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1、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
2、、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150200m；而到70年代初期，钻孔直径可达2.02.4m，钻孔深度可达250500m；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1.26.0m，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1.46.0m，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
3、孔的反井钻机，典型产品有苏南煤机厂生产的LM90300系列、长沙矿山研究院生产的TYZ10001500系列及西北有色冶金机械厂生产的的AF-2000等，钻孔直径为0.9m2.4m，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
4、。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
5、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912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1416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
6、小湾水电站使用，小湾水电站的岩石为花岗岩，岩石硬度为1416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1416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1416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
7、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1416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
8、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
9、，对环境造成污染非常小，作业人员比较少。每个班只需要45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
10、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11.5m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
11、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溜碴法、人工配合机械的反井吊罐法、反井爬罐法。
12、而后又发明了劳动强度较低的一次钻孔反井分段爆破法和反井钻机开挖方法等。应该说，从正井开挖进入应用重力势能的反井开挖法，是竖井开挖技术质的飞跃。一次钻孔分段爆破是一项技术进步，而反井钻机的应用更使竖井、斜井开挖进入了一个新的阶段。1、传统人工导井施工法分析（1）正导井开挖法上马岭电站调压井开挖和压力管道上部开挖，采用自上而下的正井开挖方法。天生桥调压井为了加快施工进展，顶部也采用上部吊碴方法。永定河上马岭电站压力管道倾角331126.5，开挖直径6.6m，全长179m，开始从上弯段向下开挖，施工十分困难，进展很慢，后来在中间增开一条“七、一”支洞，开始从下而上的反井开挖，初步解决了出碴问题。（2
13、）反导井开挖法云南大朝山电站尾水设4个闸门井，开挖断面为1216m，闸门井高45m，都是采用23 m断面开挖反导井，采用人工搭设脚手架平台进施工反井施工，施工中配置2台手风钻，47天向上开挖导井45m，平均日进尺0.96m，最高日进尺2.5m。（3）反井爬罐导井开挖法广蓄电站压力管道斜井，上斜井长406.22m，下斜井长347.45m。开挖直径9.7m，倾角50。斜井开挖采用正、反井结合方法施工，先开挖2.42m下导井（底拱），采用上、下对口四个工作面同时开挖。上部向下开挖提升出碴，下部向上用阿立马克STH-500型（柴油）和STH-588型（电动）爬罐。上斜井导井用127天完成，最高月进尺9
14、0m；下斜井导井用125天完成，月进尺77m。上斜井下口工作面平均日进尺2.595m，下斜井下口平均日进尺1.974m。天生桥电站压力管道，长159.5m（总计178.3m）。大井直径.7m，竖井导井用阿立马克爬罐开挖，断面2.5m2.5m，每个循环进尺11.5m，平均月进尺55m，最高月进尺80m。（4）反井吊罐导井开挖法反井吊罐开挖导井，是从冶金系统引进到水电六局的，而后在一些水电站施工中推广应用。渔子溪埋藏式竖井压力管道竖井为272.2m，开挖直径5.2m，钢衬直径3.4m，内水压力.92MPa。开挖采用红旗300型钻机钻设100mm中心孔，最高班进尺3m，实际偏差为1540cm。竖井分
15、三段开挖，每段约90m，反井吊罐法开挖导井，导井断面为3.24m2。折叠式吊罐重400kg，载重600kg，折叠尺寸为900mm900mm1250mm，展开尺寸为1760mm14602100mm。钻爆人员4人，采用01-43和01-45型钻机，混合式通风方式。导井开挖平均日进尺2.88m，中心孔上部用华1型游动卷扬机牵引。（5）一次钻孔反井分段爆破开挖法三门峡改建工程排沙洞1号工作闸门井，深51m。采用一次钻孔、自下而上分段爆破的方法开挖导井，导井断面1.8m1.8m，实际开挖成2.25m1.93m。使用KA-2M-300型钻机，钻150mm中心孔，爆破孔110120mm，钻机偏差小于1.7。
16、开挖布置6个孔，后来增加至10个孔，装药8.512kg/孔，崩落孔711kg/孔，周边孔812kg/孔。岩石竖固系数为812。孔径120mm，药卷直径105mm（内径95mm），采用毫秒爆破，并串并联法。放炮有效天数10.33天，最高班进尺4.28m，最高日循环4次，进尺8.19m，平均日进尺4.6m。如果把钻孔和准备工作时间包括在内，则日平均进尺仅为0.807m。天生桥二级调压井，24m，深90m，采用一次钻孔，分段自下而上爆破法开挖导井，导井2.4m，共钻7个孔，中间一个大孔，垂直偏差小于1%。每次进尺1m，月进尺20m。2、反井钻机导井法施工分析（1）湖北省水布垭电站地下厂房通风竖井长1
17、83m，竖井直径1.4m。岩层为灰岩，岩石硬度12级， 反井钻机为LM-200型。于2002年8月20日开始准备工作（含基础砼施工、设备就位调试及沉渣砌筑等），9月6日开钻，9月17日216mm导孔贯通，9月18日导井1.4m扩孔，9月26日扩孔结束。其中由于厂房施工停工8天，纯施工时间为47天，平均日钻进3.2m。（2）湖北省水布垭电站引水斜井长156m，倾角60，反井钻机为LM-200型。于2003年8月26日开始准备工作（含基础砼施工、设备就位调试及沉渣砌筑等），9月10日开钻，9月14日216mm导孔贯通，10月14日导井1.4m扩孔结束。历时44天，平均日钻进3.54m。（3）贵州省
18、三板溪水电站岩石为花岗岩，岩石硬度为1416级，电缆竖井长184m。反井钻机为LM-200型。于2003年6月26日开始准备工作（含基础砼施工、设备就位调试及沉渣砌筑等），7月3日开钻，7月9日216mm导孔贯通，8月20日导井1.4m扩孔结束。其中由于主变室施工停工10天，纯施工时间为44天，平均日钻进2.7m。（4）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1416级，地下厂房主变排风竖井长210m。反井钻机为LM-280型。于2004年5月25日开始准备工作（含基础砼施工、设备就位调试及沉渣砌筑等），6月1日开钻，6月11日216mm导孔贯通，8月22日导井1.4m扩孔结
19、束。施工历时为57天，平均日钻进3.7m。（5）云南省溪洛渡水电站右岸地下厂房主变排风竖井长215m，岩层为玄武岩，岩石硬度1416级， 反井钻机为LM-200型。于2006年5月10日开始准备工作（含基础砼施工、设备就位调试及沉渣砌筑等），5月26日开钻，6月16日216mm导孔贯通（外界影响停工10天），6月18日导井1.4m扩孔，7月26日扩孔结束（外界影响停工12天）。施工历时为54天，平均日钻进3.98m。反井钻机在不同岩性的竖、斜井导井钻进情况统计表电站名称井深（m）岩石名称216mm钻进速度（m/天）1.4m扩孔速度（m/天）备注水布垭电站115183灰岩38401820竖井15
20、632341416斜井（60）三板溪电站43120花岗岩1932810竖井小湾电站8821230351316三峡电站8222321215溪洛渡电站194215玄武岩2026510从表中显示，随着岩石硬度及竖、斜井长度的增大，施工难度加大，其钻进速度减慢，灰岩可钻性最好。 3、反井钻机与传统人工导井工期比较（1）反进钻机导孔施工时间统计反井钻机开钻前的准备时间一般为1215天，主要是主机基础砼浇筑、主机就位、二期砼浇筑、沉渣池砌筑等。216mm导孔施工一般25m/天，以100m长的竖、斜井为例，216mm导孔耗时约4天。216mm钻头拆下至安装1.4m钻头结束耗时约1天。1.4m导井扩挖速度约5
21、15m/天，平均10m/天，以100m长的竖、斜井为例，1.4m导井扩挖耗时约10天。反井钻拆除耗时约3天。根据统计显示，100m长的竖、斜井反井钻机从准备工作至设备拆除约耗时约33天。（2）传统人工导井施工时间统计传统人工导井开钻前的准备时间一般为45天，主要是空压机的安装（卷扬机或爬罐可不占用工期）。1.8m导孔施工一般0.81.5m/天，以100m长的竖、斜井为例，1.8m导井耗时约91天。井内风、水、电管线拆除耗时约5天。根据统计显示，100m长的竖、斜井传统人工导井法施工从准备工作至设备拆除约耗时约101天。从以上的反井钻机和传统人工导井法施工时间统计，反井钻机导井法施工耗时只占传统
22、人工导井法施工耗时32.6%。采用反井钻施工工期可提前约2/3。4、反井钻机与传统人工导井质量比较反井钻导井施工采用滚刀对岩石切削、挤压完成竖井及斜井导井开挖，形成的导井井壁非常光滑，并能够形成预定要求的洞径。传统人工导井法施工则采用人工钻孔，人工控制周边孔位，不可避免的误差，导井井壁不是很光滑。综上所述，反井钻导井施工比传统人工导井法施工质量要好得多。5、反井钻机与传统人工导井安全比较反井钻导井施工均采用设备操作，且反井钻机由电能传到液压系统，转变成液压驱动，操作安全，容易避免安全事故的发生。传统人工导井法施工则采用人工钻孔、爆破，施工人员必须到工作面进行操作，安全隐患较多，安全不易保证。四
23、、工艺流程及操作要点1、竖井、斜井反井钻机施工工艺流程框图竖井、斜井反井钻机导井施工工艺流程框图竖井、斜井上、下平洞开挖到位钻机砼基础砼浇筑主机就位、调平二期砼浇筑、沉渣池砌筑216mm导孔从上往下开钻启动泥浆泵或高压泵216mm导孔贯通后拆除小钻头1.4m大钻头(并关闭泥浆泵)1.4m导井反向扩挖设备拆除2、施工方法（1）设备组合主要设备配置表设备名称型 号重 量功 率数 量备 注反井钻机主机LM-2008.3t83kw1台套主机轨道（18#工字钢9m）操作车0.89t油泵车2.5t泥浆泵TBW850/505.5t90kw1台用于216mm导孔施工潜水泵2.2kw2.2kw3台油泵车冷却水循
24、环水随车吊3t1辆吊运钻杆、操作车、油泵车沃尔沃装载机150型1台主机、泥浆泵的吊装钢板水箱4m3、5m3各一个水箱大小按供、排水情况定216mm钻头216mm0.05t一个一个钻头可施工300500m1.4m钻头1.4m2.3t一个（2）施工方法钻机基础砼浇筑23天后，将主机轨道铺设在砼平台上，轨距为64cm，轨道下垫枕木（2020cm，长120cm）或20#工字钢，每隔6080cm垫一根，然后将主机吊至轨道上，调好钻机位置，锁紧卡轨器，竖起钻架，安装后拉杆，调平钻机。钻机调平后，用螺栓将钢垫板连接在钻架上，安装前拉杆及埋设预埋螺栓，再次调平钻机并浇筑期砼。216mm导钻进期砼达到一定的强度
25、后，安装转盘吊和翻转架，开孔钻进，钻机调平后，调整动力水龙头的转速为预定值，并将动力水龙头升到最高位置、把事先与异型钻杆相接的导孔钻头移入钻架底孔并用下卡瓦卡住异型钻杆的下方卡位，然后将卡瓦放入卡座。用钻机辅助设备连接钻杆。接好钻杆后，开启泥浆泵供洗井液和冷却用水，开始从上往下开孔钻进。导孔开始钻进时采用高转速低钻压，动力水龙头的转速使用快速挡，钻压为25Mpa，一般情况下，对于松软地层和过渡地层应采用低钻压，对于硬岩和稳定地层宜采用高钻压。稳定钻杆的布置，稳定钻杆的作用主要控制导孔钻进的偏斜率，在钻头后连续布置68根，控制钻杆与导孔壁的间隙，从而减少钻杆摆动幅度，确保导孔钻进的垂直度。背压根
26、据实际情况调整，背压过大动力水龙头不能向下推进，背压过小时动力水龙头向下推进过快而容易卡钻，背压的调整原则是既能使动力水龙头向下推进也不能卡钻。洗孔，动力水龙头向下推进至最低位置时，停止向下推进，检查棘轮套的插销是否往上顶出来，如果插销被顶出来，说明孔内石渣没有冲洗干净，继续冲洗至插销回到原位。导孔石碴冲洗干净后，关闭泥浆泵，连接钻杆，钻杆连接完成后开启泥浆泵，继续往下钻进。导孔在钻穿约有58m时，在预测钻穿位置设置围栏，禁止人员进入，防止石块坠落伤人。1.4m从下往上反向扩孔导孔贯通后，在下平洞用卸扣器将导孔钻头和异型钻杆换下，用吊车或装载机将1.4m钻头运至导孔下方，将上下提吊块分别同钻头
27、、导孔钻杆固定，上下提吊块用钢丝绳连接，提升导孔钻杆，使钻头离开地面约20cm，然后固定钻头，下放导孔钻杆，拆去上下提吊块，连接扩孔钻头。 调节动力水龙头出轴转速调为慢速挡。在扩孔钻头未全进入钻孔时，为防止钻头剧烈晃动而损坏刀具，使用低钻压、低转速，待钻头全部钻进后可加压钻进。扩孔钻压的大小根据地层的具体情报况而定，软岩低压、硬岩高压，但是，主泵油压不得超过24.0Mpa；副泵油压不得超过18.5Mpa。 扩孔钻进结束后，拆去钻杆，采用钢丝绳将1.4m钻头固定在主机轨道上，主机调离后再将钻头从导孔吊出。（3）关键技术在导孔钻进过程中有时会出现由于塌孔、水压力不够、停电等导致孔内石碴滞留堆积后出
28、现卡钻，或是导孔、扩孔施工过程中钻杆断裂后钻杆、钻头滞留在孔内，这些情况处理起来相当困难，并且发生的频率也较多，属于反井钻机导井法施工的难点及重点，在此我们根据经验谈几点体会。导孔钻进过程中的卡钻我们采取了几种方法进行处理，其中一种方法是采取高压水强行冲孔，在冲孔过程中起动钻机转动钻杆，直至钻杆转动提升。另外一种方法是导孔离下下平洞较近的情况下，从下往上人工打导井贯通导孔，贯通后用高压水冲孔。扩孔过程中的掉钻在扩孔过程中，由于钻杆断裂，如果扩孔钻头卡在已扩挖成形的孔内，此时若从下面处理非常危险。所以我们考虑从上面导孔中进行，第一种方法：将钻杆接上后采取钻杆对钻头施加压力使其自然坠落至下平洞。第
29、二种方法：在孔口通过钢丝绳将炸药送入钻头卡住部位，引爆后将钻头震落至下平洞。该方法每次炸药用量控制在58kg，对钻头不会构成大的损伤。导孔施工过程中的钻杆断裂部份长期使用的钻杆在导孔钻进及扩孔过程中可能会发生断裂，反井钻机单根钻杆长度为1m，重达180Kg。在钻杆断裂后，如果不将钻杆取出，那么一方面要丢失钻杆、钻头，造成经济。另一方面还得重新造孔，有些特殊部位还不允许重新造孔。因此如何打捞钻具成了反井钻机导井法施工的一个难题。为此我们发明了一种钻杆打捞器，钻杆打捞器的原理跟膨胀螺栓原理相同，其上部与钻杆呈直螺纹连接，下部为椎形套，前进过程中可以直接进入已断裂钻杆的内壁，进入内壁后，在打捞器提升
30、过程中椎形套会张开，与断裂钻杆内壁紧紧连接，越拉越紧，然后通过打捞器将孔内钻杆提升到孔口用夹钎器固定后逐一取出钻杆。该打捞器一次能提升40吨以上的重量。即能提取200m以上的钻杆长度。基本能满足取钻要求。附图1：钻杆打捞器示意图不良地质地层施工方法经过实践，我局总结出以下两种方法进行不良地质地层施工。a、循环钻灌成孔法 我局在小湾左岸砂石系统遇2#竖井、水布垭电站4#引水斜井、4#母线竖井、交通电梯井及三板溪电站的2#、4#引水竖井在钻孔过程中遇到断层、裂隙、溶沟、溶槽或软弱夹层等地质不良段，在钻进过程中不同程度的出现孔口不返水排碴现象。均采用循环钻灌成孔法进行处理。具体方法为在现场制备0.4
31、0.55水灰比的水泥砂浆或泥浆，通过灌浆设备或人工自流输送浆液的方法进行灌注，利用浆液填充断层、裂隙、溶沟、溶槽，灌注浆液24小时后即可进行钻孔施工。这个方法实施较为安全可靠，但由于要反复取钻、灌浆，对施工进度影响较大。 b、强行成孔法该方法适合于断层、裂隙带范围不大，且处于竖井及斜井的深孔带，该方法就是在竖井及斜井孔深超过100m后，在遇到断层、裂隙后出现孔口不返水时，继续钻进并不断的用泥浆泵向孔内压水，直至孔口返水。该方法的特点是利用水压力将钻孔时的积碴强行通过裂隙、断层或孔口排除并堵塞裂隙里的渗水通道。我局在三板溪电站、小湾电站竖井施工均采用过该方法，对加快施工进度方面非常有效。在实际施
32、工中，可根据情况两种方法均酌情采用。反井钻在硬岩施工中的改良，其方法详见五、针对水电工程地质情况施工对国产反井钻机的改良措施。五、针对水电工程地质情况施工对国产反井钻机的改良1、对1.4m钻头进行改良，使之适应硬岩施工LM-200型反井钻机扩孔钻头由6把对称扩孔滚刀组成，其中2把在中心，称为中心刀，另外4把在外侧，称为边刀。呈对称布置。在实际扩孔钻进过程中，发现外面4把扩孔边刀扩孔负荷较大，容易受磨损，需要经常更换，而里面2把的中心刀负荷较小，基本不需要更换。这样由于负荷不均匀导致外面钻头盘刀更换频繁，降低了造孔速度，同时也造成了里面扩孔中心刀闲置，在经过反复验证并仔细研究了各滚刀的运行轨迹后
33、。将里面的其中1把扩孔盘刀改装到了外面，这样保证了每把扩孔盘刀均匀受力，在不增加任何投入的情况下，加快了施工进度，降低了施工成本。改装前和改装后的扩孔钻头布置见附图2。a:由厂家提供的对称扩孔盘刀 b: 经改良的非对称扩孔盘刀（按滚刀的工作量布刀）附图2：改装前、后的扩孔钻头布置图2、改变原来稳定钻杆的配置方法，更好的控制钻进精度在216m导孔钻进时，原厂家设计连接钻头的第一、二根钻杆为稳定钻杆，然后接一般钻杆，稳定根据地质情况布置，以此控制钻进偏斜。根据施工经验该方法存在一定的弊端，导孔产生偏斜一般前2030m发生，为了更好的控制钻进精度，在216m导孔钻进时连接钻头的第一八根钻杆均为稳定钻
34、杆，按此布置后，导孔钻进的偏斜均在1%以内。3、扩孔钻头中心管的改进LM-200型反井钻机扩孔钻头中心管主要作用为连接扩孔钻头与钻杆，长度约为50cm。由于接头部位离扩孔钻头较近且该部位所承受的扭矩较大，应力容易集中，在初期扩孔施工中经常出现与其它钻杆的连接部位断裂。为此我局经过研究后，将扩孔中心管长度加长至1.5m，并将扩孔中心管采用合金稳定条加固，经过加固后的扩孔钻头在后期施工中基本不出现断裂现象。改装前和改装后的扩孔中心管布置见附图3。a:由厂家提供的扩孔钻头中心管 b: 经改良的扩孔钻中心管（加长并增加合金稳定条）附图3：改装前、后的扩孔钻头钻头中心管布置4、扩孔钻头冷却系统的改进 L
35、M-200型反井钻机扩孔钻头扩孔施工期间的冷却主要靠采用在孔口通过自流形式落至钻头上进行冷却。由于导孔较小，而扩孔钻头较大，通过自流的水仅能冷却位于中间的扩孔滚刀，而外围几把滚刀无法冷却，导致外围滚刀在工作中因过热容易损坏。鉴于此情况，我局将冷却系统进行了改造，即在原利用孔口自流水冷却的同时，从钻机顶部连接一根2寸冷却水管通过钻杆中心孔，然后在扩孔钻头底盘上各引一4管进入 附图4：改良后钻头冷却系统各滚刀。使各滚刀在运转中均能受到冷却，这样不仅使滚刀使用时间比原来增加了一倍，同时也加快了施工进度。改装后所增加的扩孔冷却系统见附图4。5、扩孔钻头破岩滚刀的改进LM-200型反井钻机扩孔钻头破岩滚
36、刀一般为4齿滚刀，齿间距为6cm，采用4齿滚刀在八级以下的岩石基本能满足破岩要求，我局在水布垭电站的竖井及斜井施工中就是采用由厂家提供的4齿滚刀进行破岩，在进入小湾电站和三板溪电站后，岩性为花岗岩，岩石级别十二级。在初期进行主排风洞的扩孔施工中，发觉扩孔速度相当缓慢，而钻头磨损较大。最初是认为合金钻头难以满足造孔要求，于是先将合金钻头改为金钢石钻头，但效果仍不是太明显，后仔细分析滚刀破岩原理后，认为是齿间距过大，难以达到破岩效果，在将4齿滚刀调整为5齿滚刀、齿间距调整为5cm后，造孔速度明显提高，最后将滚刀调整为6齿滚刀、齿间距调整为4cm后，在花岗岩中造孔速度能满足要求。改装前和改装后的破岩
37、滚刀见附图5。a:由厂家提供滚刀（四齿） b: 第一次改良的滚刀（五齿） c: 第一次改良的滚刀（六齿）（适用于十级以下岩石） （适用于十一十三岩石） （适用于十四以上岩石）附图5：改装前、后的扩孔钻头扩孔钻头破岩滚刀目前我局根据不同的岩石级别设计了三种扩孔钻头，扩孔钻头的滚刀布置采用改良的布景形式。硬度八至十级的岩石采4齿合金滚刀、齿间距为6cm；十一至十三级的岩石采用5齿金刚石滚刀、齿间距调整为5cm；十四至十六级的岩石采用6齿金刚石滚刀、齿间距调整为4 cm。并委托钻头生产厂家按我局设计的钻头类型进行生产。在以后施工中进一步总结经验，设计出更加完美的扩孔钻头。六、效益分析1、经济效益竖井
38、导井施工所采用的较为传统的施工方法就是手风钻导井施工，现以开挖一条150m长断面为1.4m的竖井导井（岩石为十二级）为例来分析常规施工、反井钻机施工方法的成本及进度特点。（1）传统人工导井法施工分析手风钻竖井导井施工采用正导井和反导井工法相结合，设备配置为：手持式风钻812台，卷扬机1台、1台阿立玛克爬罐，20m3空压机2台。人员配置：按三班作业，钻手15人，炮工3名，卷扬机、爬罐操作工各3名，安全员6名，总计27人。正导井和反导井同时施工，平均每天共进尺2.5m（反向开挖平均每天1.5m，正向开挖平均每天1m）。施工总耗时60天。（2）反井钻机导井法施工分析反井钻机导井法施工是水电施工中的一
39、种新技术、新工艺。根据施工工艺，设备LM-200型反井钻一台套。人员配置：操作工及换钻杆人员每班4人，按三班计算总计12人。先采用216mm的钻头自上而下钻孔，小孔贯通后再采用1.4m的钻头从下往上反向扩孔，钻进速度按25m/天，计6天； 1.4m导井反向扩时钻进速度为8m/天，计19天。施工共耗时约为25天。（3）传统人工和反井钻机竖井导井法施工分析主要设备、工期及人员情况对照表施工方法设备设备价值人员工期材料消耗反井钻机反井钻机一台套140万元12人25天216mm钻头1个1万元随车吊一辆14.5万元1.4m钻头2个16万元人工导井开挖8t卷扬机一台3.8万元27人60天空压机电机功率计2
40、50KW，轨道安装90m阿立玛克爬罐一台255万元20m3空压机2台17万元轴流风机2台12.8万元37 KW 40mm钻头、钻杆、炸药等3.7万元从上表中显示，150m竖井传统人工导井法施工设备投入约289万元，设备电机功率共324 KW，电费约19.4万元（按0.5元/ KWh计），40mm钻头、钻杆、炸药等材料消耗3.7万元，总计23.1万元；反井钻机导井法施工钻头材料消耗约17万元，设备功率约180 KW，电费约2.8万元（按0.5元/ KWh计），总计19.8万元。传统人工导井法施工的材料消耗约比反井钻机导井法施工多约4万元。2、环境保护效益竖井传统人工导井法施工需要钻孔爆破，手风钻
41、产生的噪音比较大，对钻工身体健康产生一定的损害；爆破产生的灰尘和气体对人体健康会产生一定的损害，严重时得职业病。反井钻机导井法施工产生的噪音比较小，对作业人员身体健康产生一定的损害非常小，1.4m导井反向扩时作业人员不需要至工作面，产生的灰尘不会对作业人员身体健康产生损害。同此可见，反井钻机导井法施工比传统人工导井法施工对环境影响小得多。3、安全效益竖井传统人工导井法施工需要钻孔爆破，施工人员必须到工作面操作，人工进行安装炸药、出渣等，安全隐患较多，安全不易保证。反井钻机导井法施工作业人员不需要至工作面，安全隐患比较少，安全容易保证。因此反井钻机导井法施工比传统人工导井法施工安全容易保证。七、
42、应用实例1、湖北省水布垭电站施工（竖井、斜井施工）湖北省水布垭电站施工地下厂房通风竖井长183 m，洞径为1.4m；引水隧洞斜井长156 m，洞径为6.9m。岩石以灰为主，局部为泥质生物碎屑灰岩、泥质白云岩与灰岩呈软硬兼相间不等厚分布并有多条断层交错颁布，硬度为812级。厂房通风竖井施工采用苏南煤机厂生产的LM200型反井钻机进行施工。LM200型反井钻机由主机、操作车、油泵车组成，主机为最大件，尺寸为2.951.371.57m。电机总功率为82.5kw，以液压为主动力，运行操作简单、安全。在216mm导孔施工时配置TBW850/50型泥浆泵一台，作为导孔时排渣。厂房通风竖井、引水隧洞斜井反井
43、钻机施工分两班作业，每个班作业人员为4人,驾驶员1人（随车吊），共9人。（1）厂房通风竖井反井钻机施工施工条件施工用水较紧缺，由于厂房通风上井口布置在露天平台，施工期间为枯水期，山体无渗水可接至工作面，施工用水从清江抽至工作面比较困难。施工中采取的相应措施：距上井口20m远的平台（该平台高出竖井上口10m）砌筑容量为30m3的浆砌石水池，施工用采9m3的水车运至水池内，以满足施工期用水。厂房通风竖井反井钻机216mm导孔施工于2002年8月20日开始准备工作（含基础砼施工、设备就位调试及沉渣砌筑等），9月6日开钻，9月12日216mm导孔贯通，平均钻进速度为30. 5 m /天。 厂房通风竖井
44、反井钻机1.4m导孔施工反井钻机1.4m导孔从2002年9月13日开始扩孔，2002年9月26日结束。历时13天，平均钻进速度为14 m /天。（2）4#引水斜井反井钻机施工引水隧洞斜井反井钻机216mm导孔施工于2003年6月21日开始准备工作（含基础砼施工、设备就位调试及沉渣砌筑等），7月14日开钻，7月23日216mm导孔贯通，历时9天，平均钻进速度为18 m /天。 引水隧洞斜井反井钻机1.4m导孔施工反井钻机1.4m导孔从2003年7月24日开始扩孔，2003年8月26日结束。历时28天，平均钻进速度为5.6 m /天。2、云南省溪洛渡电站竖井硬岩施工溪洛渡电站右岸地下厂房主变室排风
45、竖井，深度为215.14m，开挖洞径为8.2m，喷砼后净断面洞径为8m。主变室排风系统出露的岩体主要为P24层含斑玄武岩（约占80%）和P25层致密状玄武岩（约占20%），岩体新鲜较完整，岩体以块体、层状结构为主，主要为类围岩，部分围岩受层内错动带和裂隙影响呈镶嵌结构，属1类围岩，主变室排风竖井走向基本垂直岩层，岩石硬度为1214级。主变排风竖井施工程序：反井钻机施工（216mm导孔施工1.4m导井施工）3.8m人工反向扩挖8.2m人工正向扩挖及支护。主变排风竖井1.4m导井施工采用苏南煤机厂生产的LM200型反井钻机进行施工。（1）主变排风竖井反井钻机216mm导孔施工施工条件a、施工干忧比
46、较大，在距主变排风竖井反井钻机作业部位约10m，有1#通风平洞的施工作业，1#通风平洞的施工（开挖爆破、通风散烟、出渣等）对反井钻机施工的干扰非常大，爆破、通风散烟、出渣时无法施工；b、施工用水较紧缺，由于厂房进风竖井、排风斜井同主变排风竖井施工使用同一供水管路，而主变排风竖井井口高程相对较高，水压非常小。c、主变排风竖井井深215.14m，LM-200型反井钻机设计施工深度为200m。施工中采取的相应措施a、设置两个蓄水水箱，两个水箱的容量分别为4m3、5m3，在导孔施工前一次将水箱和沉渣池内注满水，作为循环水和沉渣池的水量补充；b、为了增加供水管水压，在供水管上安装一台2.2kw的管道增压泵；c、在沉渣池外挖一集水坑，将沉渣池渗漏的水引入集水坑，用潜水泵将集水坑内的水抽至水箱内作为油泵车冷却循环用水，使沉渣池及水箱内的水全部循环以满足施工期用水。d、主变排风竖井井深215.14m，LM-200型反井钻机设计施工深度为200m，为保证设备的正常运行和对孔斜的控制，在开孔及前20钻进过程中控制钻进速度在1.52小时/m。施工时段216mm导孔从2006年5月25日开始施工，2006年6月16日结束，历时23天，其中6月8日至6月16日时段由于主变室施工影响停工。另外，受1#通风平洞施
