反井钻机在终南山公路隧道竖井中的应用

在煤矿、水电、金属矿山、铁路、公路等地下工程建设中，开凿竖井和斜井井筒常常是整个工程建设的关键工程之一，其工程量虽然不大，但受水文地质等客观条件影响，施工难度较大，安全程度低，直接影响工程的进度。在秦岭终南山公路隧道中，为解决隧道的通风问题，共设计了三座运营通风竖井， 1＃竖井采用反井钻机施工，应用非常成功。在原投标施工组织设计中采用正井法开挖，由于其施工速度慢、不安全、辅助工程多，投入大，不能满足主洞开挖通风要求和施工进度。为此，在本项目施工中引进先进的反井钻机施工技术，快速高效的完成通风竖井任务，仅用35天就完成竖井扩孔。

1 施工准备

1.1 施工辅助生产系统

   施工辅助生产系统主要包括以下几个方面：供水、供电、通讯与信号、井口临时设施、钻机安装、换接刀孔钻头和扩孔钻头、钻机的拆除等工作。

1.2 供水 

   施工用水采用从石砭峪河中安装高压水泵抽取，供给到已建高压水池中，用Φ75㎜钢管接至距离井口上部10m范围内。流量不小于10m3/h,连续供应,无间段。

1.3 供电

   在距离竖井中300m的位置已建好的630KVA变压器,满足反井钻机工作电压380V,容量220KW,循环水泵90KW，用电设备安装采取相应的启动方式进行启动,安装漏电保护器。

1.4 通讯与信号

   地面通讯采用对讲机进行通讯,地面与井下的通讯采用“打点”的方法进行联系（接钻头时）。

1.5 井口临时设施

   首先进行钻机混凝土基础施工、循环池和清水冷却池,三者上表面为同一标高,由水沟连接。

1.6 施工设备的选择导井技术参数的确定

    工程本身已确定了钻孔深度和倾角，现在要确定导井直径，也就是反井钻机扩孔直径，导井的作用是溜渣、排水、通风、要有足够的断面，保证扩挖时不致堵塞。导井直径过小，除了容易堵塞外，还增加了扩挖时打眼和出渣工作量，降低了扩挖速度。导井直径过大，成本大大增加。因此，导井断面选择必须合理。根据以往的经验，坚硬岩石导井断面要适当增大，较软的岩石可适当减少。

1.6.1 破岩刀具的选择

    破岩刀具包括导孔钻头和扩孔滚刀。对于导孔钻头一般按生产厂家推荐的适用范围选择，但由于反井钻机施工，最好中间不进行导孔钻头的更换，所以选导孔钻头时应选择适用于高于所钻地层硬度的钻头。对于扩孔钻头，选择滚刀时，主要根据岩石的硬度、磨蚀性来确定滚刀的齿形和布置。反井钻机一般采用碳化钨镶齿盘型结构，选择如下： 

     岩石的磨蚀性：低   →    中    →    高

     硬        度：软   →   中硬   →   坚硬     

     齿        形：楔形 → 锥形 → 复合型 → 球形

     滚 刀 结 构：多刃盘形 → 多刃盘形 → 无盘布置

1.6.2 反井钻机的选择

     首先根据钻孔深度钻孔直径，初步选择相应的反井钻机，然后对钻机的主要技术参数进行验算：

      提升力=动力头重量+扩孔钻头重量+钻杆重量+钻压

      扭矩=破岩阻力矩+摩擦阻力

     转速根据钻头类型、直径以及滚刀结构确定。一般要求提升力不超过钻机设计最大提升力的60%，扭矩不超过设计最大扭矩的70%。

1.6.3 钻机辅助设备的确定

    反井钻机的主要辅助设备是泵，泵作为导孔钻进时进行洗井液循环。根据不同的地质条件，洗井液可采用泥浆或清水，泥浆作洗井液时除了有将岩屑带到孔外的作用，还对地层有一定的支护作用。用清水钻进时一般可用离心泵，用泥浆钻进时必须采用柱塞式泥浆泵，泵的排量和泵压必须满以下两式：

  泵压 P[_D]=kH+Pp

其中：V─钻杆和孔壁之间洗井液的最低流速，对于清水1.0～1.5m/s，对于泥浆0.6～1.0m/s

  dp─导孔钻头直径

  dr─钻杆外径

  k─系数

  H─孔涤

  Pp─管路压力损失

1.6.4钻井工艺确定

根据竖井的用途和该井所穿过的地质条件，充分考虑到该井施工难度，为此，根据以往在同类地层中的施工经验，选择BMC-300型反井钻机施工，该钻机主要技术参数为：导孔直径：216mm、扩孔直径：1.4－1.52m、设计钻孔深度：250-300m、钻机最大扭矩：64kN•m、钻机拉力：1250kN、钻机推力：550kN、钻杆直径：176mm、钻机功率：128.5KW（不包括辅助设备）。

①、提升力验算（计算法）

总重量＝动力头重量＋180根Φ203mm重量＋扩孔钻头重量＋扩孔钻压

＝50＋180＊2＋15＋38＊15

＝895kN<1250 kN（钻机提升力）

②、扭矩验算（工程类比法）

T∝f（K，D，Kr，P，Kf)

K-与钻头结构类型相关的系数

D-钻孔直径

Kr-岩石的可钻性系数

P-钻压

Kf-摩擦损失系数

采用工程类比的方法进行验算，对比工程为溪洛渡反井钻井工程。

①与钻头结构类型相关的系数K 选用相同结构的钻头  K溪洛渡＝K终南山

②钻孔直径D   溪洛渡为1.4m  终南山为1.4m   D溪洛渡=D终南山

③岩石的可钻性系数Kr    溪洛渡为玄武岩  终南山为混合片麻岩

Kr溪洛渡≌Kr终南山    

④钻压P 溪洛渡为470 kN   终南山为470 kN   P溪洛渡＝P终南山

⑤摩擦损失系数Kf  二者均为竖井，溪洛渡深度200m  终南山深度170m,  Kf 溪洛渡> Kf终南山

综合评价：T 溪洛渡> T终南山

BMC－300型反井钻机在溪洛渡反井钻井工程中取得了良好的成绩，没有反映出钻机扭矩不足的问题，因此该钻机应用在终南山反井施工中，是能够满足施工需要的。

2 工艺流程

BMC－300型钻机，其工作原理为，液压马达驱动水龙头，将扭矩传递给钻具系统，带动钻具旋转，破岩采用镶齿盘形滚刀，滚刀在钻压作用下沿井底滚动，从而对岩石产生冲击，挤压和剪切作用，使其破碎。导孔时岩屑沿钻杆与孔壁间的环形空间由洗井液提升到水平，扩孔时岩屑靠自重落到水平竖井井筒施工采用ＢＭＣ-300型反井钻机进行反导井施工，然后进行扩挖。

其工艺流程为：测量放样→钻机就位→导孔钻进→扩孔施工→扩挖→出渣

2.1 测量放样

由测量工程师测好竖井中心位置，做好标记。

2.2 钻机就位

ＢＭＣ -300型反井钻机运至工地后用吊车放至井内1110米高程位置，平整地面，钻机基础采用Ｃ20混凝土，厚度100㎝，尺寸位置以钻井中心定位，在施工中确保钻机的地脚螺栓孔位的准确。

2.3 反井钻机导孔开孔方案

本孔设计采用7根稳定钻杆，加在如下位置：

第一根：小钻头异形接头

第二根：短节。3为普通钻杆。

第四根：短节。5、6、7为普通钻杆。

第八根：稳定钻杆。9、10、11、12、13

第十四根：稳定钻杆。15、16、17、18、19、20、21为普通钻杆。

第二十二根：稳定钻杆。23、24、25、26、27、28、29为普通钻杆。

第三十根：稳定钻杆。31、32、33、34、35、36、37、38为普通钻杆。

第三十九根：稳定钻杆（此时钻具重约6吨）。

（1）开孔时7根稳定钻杆全部用上。

（2）依据地质资料，在前20米要进行灌浆处理，钻完7米后，将钻杆提出，按照每2根普通钻杆加1根稳定钻杆的密度进行前20米的钻孔（第一根稳定钻杆后加1根普通钻杆，其他相隔2根），

（3）经常检查钻杆的丝扣，和接头体的丝扣，发现问题及时解决并上报。对于有问题的钻杆要采用分次上紧的方法进行上紧。

2.4 导孔钻进

   开始钻进时，转速选用35r/min。钻压控制在8～10MPa，导孔洗井液排渣采用正循环，每钻完一根钻杆认真洗井1～2 min，随着钻井深度加大，适当延长冲洗时间，以避免发生抱钻、堵钻事故。为有效控制偏斜率，钻进中使用稳定器。稳定器在短接钻杆后就要用一根，按开孔方案进行。

2.5 导井扩孔  

   在井底风道内卸下φ216mm的钻头，换上φ1400㎜的扩孔钻头，自下向上将φ216mm的导孔扩大为φ1400㎜的导井。

将马达至并联状态（即主轴转速15r/min），打开阀门供水，即可开始扩孔。在扩孔前应将孔周围直径范围以内的岩面找平。

   开始扩孔及终孔时宜采用低压慢速提钻，主泵压力在4～7MPa，副泵压力在6～8MPa；当扩孔器完全进入岩层后即可进行正常扩孔。根据岩石软硬，主泵和副泵的压力在10～18 MPa范围内匹配。扩孔中在刀刃接触岩面时，严禁使马达反转。发生卡钻时，应立即反向推进，使刀刃脱离岩面。不论钻导孔和扩孔，均应先开水，后开钻；先停钻，后停水。钻进必须连续供水，不得中断。导井扩挖结束后，进行拆机, 先将扩孔钻头卡固在钢轨上、拆掉钻机的前后拉杆和各种油管,拆掉钻架主机车和一些辅助 设备。将扩孔钻头吊牢再拆除轨道,然后将操作车吊下来,拆下泵车和油箱冷却器运至地面。

钻孔施工的基本参数

 

序号	施工工序	转速（r/min）	钻压（KN）	扭矩（㎏/m）
1	216㎜导孔	15－40	50－60	20－30
2	1400㎜扩孔	10－16	380－470	50－60

2.6 钻机的拆除

   扩孔施工完毕后,在上部把ø1400㎜钻头卸掉,封好钻孔。然后开始拆除卸机,卸机时全面做好安全工作,防止大型设备、配件、人员等掉到孔内,钻机移开钻孔后,立即做好钻孔的防护工作,作好安全警示标志。

钻机施工主要设备见下表：

序号	名称	型号	数量
1	钻机	BMC-300	1台套
2	钻杆	Ø176㎜	200根
3	稳定钻杆	ø205㎜	15根
4	扩孔钻头	Ø1400㎜	1只
5	滚刀	单配	1只
6	油泵	40SCY14-1B	2台
7	马达	2QMJ42/2.5	2台

3 围岩破碎带的施工

    竖井埋深较浅，井口段15范围内的围岩较破碎，在导孔钻进过程中出现塌孔现象，影响钻进正常钻进，根据以往施工经验，采取灌注水泥浆液法对井筒进行护壁，待达到一定强度后，进行二次导孔钻进。塌孔段经过处理，钻进过程正常。

4 反井钻进过程的偏斜控制

4.1 钻杆轴向载荷造成的偏斜

    在垂直的导向孔钻进中，钻孔开孔时钻杆不会弯曲，因此不会出现因钻压引起的钻头偏转，但偏斜的可能性依然存在，随着钻压的增加，钻杆就会逐渐弯曲，由弯曲钻杆产生的非垂直载荷实际上导致了钻进方向角度的变化，此时，钻具的下部，即从弯曲点到钻头，已偏离了钻孔的预定路线。

作用于斜孔的钻具载荷按受力性质可分成垂直分力和水平分力。垂直分力使钻头沿垂直方向或沿倾斜方向向下钻进；而水平分力使钻头沿水平方向或沿倾斜方向向上钻进。由于钻杆的直径比导孔直径小，在斜孔中，钻杆的重量将使钻杆朝着导孔低侧方面垂落。在给钻杆施加轴向载荷时，作用于钻杆上的推进力会使钻杆产生一定程度的弯曲，弯曲的钻杆顺着垂落的方向移动，而稳定器起支点作用，其结果使钻头沿倾斜上部钻进。

4.2 岩层对钻头的反作用造成的偏斜

    在无层理、节理或断层的坚硬而均质岩层中钻凿导孔时，因岩层反作用造成的导孔偏斜较少发生，即使发生，其偏移量也是极小的。但岩石硬度的变化则会引起导孔偏斜。钻头钻进的方向在很大程度上取决于钻头与硬度变化的岩石表面相遇时的角度，如果角度小，钻头一般朝着与变化的岩石平面平行的方向钻进，如果角度大，钻孔的偏斜将趋向与变化的岩石平面成垂直的方向发展。

4.3 钻孔精度的影响因素及预防措施

4.3.1导孔钻头的选型

    软岩钻头采用较小夹角的长楔齿，或碳化钨一字形镶齿。硬岩钻头则采用较大夹角的短楔齿，或碳化钨半球形镶齿。在低钻压下能够获得最大的钻进速度。

4.3.2 钻压

    提高钻孔精度，应采用低于最佳钻进速度的低钻压钻进。

选择导孔钻头的钻压，通常可参考钻凿相同或相似地层的钻井参数来确定。当没有这种经验时，可参考钻头制造厂家提供的钻头产品样本介绍。由于低钻压能有效的减小钻孔偏斜，因此，建议采用厂家规定的最低钻压值作为开孔钻压。

4.3.3 转速

    在钻进导向孔时，保持恒定的钻进速度是控制偏斜最常用的方法。 

4.3.4 钻井洗井液

    实际钻进情况统计表明，沉积在孔底0.5～5mm厚的钻屑可将钻进速度降低40％左右。高效钻进的一个基本要求是需要对孔底钻屑进行有效的清理。

4.3.5 稳定器

    稳定器是避免钻孔偏斜最有效的工具。稳定器一般被设计为六棱或八棱形，通常将两个或更多的稳定器联在一起使用，以便在钻孔底部形成一段刚性的，与孔壁多处接触的钻具组，以防止偏斜。在本竖井钻进时，普通钻杆直径175mm，稳定钻杆直径200㎜。

4.3.6 岩层特性

    掌握岩层特性，有助于确定最合适的钻头。 在制订导孔钻进工艺时，应该考虑所钻岩层的特性，收集并掌握所钻地区的详细地勘材料以及附近施工获得的地质资料都有助于钻井工艺措施的正确制定，避免发生意外。

4.4 偏斜测量与纠偏

    根据钻孔深度、岩石地质条件和对钻孔精度要求等不同条件，可选用钟表、磁性和陀螺测斜仪进行测井。

    如果发现井孔超偏，必须停止正常钻进，对钻孔进行纠偏处理。钻孔纠偏的方法很多，采用何钟方法，必须视钻孔的具体情况而定，一般来说，最常用的有如下几种：

如果钻孔偏斜程度和方向非常有规律，有时可采取偏置钻机的方法来纠正预计的偏斜。移动钻机的距离和方向可根据本地以前施工获得的经验而定。    

可以采用堵塞偏孔，重新钻孔的方法解决偏斜。堵塞钻孔指用纯水泥浆将变向点至孔底一段进行充填，并使之凝固。

5 应用情况

    秦岭终南山公路隧道是目前我国最长、世界上排名第二的特长公路隧道，共设计三座运营通风竖井，深度分别为1＃竖井190.3m、2＃竖井661m、3＃竖井392m, 1#竖井采用反井钻机施工，地质构造主要为混合片麻岩，饱和抗压强度98.2－161.3MPa,岩石坚硬，受构造影响严重，节理发育，围岩类别以Ⅳ、Ⅴ类为主。经统计，导孔钻进20m/d,扩孔钻进12m/d。

    经测设,钻孔深度174m,实测钻孔偏斜率0.34%。小于要求的1%。

该工程引进反井钻机施工很大程度上减少施工难度、降低危险性，大大提高工作效率，减少开挖成本，及时解决洞内通风问题，创造良好的施工条件，加快工程进度。该技术成井速度快，施工安全性能好，在中硬岩、软岩中特别适用，为今后在公路隧道、铁路隧道竖井工程中推广打下良好基础以及其它工程建设中的反井施工积累了经验，对深竖井、长斜井施工技术研究具有重要意义。

参考文献 

[1] 简明建井工程手册  

[2] 反井钻机技术与地下工程开发