周 興
(北京中煤礦山工程有限公司,北京市 100013)
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反井鉆機在索普拉多拉水電站超深電纜豎井開挖中的應(yīng)用
周 興
(北京中煤礦山工程有限公司,北京市 100013)
大直徑BMC400反井鉆機在索普拉多拉水電站372 m超深電纜豎井全段高一次性鉆井(φ1.4 m)成功,改變了超深豎井開挖需增加水平支洞的技術(shù)方案,從而極大地降低了經(jīng)濟和工期成本,綜合效益明顯。表2個。
水電站;超深豎井;反井鉆機;應(yīng)用
目前,水電站建設(shè)大多為地下廠房式發(fā)電,各類豎井工程眾多,豎井工程是水電站建設(shè)的重要節(jié)點工程,尤其是300 m以上的超深豎井開挖,事關(guān)整個工期建設(shè)。大量的實踐證明,反井鉆井施工法是保證豎井工期建設(shè)的重要技術(shù)措施,但在超過300 m的深豎井施工中,用反井鉆機一次鉆孔成井并無先例。BMC400反井鉆機在厄瓜多爾索普拉多拉水電站372 m超深豎井一次性鉆孔成功,大大降低了工期和成本費用,無論是鉆機性能還是施工技術(shù)水平都達到國際先進,具有很強的示范作用。
索普拉多拉水電站位于南美洲厄瓜多爾共和國境內(nèi),是保特河流域上的重要梯級水電站,為地下廠房式。電站由3臺混流式發(fā)電機組成,發(fā)電水頭為375.6 m,單機容量162.6 MW,總裝機容量487.8 MW。
電纜豎井起點位于GIS開關(guān)站內(nèi),末端為電纜廊道起點,電纜井成型斷面直徑7 m,斷面面積38.48 m2,開挖深度372 m。地質(zhì)情況為Jsu_1b小石英片巖和小石英云母片巖互層、云母片巖和石英云母片巖互層、小石英片巖和石英云母片巖互層,存在2組微弱裂隙N26°E/SE∠32°和N70°E/NW∠64°,無大斷層通過。整體圍巖較為穩(wěn)定,巖石強度40~60 MPa,具備較好的成洞條件。
電纜豎井開挖采用“反井鉆機導(dǎo)井法”和“人工溜渣井+自上而下擴挖”的施工方案。施工程序為:反井鉆機導(dǎo)孔φ270 mm→反井鉆機擴孔φ1.4 m→人工自下而上擴挖φ3.4 m溜渣井→人工自上而下全斷面擴挖及支護。
水電站電纜豎井達372 m,屬于超深豎井。因巖層條件、地質(zhì)缺陷等潛在因素影響,開挖是否能準(zhǔn)確連接下水平電纜廊道非常重要。因此開挖前設(shè)計了2種方案:第一,用反井鉆機對豎井全高段一次鉆孔開挖;第二,增加水平支洞,分段進行豎井開挖。
方案一,用反井鉆機全高段一次性完成豎井鉆孔。此方案優(yōu)點是機械化程度高,安全速度快,豎井開挖提升系統(tǒng)及輔助設(shè)備只需安裝和拆卸一次,可減少工期和節(jié)約因增加水平支洞造成的費用。缺點是反井鉆井的偏斜率精度要求非常高,要求控制在1%,一旦偏斜過大就有可能成廢孔,造成工期和成本的加大。
方案二,增加水平支洞,分段開挖。該方案需增加1條340 m水平支洞(5 m×5 m,城門洞型),將豎井分兩段施工。該方案優(yōu)點是能夠控制豎井與下水平段的準(zhǔn)確連接,降低了因豎井偏斜過大重新鉆孔的工期風(fēng)險。缺點是增加了水平支洞的費用,以及反井鉆機、豎井開挖提升系統(tǒng)及輔助設(shè)備的安裝和拆卸帶來的重復(fù)工期。
綜合比較2種方案及施工經(jīng)驗,決定采用方案一,確定鉆機型號為BMC400反井鉆機。
反井鉆井法主要分導(dǎo)孔鉆進和擴孔鉆進2個階段,其施工工藝是將反井鉆機安裝在上部澆筑好的混凝土基礎(chǔ)上或巷道上水平,從上向下進行導(dǎo)孔施工,采用清水或泥漿正循環(huán)洗井排渣。導(dǎo)孔透孔后,在下水平接換擴孔鉆頭,再由下向上進行擴孔施工,巖渣由鉆孔落入下水平,在下水平運走。
反井鉆機最大的缺點是無自動糾偏能力,對于精度要求高的深井來講,對鉆機性能和施工技術(shù)水平都提出了非常高的要求。通過對電纜豎井的地質(zhì)條件研究,決定采用BMC400反井鉆機(見表1)。該鉆機是北京中煤礦山工程有限公司自主生產(chǎn)研制的新型全液壓驅(qū)動大直徑反井鉆機,已廣泛應(yīng)用于煤炭、水電、有色冶金和交通等地下工程建設(shè)領(lǐng)域鉆鑿豎井或斜井工程。
表1 BMC400反井鉆機主要技術(shù)參數(shù)
(1)供電。厄瓜多爾當(dāng)?shù)仉妷旱燃墳?40 V,電源頻率為60 Hz,而反井鉆機是380 V和50 Hz。為適應(yīng)當(dāng)?shù)厥┕きh(huán)境的要求,在出國前對鉆機設(shè)備進行了改造,采用了國際先進的變頻技術(shù),專門研發(fā)變頻啟動配電柜,并加3個ABB變頻器來適應(yīng)這種供電制式,可對各用電設(shè)備進行配電、啟動、調(diào)速和保護等。
(2)供水。保證供水的連續(xù)性,每小時不小于10~15 m3。
(3)表土處理。電纜豎井有近60 m的表土層,巖石風(fēng)化、破碎,還有少量的枯石。國外條件有限,沒有進行傳統(tǒng)的表土開挖打基樁,于是采用固結(jié)灌漿處理,首先用地質(zhì)鉆造灌漿孔,然后進行水泥漿灌漿施工。先在反井鉆機導(dǎo)孔中心(電纜井的中心點)及周圍半徑為75 cm的圓上鉆設(shè)灌漿孔(孔徑φ130 mm,孔深約50 m),然后在灌漿孔內(nèi)灌注水泥漿,灌漿壓力為2.0 MPa。
(4)鉆機基礎(chǔ)施工。反井鉆機是連續(xù)的機械化施工,表土需要承受鉆機自重和鉆頭鉆進工作面的拉力作用。鑒于電纜豎井井深,表土不穩(wěn)定,開挖基礎(chǔ)時盡量挖深,面積挖大,實際開挖尺寸6 m×4 m×1.2 m。
(5)定向?qū)Э足@進。導(dǎo)孔的偏斜率決定了整個深反井施工的偏斜率。由于反井鉆機沒有專業(yè)糾偏能力,在施工時雖然可以通過優(yōu)化穩(wěn)定鉆桿布置、提高開工精度、合理控制鉆進參數(shù)等措施提高導(dǎo)孔施工的偏斜率, 但對于較深井筒,尤其是遇到傾角較大的巖層,導(dǎo)孔的偏斜率隨深度呈幾何倍數(shù)增長,甚至超過5%,會造成導(dǎo)孔施工失敗,成廢孔。隨著國內(nèi)外測斜與糾偏技術(shù)的發(fā)展,偏斜率要求較高的導(dǎo)孔可以采用定向鉆具施工。針對該井巖層情況(傾角達70°),選擇用北京中煤自主研制的TD2000/600頂驅(qū)定向鉆機進行先導(dǎo)孔(φ190 mm)施工,再用反井鉆機掃孔(φ270 mm)。
定向鉆機具有隨鉆測斜、自動糾偏、精度高、速度快的優(yōu)點。電纜豎井導(dǎo)孔僅用時16 d完成,偏斜1.2 m,偏斜率0.3%。
(6)掃孔鉆進。由于反井鉆機導(dǎo)孔鉆頭是φ270 mm,比定向先導(dǎo)孔大,為防止掃孔時出現(xiàn)新孔,專門加工變徑擴刷鉆頭由φ190 mm→φ270 mm。掃孔時按照正常導(dǎo)孔程序鉆進,泥漿泵工作時及時沖洗渣。地面設(shè)備的運轉(zhuǎn)、巖屑、鉆壓、扭矩、鉆速等都能直接反映井下情況,應(yīng)密切注意。扭矩變化取決于井底情況和轉(zhuǎn)速變化,可能存在鉆頭保徑磨損變小、巖石出現(xiàn)夾層或變層、井底有大塊落物、巖渣不能及時排出、井身出現(xiàn)新的軌跡、鉆壓過大等,應(yīng)勤觀察,在下水平巷道看透孔點是否漏水、掉渣,防止堵孔。
(7)擴孔鉆進。由于地層巖石傾角大,兩層的巖石軟硬疊加,擴孔時鉆機變化參數(shù)大,很容易卡鉆,鉆機進尺非常緩慢,憋鉆易晃動,刀具很容易損壞,嚴(yán)重的會使邊刀掉落。這就要求操作人員有經(jīng)驗、有技術(shù)、有責(zé)任心,需密切關(guān)注鉆機參數(shù)的變化。在擴孔期間,操作人員需經(jīng)常在下水平巷道觀察掉渣情況,碰到大的枯石或渣塊掉到鉆頭體上,不能正常轉(zhuǎn)動,也不進尺時,不要蠻干,應(yīng)及時放鉆,排除鉆頭上的石塊,再提鉆正常擴孔(見表2)。
表2 電纜豎井施工統(tǒng)計
(1)采用定向鉆機先導(dǎo)孔能有效解決反井鉆機在超深豎井施工偏斜的問題。
(2)反井鉆機能夠在硬巖條件下全段高一次性鉆孔300 m以上的超深豎井。
(3)反井鉆機在水電領(lǐng)域復(fù)雜條件下施工各類豎井,優(yōu)勢明顯,而且安全、高效、快速,大大節(jié)約了工期和成本。
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責(zé)任編輯 吳 昊
2014-12-26
周 興(1984-)男,助理工程師,主要從事反井鉆井工程技術(shù)與研究工作。 E_mail:24751798@qq.com