岩层走向较稳定，约NW275°～280°，倾向NE，倾角35°～45°。断裂构造较发育，发育断层多与洞室斜交，中、陡倾角，其与岩层互相切割组合，对洞室稳定影响较大。

2. 施工程序

斜井导井先采用反井钻机进行正导孔（φ311mm）施工，正导孔与下部平洞贯通后，再由下部平洞安装D=2m反拉钻头，由下至上形成圆形D=2m直径导井（溜渣井）。反井钻机斜井导井施工程序见图1。

图1　反井钻机斜井施工程序图

3. 设备主要参数

以1#引水下斜井为例，反井钻机钻进长度约为330m（含上、下弯段），与地面水平方向夹角为60°。受洞室内运输及施工场地限制，反井钻机工作高度为8.4m。

本工程选用的BMC400型反井钻机，主要用于水电系统竖井和斜井施工。本工程地质条件以中硬岩为主，导孔钻孔速度5m/班，扩孔速度约2.5m/班（每天2班，每班10小时）。该钻机具有：施工安全性高，钻孔速度快，劳动条件好，应用比较广泛。BMC400型反井钻机主要性能参数：导孔直径：311mm，扩孔直径：≤3.0m，设计钻孔深度：400m，钻孔倾斜角度（与水平方向夹角）–10°～90°，

偏斜控制：7.5‰，单根钻杆有效长度/重量：1500mm/423kg，钻机功率：128.5kW。Φ311mm高精度导孔开孔钻具组合：Ф311mm牙轮钻头+Ф172mm钻铤+Ф127mm短钻杆（2m）。

4. 导孔施工

4.1 准备工作

反井钻机施工用水量：（1）导孔钻进时循环补充水10m3/h，用于循环排渣和冷却反井钻机液压系统；（2）扩孔钻进时需水约

5m3

/h，用于冷却液压系统和扩孔钻头。

施工供电：高精度导孔施工时，反井钻机总功率为325kW，扩孔施工时，反井钻机总功率为140kW，配备的变压器电压等级为380V，电源频率50HZ。

施工用电：除工作面的工作灯采用36V安全电压外，其它供电均采用220V或380V电压，所用供电线路均采用带绝缘皮的电缆。

照明：压力钢管上斜井反井钻机施工区洞顶部位安装2个200WLED灯提供施工照明。

施工排水：反井钻导孔施工废水及围岩渗水，采用污水泵抽取至施工支洞排水沟内，定期对集水坑和排水沟内的泥浆岩屑进行清理。

4.2 导孔开孔

斜井反井钻钻机依靠电力启动，并需要大量的施工用水确保钻孔施工，主要材料为易消耗磨损的材料：如钻杆、钻头，要常备仓库。反井钻机采用15t平板货车运输，受洞内空间限制，经研究讨论最终选择在洞内顶拱设6组天锚（Φ28砂浆锚杆L=6m）利用天锚再充分加固后配以10 t手动葫芦卸车，满足了安全卸车要求。

开孔前将钻机找正，使斜井设计轴线与钻杆及动力钻头轴线重合。钻孔泥浆应制备完成，并使泥浆充分循环。导孔开始钻进时采用轻压、慢转、大泵量为宜。一般控制在转数60r/min，钻压500kg，泵量600～1200L/min左右。动力供水开启快速挡。接好钻杆后，开启泥浆泵供高压浆液和冷却用水，开始从上往下开孔钻进。实际施工中需根据不同的地质条件调整钻压，对于软质岩层或断层带采用低钻压，对于中硬岩地层采用高钻压。根据地质条件采用泥浆泵供浆排渣或泥浆泵供水排渣。

4.3 导孔测斜、纠偏

阜康抽水蓄能电站引水系统斜井导孔测斜使用“直井MWD无线随钻测斜仪”。在导孔钻进过程中对孔斜的监测和定向的纠偏。原理为利用磁导向装置进行监测，根据反馈数据判定导孔的角度及方位。

孔斜监测：当导孔深度达到一定深度时（100m～150m），将随钻测斜仪随同钻杆一同下入井下，在钻进过程中，每钻进30m测斜一次，5～10m一个测点，每测斜一次可取多个测点。并将测量数据实时传到地面上来，根据数据与设计导孔轨迹进行对比。孔斜超偏时，加密测点，并制定定向纠偏设计。

钻孔纠偏：根据制定的纠偏设计，利用Ф172mm弯螺杆进行定向钻进，采用随钻测斜仪进行纠偏。根据随钻测斜仪反馈数据，判定导孔偏斜轨迹的大小，调整螺杆钻具的扭方位，并通过泥浆泵产生的高压泥浆，传至马达后，马达通过万向轴和传递轴传递给钻头，进而实现了纠偏。

4.4 地质缺陷部位的处理

在长斜井施工中，地质条件对导孔施工起到最重要的影响，遇

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工作研究·反井钻机在抽水蓄能电站长斜井施工的应用到不良地质段或软弱夹层，导孔护壁变得尤为重要，如导孔发生塌孔，会造成埋钻、卡钻等事故，而且对偏斜控制不利。在阜康抽水蓄能电站斜井反井钻施工中，由于斜井地质围岩较破碎，断裂构造较发育，发育多道断层带。导孔施工中多次遇到不返水和岩屑、塌孔、卡钻等现象。采取的处理方法：

（1） 在导孔施工前，根据前期地质勘查资料认真分析不良地质段的位置及分布，为施钻提供技术准备。

（2） 遇到不良地质段时，采取调整泥浆参数的措施，提高泥浆的护壁和携渣能力，确保反渣和孔壁通畅，最终达到顺利通过不良地质段目的。

（3） 发生卡钻事件时，我们一般采取以下两种办法：高压水强行冲洗导孔，在冲洗孔过程中启动钻机转动钻杆，直到将钻杆转动并提升。第二种办法是当导孔距离下平洞较近时，从下往上打导孔贯通导孔，贯通后再用高压水进行冲洗导孔。

（4） 在遇到软弱夹层、较大裂隙或断层带等地质条件时，导孔钻进过程中，可能会出现孔口不返水、不排渣情况，可采用循环钻灌成孔法，即拌制水灰比为0.45的水泥浆，并掺速凝剂，通过灌浆设备将水泥浆液灌注导孔内，利用水泥浆液填充断层带、较大裂隙，待水泥浆凝固24小时后重新扫孔钻进。该方法不足处为需要反复取钻和灌浆，对导孔钻进的施工进度影响较大。另外在斜井孔深超过150m，并且断层、裂隙带范围不大时，可采用强行钻进成孔法，该方法在孔口不返水时，继续钻进并不断用泥浆泵向导孔内压水，将积渣强行排除。

口将炸药送入钻头卡住位置，毫秒雷管起爆炸药将钻头震落至下平洞，该方法必须控制好每次的炸药量，已保证扩孔钻头不产生结构性损伤。

当扩孔即将完成时，一般在钻头距离地面3m时，应慢速降压扩孔，同时现场人员要观察地面情况是否出现异常，缓慢使钻头露出地面。扩孔完成后进行反井钻的拆除工作。拆除顺序：钻头固定悬挂→拆下钻架主机和一些辅助设备→钻头提出孔外→拆装泵车、油箱→清理现场。

6. 反井钻机施工效果

反井钻反拉导井井壁平整，开挖过程中对岩体扰动小，可以避免斜井扩挖过程中掉块，起到安全保护作用。同时斜井采取反井钻施工，施工人员远离掌子面作业区，安全保证系数高，对作业人员的健康保证相对较好。

反井钻机开孔利用开孔扶正器，保证开孔的精度。在钻进过程成合理布置稳定钻杆，钻头选用硬岩保径三牙轮钻头，保证钻孔过程中导孔不缩径，能够使稳定钻杆顺利通过，并保证孔的钻凿精度。在钻进施工过程中，选用电子单多点测斜仪测量，导孔每钻进30m停钻，使用测斜仪进行一次测斜工作，及时发现超标偏差，避免大工作量的返工。

遇到不良地质带先对岩性进行判断，在正确施工反井钻的情况下围岩的变化是影响导孔施工的主要因素，所以我们一般采取调节稳定钻杆、钻速、调整钻压等手段进行反井钻的操控。如钻杆无法通过不良地质带时应考虑采用灌浆的办法进行孔壁加固，最终达到确保导孔精度的目的。

5. 扩孔施工

导孔钻进与下部隧洞贯通后，在下平洞安装直径2.0m的扩孔钻头。扩孔钻头运到下平洞导孔中心点位置，同时利用吊帽等专用工具进行安装。在安装时上下平洞利用对讲机呼应，在统一指挥下，上平洞钻机操作手根据下平洞安装扩孔钻头施工人员指令进行操作。

扩孔直径为2.0m，每米实渣量为3.14m3。反井钻机每天可扩孔钻进10m，则每天的出渣量为31.4m3。

在扩孔过程中可能因为急于加快扩孔进度，加大提升力，使反井钻机扭矩超额定值而造成钻杆断裂（扭矩不超过设计最大扭矩的60%），发生扩孔钻头卡在已扩挖完成的孔内时，从下面处理钻头是十分危险的。所以应在保证安全的情况下进行处理，方法一：将钻杆接上，用钻杆对扩孔钻头施加压力使扩孔钻头自然从已扩挖完成的孔内坠落至下平洞。方法二：将钻杆全部提升，利用钢丝绳从孔

结语

反井钻机法施工斜井具有安全风险低，改善施工环境，加快施工进度等优点。本工程两条引水主洞，四条斜井地质条件较差，且均为长斜井，对施工导孔的偏斜控制提出了挑战。本工程在技术人员不断的摸索、攻关下达到了理想的效果。反井钻机施工法作为目前斜井施工最为科学、安全的施工方法，成功的应用于不同施工条件的斜井，正确施工和加快施工进度作为重要的施工课题进行研究，并将成果进行推广应用。

参考文献

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[2] 胡本永.反井钻机在周宁水电站高竖井开挖中的应用[J].广西水

利水电，2005（03）：20.

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3. 低压配电房常出现的问题及解决措施

3.1 人为问题

一是设备出现故障时，工作人员没有认真分析设备故障的原因，也没有对设备的运行状态仔细地观察，主观的定义设备故障原因。二是在检修设备时操作失误，导致了安全事故的发生。

3.2 设备问题

影响设备正常供电的原因主要有：由于长时间的运转工作，设备的结构部件出现变形、弹簧性能损坏、负荷开关不能正常使用以及线路的老化等。针对这些情况，设备检修人员要根据具体情况来定期检修和维护。仔细观察开关的额定电流，对负荷开关的运行状况进行研究和分析。当设备零部件出现问题或者老旧时要及时进行更换或维修。

3.3 加强低压电气供配电设备安全管理措施

实践证明，只有低压配电房中的设备和系统正常运转时，才能保障整个系统安全可靠的运行。为了尽量避免低压配电房出现上述提到的问题，我们应该采取以下措施：

（1） 工作人员对终端客户要进行低压电气供配电设备相关知识的宣传和普及，提高客户对低压电气供配设备安全管理知识的认知，以便在设备维修时积极配合工作人员的工作。

（2） 要安排专业人员对设备进行定期和不定期的检查方式，对各种低压电器供配电设备进行全面有效的监督，以防出现安全隐患– 30 –

问题，最大程度上保证设备的安全性和系统的正常运行。

（3） 要对相应的工作人员进行专业知识的培训，提高他们的知识技能和业务能力。在设备出现故障时能够科学合理的分析原因，掌握排除故障的方法，同时也能针对具体情况开展测负荷和测温的工作等，消除安全隐患。

结语

综上所述，在低压配电房配电系统安装施工过程中，要注重遵循配电系统安装施工原则，在尽量满足用户对配电量的实际需求前提下，确保配电施工的安全性以及稳定性。此外，相关部门还要持续不断地完善以及研发适应于低压配电房中配电系统的安装施工技术，以推动我国电力系统的不断发展。

与此同时，在安装施工过程中，相关技术人员也要关注安装施工过程中出现的各种问题，不断提高相关人员的知识技能，注重施以更加科学有效的施工，以保证安装系统的高质量。

参考文献

[1] 王志强.浅论10kV配电室电气安装施工技术[J].低碳世界，

2017（5）：79–80.

[2] 刘晓挺.低压配电房配电系统安装施工技术的应用[J].科学技术

创新，2017（14）：35–35.

[3] 崔传春. 10kV配电室电气安装施工技术解析[J].建材与装饰，

2017（18）.