超深豎井的導孔施工方法與流程
2023-05-09 23:17:27 2
技術領域：
本發明涉及一種特別適用於水利、水電、建築、礦山等露天超深豎井成孔施工的超深（300m以上）豎井的導孔施工方法，
背景技術：
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在常規的豎井導孔施工中，反井鑽機具有工作效率高、成型質量好、勞動強度低、安全風險小等優點，越來越多的被應用於水電工程豎井施工中。但是在高深豎井施工中，由於設備自身性能、操作手操作經驗以及地質條件等因素的影響，反井鑽機導孔施工精度難以滿足要求，往往會產生較大的偏差，進而導致後期豎井施工困難，造成大量的超挖超填，甚至造成廢井等，浪費了大量的施工工期和成本。
技術實現要素：
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本發明的目的是為了克服反井鑽機在超深豎井導孔施工中精度不高，偏斜較大的缺點，提供一種能加快施工進度，提高施工精度，降低施工成本的安全、精確、快速的超深豎井的施工方法。
本發明的目的是這樣來實現的：
本發明超深豎井的導孔施工方法，包括以下步驟：
（1）施工準備；
（2）定向鑽機安裝就位；
（3）開孔鑽具組合鑽進；
在砼基礎上預留環形孔槽，並將鑽機進行認真找正，使鑽孔中心、井口中心和動力頭主軸中心重合，確保開孔垂直度，定向孔前20m採用開孔鑽具組合進行鑽進；
（4）正常鑽具組合鑽進：
定向孔20～50m採用正常鑽進鑽具組合進行鑽進；
（5）測斜鑽具組合鑽進：
定向孔50m以上採用測斜鑽具組合進行鑽進，每9～11m進行1次測斜，測斜時保證鑽機和鑽杆處於靜止狀；
（6）定向鑽具組合鑽進：
根據定向孔鑽進過程中隨鑽測斜儀得測出的頂角大小判斷出的偏斜程度，通過方位角判斷出偏斜的位置，一旦定向孔出現較大偏斜（30cm以上），應停止鑽進，確定偏斜量和偏斜方位後更換定向鑽具組合進行糾偏，糾偏完成後，採用定向鑽具組合進行鑽進，鑽壓、鑽速和泵量同正常鑽具組合；
（7）正常鑽具組合鑽進：
定向孔鑽進至最後剩餘9～11m時，更換正常鑽進鑽具組合，以防止在透孔時損壞測斜儀、鑽鋌；
（8）定向鑽機拆除：
定向孔順利貫通、滿足精度要求後，將鑽具全部提出向定孔外，將定向鑽機拆除；
（9）反井鑽機安裝就位；
反井鑽機及其輔助設備採用汽車吊配合人工安裝，對反井鑽機基礎及設置井鑽機擴孔，擴孔採用特製的鑽頭，防止擴孔過程中發生偏斜。
上述的定向鑽具組合鑽進時，定向鑽具組合採用∅190mm牙輪鑽頭+∅165mm螺杆鑽頭+∅159mm無磁鑽鋌+nc46懸掛短節+∅89mm高強度鑽杆+∅73mm高強度鑽杆，定向孔糾偏過程中鑽壓以控制工具面角為主，鑽速為0r～10r/min，泵量為990l/min，缸套∅140mm。
上述的開孔鑽具組合鑽進時，定向孔前20m採用開孔鑽具組合進行鑽進，鑽具採用∅190mm牙輪鑽頭+∅159mm無磁鑽鋌+∅73mm短鑽杆，鑽進鑽壓為0.3～0.5t，鑽速為30～40r/min，泵量為990l/min，缸套∅140mm。
上述的正常鑽具組合鑽進時，鑽具採用∅190mm牙輪鑽頭+∅159mm無磁鑽鋌+∅89mm高強度鑽杆+∅73mm高強度鑽杆，鑽進鑽壓為1.5～3.5t，表土、風化巖段鑽速為70～80r/min，下部硬巖段鑽速為50～60r/min，泵量為990l/min、缸套∅140mm，無磁鑽鋌為2根～4根。
上述的測斜鑽具組合鑽進步驟時：測斜鑽具組合採用∅190mm牙輪鑽頭+∅159mm無磁鑽鋌+nc46懸掛短節+∅89mm高強度鑽杆+∅73mm高強度鑽杆，鑽壓、鑽速和泵量與正常鑽具組合鑽進時相同。
本發明方法採用定向鑽機具有隨鑽測斜、自動糾偏的功能。根據測斜儀測出的頂角大小可以判斷出偏斜程度，通過方位角可以判斷出偏斜的位置，確定了偏斜量和偏斜方位之後，施鑽人員將更換定向鑽具組合，主機發動機停止提供扭力，僅通過泥漿壓力帶動彎螺杆底部的泥漿馬達旋轉，帶動牙輪鑽頭破巖，當鑽孔被糾正至正常孔位時，恢復正常鑽進模式進行鑽進。
與傳統單一反井鑽機成孔相比超深豎井的導孔施工方法具有如下效果：
（1）採用定向鑽機結合反井鑽機進行高深豎井導孔的施工，可以有效的防止豎井偏斜，保證鑽孔精度，實現豎井導孔一次性貫通成功；
（2）在反井鑽機擴孔過程中採用特製的擴孔鑽頭，可以有效的防止反井鑽機在擴孔過程中可能出現的偏斜問題；
（3）採用定向鑽機結合反井鑽機進行高深豎井導孔施工，可以降低由於豎井導孔偏斜導致的後期導井、全斷面擴挖造成的施工工期延長、施工成本增加等問題；
（4）採用定向鑽機結合反井鑽機進行高深豎井施工，在一定程度上降低了對反井鑽機性能的要求。
附圖說明：
圖1為定向鑽機現場布置圖。
圖2為開孔鑽具組合示意圖。
圖3為正常鑽具組合示意圖。
圖4為測斜鑽具組合示意圖。
圖5為定向鑽進鑽具組合示意圖。
具體實施方式：
圖1為定向鑽機現場布置圖。包括1#泥漿池1、2#泥漿池2、沉澱池3、鑽杆堆放區4、鑽孔中心5、鑽機6、鑽機後撤區域7。
參見圖1～圖5，本實施例超深豎井的導孔施工方法，包括以下步驟:
（1）施工準備：
施工準備包括供排水、供電、場地平整、定向鑽機和反井鑽機基礎、循環水池、電氣設備安裝等工作內容；
施工前還必須完成鑽井泥漿製備，並使泥漿充分循環；
（2）定向鑽機安裝就位：
定向鑽機井架在井口附近平臺拼裝，採用25t和50t汽車吊整體吊裝，然後再進行鑽機及輔助設備安裝；
（3）開孔鑽具組合鑽進：
在砼基礎上預留環形孔槽，並將鑽機進行認真找正，使鑽孔中心、井口中心和動力頭主軸中心重合，確保開孔垂直度。定向孔前20m採用開孔鑽具組合進行鑽進。鑽具採用∅190mm牙輪鑽頭8+∅159mm無磁鑽鋌9+∅73mm短鑽杆10（2m）（參見圖2）。鑽進鑽壓為0.3～0.5t，鑽速為30～40r/min，泵量為990l/min（∅140mm缸套）；
（4）正常鑽具組合鑽進：
定向孔20～50m採用正常鑽進鑽具組合進行鑽進，鑽具採用∅190mm牙輪鑽頭8+∅159mm無磁鑽鋌9（2根～4根）+∅89mm高強度鑽杆11+∅73mm高強度鑽杆10（參見圖3）。鑽進鑽壓為1.5～3.5t，表土、風化巖段鑽速為70～80r/min，下部硬巖段鑽速為50～60r/min，泵量為990l/min（∅140mm缸套）；
（5）測斜鑽具組合鑽進：
定向孔50m以後採用測斜鑽具組合進行鑽進，每10m進行1次測斜（30cm以上），測斜時保證鑽機和鑽杆處於靜止狀態。測斜鑽具組合採用∅190mm牙輪鑽頭8+∅159mm無磁鑽鋌9+nc46懸掛短節12+∅89mm高強度鑽杆11+∅73mm高強度鑽杆10（參見圖4）。鑽壓、鑽速和泵量與正常鑽具組合鑽進時相同；
（6）定向鑽具組合鑽進：
根據定向孔鑽進過程中隨鑽測斜儀得出的偏斜結果，一旦定向孔出現較大偏斜，應停止鑽進，更換定向鑽具組合進行糾偏。定向鑽具組合採用∅190mm牙輪鑽頭8+∅165mm螺杆鑽頭13+∅159mm無磁鑽鋌9+nc46懸掛短節12+∅89mm高強度鑽杆11+∅73mm高強度鑽杆10（參見圖5）。定向孔糾偏過程中鑽壓以控制工具面角為主，鑽速為0r～10r/min，泵量為990l/min（∅140mm缸套），糾偏完成後，為節約更換鑽具的時間，採用定向鑽具組合進行鑽進，鑽壓、鑽速和泵量同正常鑽具組合；
（7）正常鑽具組合鑽進：
定向孔鑽進至最後剩餘10m左右時，更換正常鑽進鑽具組合，以防止在透孔時損壞測斜儀、鑽鋌等；
（8）定向鑽機拆除：
定向孔順利貫通、滿足精度要求後，將鑽具全部提出孔外，採用50t汽車吊將定向鑽機拆除；
（9）反井鑽機安裝就位：
反井鑽機及其輔助設備採用50t汽車吊配合人工安裝。測量隊對反井鑽機基礎及設備安裝進行測量校核。使用地腳螺栓對反井鑽機底部橫梁進行加固，以防止鑽進過程中反井鑽機可能發生的移位現象；
（10）擴孔：
正常擴孔條件下，反井鑽機採用ⅰ型擴孔鑽頭。當出現定向孔堵塞情況時，需要更換ⅱ型擴孔鑽頭，採用循環水返渣的形式進行擴孔；
擴孔完成後，安裝反拉鑽頭進行後續豎井導井施工。
本申請人曾在某水電站電纜豎井深度為374.32m，直徑7.3m進行試驗。豎井所在區域上部50m為第四紀坡積物，以下為石英片巖、雲母片巖，巖層傾角為65～80°左右，並發育有多組節理裂隙，地下水豐富，鑽孔過程中極易出現偏斜，成孔條件差。
為解決電纜井工期緊，地質條件複雜，成孔條件差的難題，採用定向鑽機和反井鑽機組合的形式進行電纜井導孔施工。首先，採用定向鑽機進行∅190mm的定向孔施工，然後採用bmc400型反井鑽機通過特製的擴孔鑽頭，將∅190mm的定向孔擴大為∅270mm的導孔。採用定向鑽機進行定向孔施工，定向孔順利貫通，平均鑽孔強度為22m/d；採用反井鑽機進行定向孔擴孔施工，擴孔施工順利完成，平均擴孔強度為23.4m/d。
採用定向鑽和反井鑽機組合進行電纜井導孔施工，總施工工期為33天，平均施工強度為11.34m/d。採用反井鑽機直接進行導孔施工，平均施工強度為7m/d，完成電纜井導孔施工約需工期53天。為電纜豎井導孔施工節約了20天時間。採用本方法最終形成的導孔累計偏斜量為1.21m，鑽孔精度為0.32%。遠小於反井鑽機鑽孔1%的精度要求。
上述實施例是對本發明的上述內容作進一步說明，但不應將此理解為本發明上述主題的範圍僅限於上述實施例。凡基於上述內容所實現的技術均屬於本發明的保護範圍。