不良地质条件下反井钻机在竖井开挖中的应用

□于景波（中国水利水电第十一工程局有限公司）

1 工程概况

瀑布沟水电站放空洞工程事故闸门竖井设计开挖断面为椭圆形，长轴15m，短轴9m；竖井上口高程EL864m、下口高程EL728m，竖井高136m。

竖井位于强风化浅变质玄武岩中，围岩以Ⅲ～Ⅳ类为主。

根据上下工作面出露的岩石情况，竖井下部为Ⅳ类围岩，F2断层顺洞轴线方向延伸，断层的上下盘面均为陡倾角的结构面，顶部有一组缓倾角的结构面与之相互切割，对竖井开挖稳定非常不利；竖井上部为Ⅳ类围岩，岩石非常破碎。

2 开挖方案选择

竖井开挖常用的方法是先开挖中导井、后扩挖至设计断面的方法。主要的导井开挖方法有反井钻机法、爬罐法、吊罐法、普通法等。各种方法的综合比较见表1。

表1 反井法综合比较表

由于围岩较差，采用其它施工方法安全隐患较大，决定采用反井钻机法施工导井，选用LM-200型反井钻机。其主要技术参数见表2。

表2 反井钻机主要技术参数表

3 反井钻机施工

3.1 施工程序

反井钻机施工程序：施工准备→安装钻机并调试→自上而下进行φ216mm导孔施工→导孔贯通→更换φ1200mm滚刀→自下而上进行扩孔施工→扩孔结束→拆除钻机。

3.2 施工准备

清理井口的松动岩石后，浇筑厚1.20m的混凝土基础，在固定螺栓位置预留二期混凝土。竖井中心线处预留排水沟，在基础的一侧用砖砌筑3个1.20m长的正方形水池。

基础混凝土达到一定强度后，按设计位置铺设轨道，轨距为60cm。

3.3 反井钻机安装调整

反井钻机使用8t汽车吊吊装。主机必须按竖井中心找正位置，并摆放平稳。

3.4 反井钻机导孔钻进

钻机就位后，调整钻杆角度至铅垂角度，启动液压马达、主推油缸及其余液压缸，开始导孔钻进，在施工过程中，要根据地质情况及时调整钻进参数。

导孔钻孔共进行17d，钻进长度128m，平均7.52m/d。

3.5 反井钻机扩孔

导孔钻透后，换好扩孔钻头，把冷却器出水接到井口，供给扩孔钻头，开始扩孔施工。在将要扩透时，必须降低钻压和扭矩，直到扩孔钻头露出。扩孔共进行20d，平均6.40m/d。

4 不良地质条件下的施工

4.1 不良地质对反井钻机施工的影响

当钻机钻进到裂隙比较发育的破碎带时，循环水流失严重，无法将钻渣排出，致使钻进无法继续，或者会造成孔壁坍塌，严重时会导致卡钻、埋钻等严重后果。

当钻头钻到断层的上下盘时，由于钻头两侧的岩石软硬不同，容易造成钻孔发生偏斜。

4.2 不良地质情况统计

根据地质资料和成孔后揭露的地质情况，本工程竖井穿过5条断层破碎带，不良地质段情况见表3。

表3 不良地质段情况统计表

4.3 调整钻进参数

从表3可以看出，本工程35m长的不良地质段导孔钻进共耗时12.50d，占导孔总用时的74%，因此如何顺利通过不良地质段是反井钻机施工的关键环节。

不良地质段导孔钻进时主要采用降低推进压力来控制钻进速度。在遇到断层和破碎带时，力求反井钻机运行平稳，无明显冲击为宜，在钻进过程中适时调整钻进参数，以缓慢速度通过不良地质段。

出渣量变化情况是判断地质条件的重要依据，必须详细记录每根钻杆实际出渣量，并与理论出渣量进行对比。如果出渣量变大，需采用泥浆护壁后方可继续钻进。如实际出渣量比理论量小，此时需增大扭矩，若出渣量仍然小，说明可能岩体破碎，应将钻具提升一定高度,再慢慢向下旋转扫孔,一次扫孔不行,可多进行几次,扫孔仍不能解决问题,需提钻进行固结灌浆，待凝后采用泥浆护壁方可继续钻进。

4.4 循环洗井介质的选择

正常钻进时，一般选用水作为循环洗井介质，当遇到断层、破碎带等不良地质情况时，由于循环水流失严重，导致返渣量减少，此时需采用泥浆作为固壁和循环洗井介质。

本工程钻到29～37m范围时，固结灌浆后采用泥浆作为循环洗井介质，但出现钻机扭矩变大，返渣量偏少等现象，决定选用高压风作为循环洗井介质，采用水+高压风进行返渣。高压风压力以能返渣为控制目标，本工程采用0.80Mpa；应注意控制水的流量，以刚好满足冷却钻头为好。

4.5 固结灌浆

根据开挖揭露的地质情况，竖井上下孔口位置岩石破碎，为Ⅳ类围岩。在反井钻机施工准备阶段对该部分岩体进行了无盖重固结灌浆，上部孔口处理范围4.50m×4.50m，下部孔口处理范围为长度6m的放空洞顶拱部位。灌浆孔深度8m，孔口接触段长为3m，I序孔灌浆压力采用0.30Mpa,II序孔采用0.50MPa，其它5m段采用1.00MPa。

竖井钻进到29～37m、88～96m范围时，出现不返水、返渣现象，采用泥浆固壁措施后，返水、返浆量明显偏少，同时钻机出现抖动等现象，为避免出现塌孔、卡钻现象，决定采用水泥、水玻璃浆液进行固结灌浆。

灌浆采用在不良地质段上部2m处下止浆塞封闭灌浆，浆液水灰比0.80：l，水玻璃掺量为10%，室内终凝时间18h，待凝30h后进行二次钻孔。

4.6 防止钻孔偏斜的措施

在钻进中，如遇软硬岩层过渡，应使用稳定钻杆钻进，并降低钻压、调整转速，使钻头以直线的方式钻进，避免出现偏斜转折点。当稳定钻杆进入新岩层后，再恢复原来的钻压和转速。

操作中，保持钻机加压稳定，缓慢加压，消除人为的压力过大或追求进度的高速钻进。

5 堵井的处理

5.1 堵井长度和位置的确定

本工程竖井扩挖分2次进行，先自上而下扩挖成4m直径的溜渣竖井，再全断面扩挖。但第1次爆破溜渣后即发现堵井，使用氢气球（充氦气）和细绳进行量测，堵井长度约25m，距竖井上口10m、距离竖井底部约101m。

第2次堵井发生在第1次堵井处理完成后的第3天，堵井长度约29m，距竖井上口6m、距离竖井底部约101m。

5.2 堵井处理方法

经网上查阅资料，决定采用氢气球携带药包爆松石渣，但氢气球携带药量小，也无法保证炸药朝上，试验了3次没有成功，决定试用水冲法，寄希望于较大流量的水流能松动石渣，水冲进行了约4h，没有效果。于是决定采用潜孔钻在离开导井壁2m远的地方开始钻孔，角度按4.40°控制，同时进行3个钻孔的施工。成孔后，采用测斜仪进行测量，经计算，只有一个钻孔满足要求，进行装药爆破，在底部装了2kg炸药，爆破后，竖井贯通。第一次堵井处理共用时近3d。

此次堵井没有引起足够重视，以至于第3次爆破翻渣时，又发生了第2次堵井事故。

按照第一次方法又在外部又打了4个孔，进行了2次爆破处理，均没有成功。经商议，决定采用潜孔钻在堵井石渣上进行钻爆。

首先使用土料将堵井部位上填3m，再利用上部钢绗架将钻机固定牢固。钻进过程中使用泥浆进行固壁，约20h就完成了钻孔，装药爆破后导井贯通。

导井贯通后，人员下到堵井位置进行了观察，发现该处岩石破碎，井壁出现大面积坍塌，石块因松动而突出，使本来就只有1.20m直径的溜渣竖井更加狭窄，安排人员对该部位进行了撬挖和喷混凝土处理。第二次堵井处理耗时6d。

6 经验教训

瀑布沟水电站放空洞竖井高136m，采用反井钻机进行施工，及时、安全地完成竖井开挖，为其它工程提供了不良地质情况下的施工经验和堵井处理的经验。本工程的教训也是深刻的，主要是对不良地质段导井可能出现井壁坍塌认识不足，没有在扩挖前对导井进行检查处理。

[1]王立成.竖井开挖堵井预防及处理技术[J].水电施工技术,2008(53):3,11～16.

[2]王新反.井钻机钻进孔内事故预防及处理[J].煤炭工程,2008(5):33～34.