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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、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1.2～6.0m，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1.4～6.0m，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孔的反井钻机，典型产品有苏南煤机厂生产的LM－90～300系列、长沙矿山研究院生产的TYZ1000～1500系列及西北有色冶金机械厂生产的的AF-2000等，钻孔直径为0.9m～2.4m，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。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 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14～16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小湾水电站使用，小湾水电站的岩石为花岗岩，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。
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14～16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14～16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，对环境造成污染非常小，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、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1～1.5m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