摘要：通過在溪洛渡電站通風斜井工程實踐，介紹了反井鉆機施工工藝，分析了反井鉆進偏斜的原因，提出了反井鉆進偏斜控制方法，對鉆具布置、鉆進參數(shù)控制等進行了驗證，取得良好效果，回答了困擾多年的解決反井鉆進偏斜問題。文章中的措施和實踐可以在類似的水電工程中應(yīng)用。
    關(guān)鍵詞：溪洛渡電站；反井鉆機；通風斜井；偏斜控制
    中圖分類號：TV554 .15文獻標識碼：B

    1 概述
    近年來，反井鉆機及其技術(shù)日趨完善與成熟，已廣泛應(yīng)用于我國煤礦、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。我們在溪洛渡電站通風斜并工程的導(dǎo)孔鉆進偏斜控制方面采取了多項措施，取得了較好的鉆進精度。

    2 溪洛渡水電站工程實例
    2．1 工程概況
    溪洛渡水電站地下廠區(qū)通排風系統(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，巖石堅硬，新鮮完整。地下廠區(qū)通風系統(tǒng)地層產(chǎn)狀平緩，無斷層分布，主要結(jié)構(gòu)面為層間錯動帶和節(jié)理裂隙巖流層產(chǎn)狀總體走向為N20°-30°E,傾向SE。主廠房排風洞平洞段樁號O 0.0-30.0m為弱風化上段、卸荷巖體，巖體松弛，完整性差，加之P2β12層柱狀節(jié)理發(fā)育，圍巖類別為Ⅳ類；樁號O 3O - 0 60m段為弱風化下段無卸荷巖體，圍巖類別為Ⅲ類；樁號0 60 - 0 88.23m圍巖新鮮完整，以Ⅱ類圍巖為主，局部為Ⅲ類。
    廠房通風斜并在左右岸各一條，長度約213m，開挖直徑5.4m通風井和水平夾角75°。施工工藝采用反井鉆機，先鉆井直徑14m的導(dǎo)井，然后再由上向下，采用爆破的方法擴大到所需斷面，并進行相應(yīng)的臨時和永久支護。
    2.2 斜井鉆進施工
根據(jù)工程條件選用BMC300型反并鉆機，該機是在LM-200型反井鉆機基礎(chǔ)上研制的，用于水電系統(tǒng)硬巖和煤礦深井設(shè)計，考慮一次擴孔直徑1.4 ？ 1.52m，設(shè)計需要在滿足鉆進能力的條件下盡量使其體積小、重量輕。
    BMC300型反井鉆機由泵站、油箱、操作臺、主機、鉆具5部分構(gòu)成。采用全液壓驅(qū)動，雙馬達動力結(jié)構(gòu)。導(dǎo)孔鉆進時，動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，見圖1）。導(dǎo)孔鉆進時鉆桿是不斷接長，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，第一條最終實際透孔位置較設(shè)計透孔中心向下偏斜2.O4m，向右偏斜0.98m，綜合偏斜2.26m，鉆孔長度212.62m，綜合偏斜率1.06%;第二條最終實際透孔位置較設(shè)計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。透孔具體情況見圖3。






    3 斜并鉆孔偏斜的原因研究
    溪洛渡電站通風斜井工程的BMC300型反井鉆機施工，在導(dǎo)孔鉆進偏斜控制萬面采取了多項措施，才取得較好的鉆進精度。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
    反井鉆機鉆鑿豎井，鉆壓、鉆桿的重力方向和鉆進方向一致，理論上不會彎曲，但由于鉆機安裝和鉆桿加工精度原因，導(dǎo)孔鉆頭和巖石共同作用，這些外力也會對鉆頭產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩，隨著鉆孔延深，鉆桿就會逐漸彎曲，由鉆桿彎曲導(dǎo)致了鉆進方向變化，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，總的來講，向下偏斜趨勢較大。
    3．2 巖層反作用力對鉆孔偏斜的影響
    在無層理、節(jié)理或斷層的堅硬、均質(zhì)巖層中鉆鑿導(dǎo)孔時，雖然巖層反作用造成的導(dǎo)孔偏斜趨勢較小，但是不均質(zhì)的巖石各向異性則會引起導(dǎo)孔偏斜。
    3．3鉆頭移步對鉆孔偏斜的影響
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)巖屑對鉆孔偏斜的影響
    采用反井鉆機鉆進導(dǎo)孔時，鉆頭破碎下來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厚的鉆屑可將鉆進速度降低40%左右，特別在斜井鉆進中，巖屑受重力作用容易在鉆桿的下部聚集，會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對鉆孔進行偏斜的測量如果發(fā)現(xiàn)鉆？ 灼？保？匭臚Ｖ棺杲?，對鉆孔進行糾偏處理。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，可采取偏置鉆機的方法來糾正預(yù)計的偏斜。移動鉆機安裝的距離和方向可根據(jù)本地以前施工獲得的經(jīng)驗而定。在鉆進中，如遇到巖層向更硬巖層過渡，同時降低鉆壓和轉(zhuǎn)速將有助于鉆頭以直線的方式鉆進堅硬巖層，避免出現(xiàn)偏斜轉(zhuǎn)折點。當穩(wěn)定鉆桿進入新巖層后，即可恢復(fù)原來的鉆壓和轉(zhuǎn)速。
    (2)在鉆進中發(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糾偏，也可以利用潛孔馬達和一個彎接頭來糾偏，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至孔底一段進行充填，并使之凝固。
    (3)對于從地面開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。采用戴納鉆具鉆進時，鉆具組不旋轉(zhuǎn)，鉆壓也很低，潛孔馬達靠液能驅(qū)動，并帶動轉(zhuǎn)子，短接頭和鉆頭一起旋轉(zhuǎn)，控制鉆進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
    在鉆進中鉆壓的調(diào)整是控制偏斜的方法之一。鉆壓過大則很容易導(dǎo)致鉆孔的偏斜，鉆壓較小會降低鉆機的工作效率。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能力等相關(guān)數(shù)據(jù)進行計算，原則上開孔時盡量采用小鉆壓，在穩(wěn)定鉆桿全部進孔后再恢復(fù)正常鉆壓作業(yè)。為了提高鉆孔精度，應(yīng)采用低于最佳鉆進速度的低鉆壓鉆進。
    4．3轉(zhuǎn)速的控制
    在鉆進導(dǎo)向孔時，保持恒定的鉆進速度是控制偏斜最常用的方法。鉆壓與轉(zhuǎn)速的調(diào)整一般是通過試驗獲得，也可通過計算獲得，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。無論采用哪種確定鉆壓和轉(zhuǎn)速的方法，都必須注意一個重要的問題，即隨著鉆壓的增加，轉(zhuǎn)速應(yīng)減少；反之，鉆壓減小時，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，這種晃動將導(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)定鉆桿直徑過大會增大鉆進摩擦阻力。鉆具的剛性越大、長度越長，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偏斜度的控制也很重要，通常將兩個或更多的穩(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，當巖石較破碎或存在裂隙、巖屑不易被沖出時，可采用泥漿洗井。無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鉆桿偏斜產(chǎn)生的影響。


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

    收稿日期：2007-12-10
    作者簡介：劉志強，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、鉆井法鑿井技術(shù)研究。