摘要：通過(guò)在溪洛渡電站通風(fēng)斜井工程實(shí)踐，介紹了反井鉆機(jī)施工工藝，分析了反井鉆進(jìn)偏斜的原因，提出了反井鉆進(jìn)偏斜控制方法，對(duì)鉆具布置、鉆進(jìn)參數(shù)控制等進(jìn)行了驗(yàn)證，取得良好效果，回答了困擾多年的解決反井鉆進(jìn)偏斜問(wèn)題。文章中的措施和實(shí)踐可以在類(lèi)似的水電工程中應(yīng)用。
    關(guān)鍵詞：溪洛渡電站；反井鉆機(jī)；通風(fēng)斜井；偏斜控制
    中圖分類(lèi)號(hào)：TV554 .15文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

    1 概述
    近年來(lái)，反井鉆機(jī)及其技術(shù)日趨完善與成熟，已廣泛應(yīng)用于我國(guó)煤礦、冶金礦山、水電等系統(tǒng)的豎井、斜井施工中。但是反井鉆進(jìn)偏斜控制，尤其是深井、斜孔工程，鉆孔精度要求更高，必須有效的控制鉆孔偏斜。我們?cè)谙宥呻娬就L(fēng)斜并工程的導(dǎo)孔鉆進(jìn)偏斜控制方面采取了多項(xiàng)措施，取得了較好的鉆進(jìn)精度。

    2 溪洛渡水電站工程實(shí)例
    2．1 工程概況
    溪洛渡水電站地下廠區(qū)通排風(fēng)系統(tǒng)圍巖主要由P2β5-P2β12層玄武巖及各層上部的角礫集塊熔巖組成，巖石堅(jiān)硬，新鮮完整。地下廠區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)地層產(chǎn)狀平緩，無(wú)斷層分布，主要結(jié)構(gòu)面為層間錯(cuò)動(dòng)帶和節(jié)理裂隙巖流層產(chǎn)狀總體走向?yàn)镹20°-30°E,傾向SE。主廠房排風(fēng)洞平洞段樁號(hào)O 0.0-30.0m為弱風(fēng)化上段、卸荷巖體，巖體松弛，完整性差，加之P2β12層柱狀節(jié)理發(fā)育，圍巖類(lèi)別為Ⅳ類(lèi)；樁號(hào)O 3O - 0 60m段為弱風(fēng)化下段無(wú)卸荷巖體，圍巖類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)；樁號(hào)0 60 - 0 88.23m圍巖新鮮完整，以Ⅱ類(lèi)圍巖為主，局部為Ⅲ類(lèi)。
    廠房通風(fēng)斜并在左右岸各一條，長(zhǎng)度約213m，開(kāi)挖直徑5.4m通風(fēng)井和水平夾角75°。施工工藝采用反井鉆機(jī)，先鉆井直徑14m的導(dǎo)井，然后再由上向下，采用爆破的方法擴(kuò)大到所需斷面，并進(jìn)行相應(yīng)的臨時(shí)和永久支護(hù)。
    2.2 斜井鉆進(jìn)施工
根據(jù)工程條件選用BMC300型反并鉆機(jī)，該機(jī)是在LM-200型反井鉆機(jī)基礎(chǔ)上研制的，用于水電系統(tǒng)硬巖和煤礦深井設(shè)計(jì)，考慮一次擴(kuò)孔直徑1.4 ？ 1.52m，設(shè)計(jì)需要在滿足鉆進(jìn)能力的條件下盡量使其體積小、重量輕。
    BMC300型反井鉆機(jī)由泵站、油箱、操作臺(tái)、主機(jī)、鉆具5部分構(gòu)成。采用全液壓驅(qū)動(dòng)，雙馬達(dá)動(dòng)力結(jié)構(gòu)。導(dǎo)孔鉆進(jìn)時(shí)，動(dòng)力頭施加向下的壓力和旋轉(zhuǎn)扭矩，經(jīng)鉆桿傳遞給導(dǎo)孔鉆頭，破碎的巖屑沿鉆桿外壁環(huán)形空間由泥漿提升到地面（上水平面，見(jiàn)圖1）。導(dǎo)孔鉆進(jìn)時(shí)鉆桿是不斷接長(zhǎng)，一直鉆透到下水平巷道。




    2．3 最終鉆孔偏斜情況
    在完成的兩條斜井中，第一條最終實(shí)際透孔位置較設(shè)計(jì)透孔中心向下偏斜2.O4m，向右偏斜0.98m，綜合偏斜2.26m，鉆孔長(zhǎng)度212.62m，綜合偏斜率1.06%;第二條最終實(shí)際透孔位置較設(shè)計(jì)透孔透孔中心向下偏斜O(jiān).78m,向右偏斜O(jiān).6Om,綜合偏斜0.98m，鉆孔長(zhǎng)度212.76m，綜合偏斜率0.46%.兩條斜并在鉆孔較深、巖層較硬的條件下，偏斜度的控制均取得了良好的效果。透孔具體情況見(jiàn)圖3。






    3 斜并鉆孔偏斜的原因研究
    溪洛渡電站通風(fēng)斜井工程的BMC300型反井鉆機(jī)施工，在導(dǎo)孔鉆進(jìn)偏斜控制萬(wàn)面采取了多項(xiàng)措施，才取得較好的鉆進(jìn)精度。這些研究成果和糾偏措施為下一步繼續(xù)推廣應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。
    3.1 鉆桿軸向載荷造成的偏斜
    反井鉆機(jī)鉆鑿豎井，鉆壓、鉆桿的重力方向和鉆進(jìn)方向一致，理論上不會(huì)彎曲，但由于鉆機(jī)安裝和鉆桿加工精度原因，導(dǎo)孔鉆頭和巖石共同作用，這些外力也會(huì)對(duì)鉆頭產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩，隨著鉆孔延深，鉆桿就會(huì)逐漸彎曲，由鉆桿彎曲導(dǎo)致了鉆進(jìn)方向變化，結(jié)果使鉆頭沿傾斜上部方向向下或者向上偏斜形成鉆孔偏斜，總的來(lái)講，向下偏斜趨勢(shì)較大。
    3．2 巖層反作用力對(duì)鉆孔偏斜的影響
    在無(wú)層理、節(jié)理或斷層的堅(jiān)硬、均質(zhì)巖層中鉆鑿導(dǎo)孔時(shí)，雖然巖層反作用造成的導(dǎo)孔偏斜趨勢(shì)較小，但是不均質(zhì)的巖石各向異性則會(huì)引起導(dǎo)孔偏斜。
    3．3鉆頭移步對(duì)鉆孔偏斜的影響
鉆頭移步是指三牙輪鉆頭在的旋轉(zhuǎn)中心不圍繞鉆孔中心旋轉(zhuǎn)鉆頭移步將引起鉆孔偏斜、鉆孔不是圓形、鉆孔斜直徑加大。
    3．4 鉆孔內(nèi)巖屑對(duì)鉆孔偏斜的影響
    采用反井鉆機(jī)鉆進(jìn)導(dǎo)孔時(shí)，鉆頭破碎下來(lái)的巖屑是利用清水或泥漿直接沖出鉆孔?，F(xiàn)已發(fā)表的研究成果表明，沉積在孔底0.5 - 5mm厚的鉆屑可將鉆進(jìn)速度降低40%左右，特別在斜井鉆進(jìn)中，巖屑受重力作用容易在鉆桿的下部聚集，會(huì)使直接接觸巖石底部的穩(wěn)定鉆桿受到向上托起力，使鉆孔發(fā)生向上的偏斜。

    4 鉆井鉆進(jìn)偏斜控制
    4.1 偏斜的糾偏處理
    獲知鉆孔偏斜的主要控制手段是及時(shí)對(duì)鉆孔進(jìn)行偏斜的測(cè)量如果發(fā)現(xiàn)鉆？ 灼？保？匭臚Ｖ棺杲?，對(duì)鉆孔進(jìn)行糾偏處理。最常用的有以下幾種方法：
    (1)鉆孔偏斜程度和方向非常有規(guī)律，可采取偏置鉆機(jī)的方法來(lái)糾正預(yù)計(jì)的偏斜。移動(dòng)鉆機(jī)安裝的距離和方向可根據(jù)本地以前施工獲得的經(jīng)驗(yàn)而定。在鉆進(jìn)中，如遇到巖層向更硬巖層過(guò)渡，同時(shí)降低鉆壓和轉(zhuǎn)速將有助于鉆頭以直線的方式鉆進(jìn)堅(jiān)硬巖層，避免出現(xiàn)偏斜轉(zhuǎn)折點(diǎn)。當(dāng)穩(wěn)定鉆桿進(jìn)入新巖層后，即可恢復(fù)原來(lái)的鉆壓和轉(zhuǎn)速。
    (2)在鉆進(jìn)中發(fā)生不規(guī)則或意外的偏斜，可采用變化鉆具組和變化鉆壓的方法來(lái)糾偏，也可以利用潛孔馬達(dá)和一個(gè)彎接頭來(lái)糾偏，還可以采用堵塞偏孔，重新鉆孔的方法解決偏斜。堵塞鉆孔指用純水泥將變向點(diǎn)至孔底一段進(jìn)行充填，并使之凝固。
    (3)對(duì)于從地面開(kāi)鉆的深孔和鉆孔精度較高的鉆孔，常采用定向鉆井法鉆導(dǎo)并，如采用戴納鉆具。采用戴納鉆具鉆進(jìn)時(shí)，鉆具組不旋轉(zhuǎn)，鉆壓也很低，潛孔馬達(dá)靠液能驅(qū)動(dòng)，并帶動(dòng)轉(zhuǎn)子，短接頭和鉆頭一起旋轉(zhuǎn)，控制鉆進(jìn)方向的元件加在潛孔鉆具的上部，這樣定向控制裝置就能比較容易地控制鉆孔精度。
    4．2 鉆壓的控制
    在鉆進(jìn)中鉆壓的調(diào)整是控制偏斜的方法之一。鉆壓過(guò)大則很容易導(dǎo)致鉆孔的偏斜，鉆壓較小會(huì)降低鉆機(jī)的工作效率。合適的鉆壓需要根據(jù)巖石硬度、鉆桿自重、鉆孔傾斜角度及鉆機(jī)能力等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，原則上開(kāi)孔時(shí)盡量采用小鉆壓，在穩(wěn)定鉆桿全部進(jìn)孔后再恢復(fù)正常鉆壓作業(yè)。為了提高鉆孔精度，應(yīng)采用低于最佳鉆進(jìn)速度的低鉆壓鉆進(jìn)。
    4．3轉(zhuǎn)速的控制
    在鉆進(jìn)導(dǎo)向孔時(shí)，保持恒定的鉆進(jìn)速度是控制偏斜最常用的方法。鉆壓與轉(zhuǎn)速的調(diào)整一般是通過(guò)試驗(yàn)獲得，也可通過(guò)計(jì)算獲得，選擇轉(zhuǎn)速一般是采用鉆頭制造廠產(chǎn)品樣本中的推薦值。無(wú)論采用哪種確定鉆壓和轉(zhuǎn)速的方法，都必須注意一個(gè)重要的問(wèn)題，即隨著鉆壓的增加，轉(zhuǎn)速應(yīng)減少；反之，鉆壓減小時(shí)，轉(zhuǎn)速增加。
    4．4穩(wěn)定鉆桿的選擇及合理布置
    穩(wěn)定鉆桿是避免鉆孔偏斜最有效的工具。穩(wěn)定鉆桿的抗斜效果與穩(wěn)定段的直徑和長(zhǎng)度有密切聯(lián)系。如果穩(wěn)定鉆桿直徑小于導(dǎo)孔直徑，鉆頭在孔內(nèi)將發(fā)生輕微的晃動(dòng)，這種晃動(dòng)將導(dǎo)致孔徑增大，孔徑增大使穩(wěn)定鉆桿與孔壁的間距加大，直至使穩(wěn)定鉆桿作用減小。但是穩(wěn)定鉆桿直徑過(guò)大會(huì)增大鉆進(jìn)摩擦阻力。鉆具的剛性越大、長(zhǎng)度越長(zhǎng)，則抑制穩(wěn)定段上部的鉆桿彎曲的效果越好。
    另外，穩(wěn)定鉆桿的合理布置對(duì)偏斜度的控制也很重要，通常將兩個(gè)或更多的穩(wěn)定鉆桿連在一起使用，以便在鉆孔底部形成一段剛性的、與孔壁多處？ 喲サ淖昃咦椋？⑶乙？悸塹階旮說(shuō)鬧亓Ψ峙洌？暈榷ㄗ旮私?行合理布局。
    4．5 洗井液的選擇
    在巖石較完整的情況下采用清水洗井，當(dāng)巖石較破碎或存在裂隙、巖屑不易被沖出時(shí)，可采用泥漿洗井。無(wú)論采用哪種洗并液都應(yīng)盡量增大其攜帶能力，以便盡量減小鉆桿底端巖屑聚集對(duì)鉆桿偏斜產(chǎn)生的影響。


    參考文獻(xiàn):
    [1］劉志強(qiáng) 甘文鴻等 反井鉆機(jī)在水電建設(shè)工程中應(yīng)用［J］ 水利發(fā)電2001.12
    [2］劉志強(qiáng) 王強(qiáng) 強(qiáng)力反井鉆機(jī)的研制及應(yīng)用［J］煤炭科學(xué)技術(shù)2005.4

    收稿日期：2007-12-10
    作者簡(jiǎn)介：劉志強(qiáng)，北京中煤礦山工程有限公司鉆井分公司經(jīng)理，從事反井鉆機(jī)、鉆井法鑿井技術(shù)研究。