反井钻井技术发展及LM系列反井钻机介绍

LM系列反井钻机及反井钻井技术发展

 

　　摘要：在LM系列反井钻机设备和工艺技术上取得较大进步，为了适应煤炭、水电等深井工程建设的需要，由研制成LM-400型、LM-300型反井钻机，和用于抗压强度达到300MPa的极硬岩滚刀，为拓展反井钻井技术应用打下基础。

 

　　关键词：反井钻机 水电站建设 煤炭建设 岩石破碎

 

　　1．反井钻机应用概况

 

　　反井钻机在20世纪五十到六十年代出现在美国和德国采矿工程领域，它是将隧道掘进机和钻井法凿井机结合形成的井筒施工设备，用于施工矿山地下暗井、溜井、矿仓等导井工程。我国在八十年代将反井钻机用于煤矿地下工程中，煤炭科学研究总院研制出LM系列反井钻机，其中LM-120型反井钻机1986年第一次应用在开滦赵各庄矿，LM-200型反井钻机在1992年4月首次将LM-200型反井钻机应用于十三陵抽水蓄能电站，完成直径1.4m深度158m出现竖井导井施工，到目前反井钻机先后在国内各大矿务局（矿业集团公司），十几个水电站和抽水蓄能电站等工程应用，最大竖井深度316m，最大斜井长度236m（倾角50度），由于反井钻井施工技术具有安全、快速、高质量等优势，得到地下工程建设者的欢迎。

 

　　2．LM系列反井钻机

 

　　LM系列反井钻机包括LM-90型、LM-200型和LM-200型，原设计主要是为煤炭系统中硬岩石（小于100MPa）、深度小于200m，直径0.9－-1.2－1.4m的反井工程，虽然在实际工程应用中也完成深度、岩石硬度都超过设计的竖井和斜井，但施工工效大大降低，事故率也大大增加，难以满足快速建设煤炭、水电深井工程的目的。LM系列反井钻机设计主要意图有：

 

　　尽量减轻设备重量和体积，便于井筒内提升下放和井下运输；

 

　　要满足煤矿井下有瓦斯、煤尘条件下防爆要求；

 

　　煤炭沉积地层岩石一般矿压强度较低，单轴抗压强度小于100MPa；

 

　　钻孔直径小于1.4m到2.0m，钻孔深度小于200m：

 

　　3．LM系列反井钻机完成的部分工程

 

　　反井钻机可以应用在地下工程中。

 

　　4．新型反井钻机研制

 

　　2.1 ZFY2.0/400型（LM-400型）强力反井钻机

 

　　为改变LM系列反井钻井在煤炭、水电深井工程中应用的一些不足之处，北京中煤矿山工程有限公司（原煤炭科学研究总院北京建井研究所）又研制成功ZFY2.0/400型（LM-400型）强力反井钻机，该机是科技部专项资金项目。

 

　　2.1.1 ZFY2.0/400型反井钻机主要技术参数为：

 

　　(1) 导孔直径： 270mm

 

　　(2) 扩孔最大直径： 2.0m

 

　　(3) 钻孔深度： 400m

 

　　(4) 钻孔倾角： 45～90°

 

　　(5) 适用岩石： 单轴抗压强度<250MPa

 

　　(6) 额定推力： 1650kN（25 MPa）

 

　　(7) 额定拉力： 2400kN（25 MPa）

 

　　(8) 额定扭矩： 101.5kNm( 20 MPa）

 

　　2.1.2 ZFY2.0/400 型反井钻机特点：

 

　　(1)该机专门为煤炭、水电深井工程特点设计，可以在坚硬的岩石中施工深度400m，直径φ1.4、φ1.7、φ2.0m多种直径的竖井和斜井导井工程；

 

　　(2)采用L型主机框架结构，减轻了主机重量，易于调节钻进角度和方位，便于斜井施工。主机前后分别用两根拉杆固定，钻架间用较大截面型钢固定，具有可靠的稳定性；

 

　　(3)扩孔时，采用大扭矩双液压马达驱动，使钻头产生较大的扭矩；

 

　　(4)配备高性能液压油过滤、冷却系统，保证钻机液压系统能够长时间连续、稳定的工作；

 

　　(5)加长了钻杆，减少装卸扣长度，从而减少辅助操作时间，提高钻杆特别是钻杆丝扣的寿命，虽然钻机高度增加，但是对于主要应用于深井钻进，体积限制较小；

 

　　(6)采用全套自备的钻杆搬运与装卸辅助设备，包括液控小型转盘吊、液控机械手、翻转架、辅助卸扣装置等，使钻杆的装卸灵活、准确、操纵机械化。

 

　　2.1.3 ZFY2.0/400型反井钻机实际应用

 

　　(1)ZFY2.0/400型(LM-400型)反井钻机设计完成后投入加工生产，2002年9月18日出厂验收，2003年初运到瑯琊山抽水蓄能电站，对钻进进行循环系统进行配套；施工钻机基础；进行钻机安装、调平找正、浇注地脚螺栓；钻机是运转；整个系统试运转；导孔钻进；处理不良地层；拆到孔钻头；接扩孔钻头；扩孔钻进；拆机。完成了直径1.4m、深度148.3m的地下厂房排烟竖井，其中导孔钻进时间12天，包括处理不良地层4天，扩孔时间10天。

 

　　(2)宜兴抽水蓄能电站位于江苏省宜兴市境内的西南郊10km处的铜官山区，电站安装4台单机容量为250MW的可逆式发电机组，总装机容量为100MW。电站枢纽主要由上水库、输水系统、地下厂房系统、地面开关站、下水库及补水工程等建筑物组成。电站建设开工后，厂顶交通洞施工到位后，可以开始厂房排烟竖井施工，以便厂房开挖阶段通风。首先完成排烟竖井上口明挖施工，开挖到较完整、风化程度低的岩石，施工钻机基础和循环池，然后安装钻机，最后钻成直径1.4m、深度218m的地下厂房排烟竖井。

 

　　2．2 LM-300型反井钻机

 

　　LM-300型反井钻机和LM-400型设计侧重点不同，后者主要针对地面条件下施工深井，前者是在水电建设工程应用普遍的LM－200型反井钻机替代产品，解决LM－200型反井钻机能力偏低的缺点，仍保留体积小、重量轻、搬迁移动方便的特点，具有更强的适应性。主要技术参数为：

 

　　(1) 导孔直径： 216mm

 

　　(2) 扩孔最大直径： 1.4m

 

　　(3) 钻孔深度： 300m

 

　　(4) 钻孔倾角： 50～90°

 

　　(5) 适用岩石： 单轴抗压强度<200MPa

 

　　(6) 额定推力： 320kN（25 MPa）

 

　　(7) 额定拉力： 1256kN（25 MPa）

 

　　(8) 额定扭矩： 50kN.m（20 MPa）

 

　　2．3 破岩滚刀

 

　　破岩滚刀是反井钻机及反井钻井技术关键，特别是硬岩反井破岩滚刀研制，技术难度更大。2003年水电电站建设的大力发展，其中大部分选址在坚硬岩石中，如山东泰安抽水蓄能电站、四川自一里电站、吉林白山电站、福建穆阳溪电站等多为花岗岩地层，岩石坚硬，单轴抗压强度达到250MPa，泰安抽水蓄能电站花岗岩抗压强度达到310MPa，这类岩石石英、长石等磨粒性强的矿物含量在70％以上。专为煤炭软岩以及中硬岩滚刀已不能满足施工需要，在泰安抽水蓄能电站是用普通滚刀，其寿命只有5－10m，工效非常低，破岩刀具费用达到每米一万元以上，这样反井钻机将无法作为工程设备应用。为此，进行了滚刀技术科技攻关，研制出特殊的硬岩滚刀，在泰安工程应用其寿命达到125m以上，并经多个电站不同岩石条件应用实践，硬岩滚刀可以满足不同工程需要，解决了硬岩地层中钻进反井的难题。

 

　　5．结语

 

　　随着我国能源开发需要，煤炭、水电、冶金等有大量地下工程，反井钻机的应用范围将日益扩展。LM-300和LM-400型反井钻机的研制，极硬岩滚刀的在泰安抽水蓄能电钻的成功应用，使反井钻机能够较高效的破碎岩石，提高了反井钻机功效，降低了工程成本。今后应加强对深井反井钻井工艺的研究，使反井钻机在地下工程建设中发挥更大作用。