反井钻机在卡里巴扩机工程竖井开挖中的应用doc
反井钻机在卡里巴扩机工程竖井开挖中的应用
景 通 摘 要 在工程竖井开挖中，由于反井钻机施工具有安全、优质、高效等特点，因此得到广泛的应用。本文以赞比亚卡里巴水电站扩机工程母线竖井开挖为例，对反井钻机的工作原理及施工工艺进行了介绍。
关键词 反井钻机 竖井 开挖 应用
1 工程概述
卡里巴北岸水电站位于南部非洲赞比亚和津巴布韦两国交界的赞比西河中游卡里巴峡谷内，原有装机为4台180MW机组。为了解决赞比亚国内供电量匮乏的情况，决定对电站扩机增容2台180MW混流式水轮发电机组。因此，需要对现有地下厂房进行扩挖施工，同时增建新装机组的引水、尾水及母线竖井等系统。新开挖的母线竖井深120m，开挖断面为圆形，直径5.4m，距离现有母线竖井约25m，施工场地比较宽阔，同时位于母线竖井底部的母线平洞已经开挖完成。
2 反井钻机及其工作原理
图1 反井钻机工作原理图
反井钻机在20世纪五十到六十年代出现在美国和德国采矿工程领域，用于施工矿山地下暗井、溜井、矿仓等导井工程。我国在20世纪八十年代在煤矿地下工程中引进反井钻机施工技术，并陆续推广应用到水利水电工程竖井或斜井施工中。如十三陵抽水
蓄能电站、二滩电站、大朝山电站、溪洛渡电站、万家寨引黄入晋、龙滩电站等。反井钻机工作原理是将反井钻机安装就位后，由上向下钻进小直径导向孔，导孔和下部隧洞贯通后，拆掉导孔钻头，再连接扩孔钻头，自下向上反扩导孔（见图1），完成竖井或斜井的导井施工。如导井断面小于井筒设计断面，再以该导井为溜渣井，自上而下采用爆破开挖方式完成整条竖井或斜井的扩大开挖。
3 施工方法选择
一般情况下竖井的开挖方法是先开挖导井，然后对导井进行扩挖至设计断面。而导井的开挖方法有深孔分段爆破法、吊罐法、爬罐法和反井钻机法等，但是前面几种方法由于作业条件差、安全风险高、施工效率低等原因，故而适用于施工较浅的导井。反井钻机适应于深度较大竖井或斜井的导井施工，而且具有工效高、施工安全、劳动强度低、质量好等优点。因此，本工程母线竖井施工时，结合现场实际情况，其导井施工选用反井钻机施工。
4 钻机型号选择
反井钻机的型号主要是根据钻孔直径、竖井深度及岩石情况、国内现有设备等进行选择，结合现场实际，本工程选择LM-200型反井钻机。该钻机的主要技术参数（厂家提供）为：
导孔直径：216mm
扩孔直径：1.4～2.0m
设计钻孔深度：200m
钻机最大扭矩：40kNm
钻机拉力：850kN
钻机推力：350kN
转速：0～25 r/min
单根钻杆有效长度/重量：1000mm/144kg
钻机功率：辅泵功率 11kW
主泵功率 75kW
多级泵 电机功率 90kW
主要辅助设备：冷却水泵: 潜水泵 2.5kW
5 反井钻机导井施工
5.1 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→基础二期浇筑→钻机精确定位→φ216 mm导向孔钻孔施工→导孔钻头拆除→连接φ1400mm扩孔钻头→自下向上扩孔（导井）施工→扩孔钻头拆卸→反井钻机撤除。
5.2 基础浇筑
具体位置由测量放线确定，主机钻进孔口与竖井中心线延长线吻合。操作车、泵车依次停放在母线竖井旁边,操作车距起钻孔口有大于1m的安全距离。基础采用C25混凝
土分二期浇筑而成, 基础尺寸为4m×3m（长×宽），厚度1m，底部高程比现有工作面低约90cm，以方便反井钻机的安装。严格控制基础混凝土上平面，凸凹变化不能超过1.5cm。一期基础浇筑时必须预留反井钻机地脚螺栓坑,待钻机到位并进行初定位后,回填二期混凝土,以确保反井钻机定位准确。
图2 反井钻机基础示意图
导孔钻进质量直接关系到导井施工的成败，因此在导孔钻孔时应特别注意，尤其导
孔开孔的时候。当反井钻机基础二期混凝土强度达到设计强度后，将主机、油泵及操作系统准备就绪，检查水泵管路已经和主机相连，同时主油泵的循环冷却系统调试完成，且钻孔中心及钻孔角度校核准确无误后，方可开孔。开孔钻进时，必须利用开孔扶正器和开孔钻杆配合慢速开孔，并启动水泵供水，开孔深度3～4m后，将开孔钻杆提出并更换成稳定钻杆继续钻孔。
5.3 φ1400mm导井施工
当φ216mm导孔成孔后，将导孔钻头拆卸工具和扩孔钻头运到导孔出口下部。通过
事先约定好的方式上下联系，配合拆下导孔钻头并连接上扩孔钻头，检查扩孔钻头连接牢靠后就可以向上扩孔形成导井。扩孔开孔时，慢速上提钻具，当滚刀开始接触岩石后，停止上提，用最低转速(59rpm)旋转，并慢慢增加压力，保证钻头滚刀不因受过大的冲击而破坏，当压力增大到一定程度后就稳定压力，待钻孔平面形成、滚刀齿均匀受力后，再继续增加压力。同时，下边安排专人观察滚刀的旋转和岩石状况，将情况及时通知操作人员，等钻头全部均匀接触岩石后，才能开始正常扩孔钻进。为保证钻机和滚刀的使用寿命，一般将系统压力限制在18MPa之内。在扩孔过程中，当岩石硬度较大，可适当增加钻孔压力，反之就减少压力。扩孔时，要及时出渣，防止堵孔。钻杆随着扩孔过程陆续拆除，拆下的钻杆要进行必要的清理，再涂上防锈油并安装保护帽。当滚刀顶部距钻机基础2.5m左右时，降低钻孔压力慢速钻进，直至钻头露出地面。同时认真观察基础周围是否有异常现象，如果有，要及时采取措施处理。
5.4 竖井开挖
导井完成后，采用钻爆法自上而下对导井进行扩挖至设计断面。周边采用光面爆破
以保证竖井的开挖质量，并对开挖面及时进行喷锚支护，确保施工安全。爆破渣体沿导
井溜至竖井底部的母线平洞内，再由装载机配合15t自卸汽车运至弃渣场地。
5.5 防止导孔偏斜的控制措施
⑴ 进行精确的测量控制，发现偏斜时反复扫孔以纠正其偏斜度。
⑵ 选用完好的反井钻机和泥浆泵，保证其性能良好。
⑶ 钻机安装牢固，准确定位，基础混凝土应保证浇筑密实。
⑷ 选用螺旋、直条等多种镶齿稳定钻杆和硬岩导孔钻头，并根据地质条件合理布置。
⑸ 钻进参数应根据地质条件和不同的钻进位置，选择不同的钻机压力、转速和确定相应的钻进速度，并根据实际钻进情况进行相应的调整。
⑹ 挑选有实践经验的操作人员，按照施工组织设计和反井钻机操作规程进行操作，及时发现和处理钻进中的问题和事故。
6 结语
卡里巴北岸水电站扩机工程母线竖井导井成功实施了反井钻机法施工，和其它施工方式相比，从施工效率、施工安全、经济效益等方面都具有明显的优势。尤其在竖井较深的情况下效果更为明显。因此，在竖井较深的情况下，导井开挖应优先选用反井钻机法进行施工。