缓坡斜井精准反导井正挖法施工技术研究

郑 尧

(中国水利水电第七工程局有限公司,四川 成都 610213)

1 概 述

阳江抽水蓄能电站(以下简称“阳蓄电站”)为国内已建一等[大(1)型] 工程中净水头最高、埋深最大、灌浆压力最大的电站,在国际上亦处于前列。该电站高压电缆洞斜井倾角为36°,长度为262.93 m(包括弯段),呈城门洞型,断面尺寸为6 m×5.4 m(宽×高)。目前国内、外缓倾角斜井的施工常采用正井法或反井法,但其均存在安全风险高、投入成本大、工期长等问题。该工程若采用反井钻机法施工是最高效、安全的开挖方法,但因该工程斜井角度明显偏小,导致反井钻机施工导孔贯通困难,导井溜渣安全风险高,且倾角为36°的斜井采用反井钻机法施工尚无先例可寻。因此,项目部依托该工程开展了缓坡斜井施工工艺的分析研究,提出了一种安全、优质、高效的“精准反导井正挖法”,并予以应用,取得了较好的效果。阐述了对缓坡斜井精准反导井正挖法施工技术进行的研究。

2 施工工艺的比较与分析

结合阳蓄电站倾角为36°的高压电缆洞斜井,此次研究主要针对30°～45°缓坡斜井施工工艺进行。根据《水电水利工程斜井竖井施工规范》(DL/T5407-2019)条文说明4.1.1条中的建议:“30°～45°的缓斜井采用自上而下全断面开挖(正井法),若采用自下而上的开挖(反井法),须有扒渣和溜渣措施”[1]。由此可见该类斜井的施工工艺局限性强。由于该类斜井倾角较缓、整体高差较大、空间受限、施工条件差且与常用施工设备、施工技术水平不相匹配,导致该工程施工难度较大。研究分析后了解到的各工艺存在的问题见表1。

表1 倾角为30°～45°缓坡斜井各施工工艺存在的问题分析统计表

为克服传统施工工艺存在的各种问题,提高施工的安全性和效率,项目部技术人员探究出一种“精准反导井正挖法[2]”。该方法通过MWD、RMRS定位技术实现了钻头定位,采用定向钻机纠偏钻进完成了导孔精准施工,改进型反井钻机实现了反扩溜渣导井,模型试验论证了溜渣的可行性,控制爆破技术实现了正向开挖。

3 精准反导井正挖法施工工艺

缓坡斜井精准反导井正挖法施工的核心在于导孔的精准贯通及导井溜渣,但其存在的主要风险是溜渣堵井和导井偏斜。其工程目的实现的关键为:在模型理论的支撑下综合应用多种先进技术,结合有效的控制爆破方法进行施工。

该工艺的主要施工流程:方案研究→模型试验→施工准备→定向钻机安装→导孔施工(定位及纠偏)→定向钻机拆除→反扩基础施工→反井钻机安装→导井反扩施工→反井钻机拆除→现场爆破试验→正向全断面开挖支护。

3.1 定向钻机导孔施工工艺要点

该工艺为确保缓坡斜井的精准贯通,通过MWD、RMRS定位技术提出了采用定向钻机施工导孔、辅以专用定向钻具并结合钻进轨迹进行分析后实施钻进校正以提高导孔的贯通精度。

(1)钻机选型。定向钻机的选型应充分结合钻井长度、钻孔直径、岩石坚硬程度、断层情况、偏斜率控制标准、场地空间尺寸等条件复核定向钻机的最大回托力、最大回转扭矩、回转速度、给进压力、泥浆泵最大排量、最大压力等参数,从而选择合适的设备进行施工。

(2)定向钻机的纠偏钻具组合。为解决定向钻机及MWD、RMRS测斜系统在坚硬岩层中直线钻进的应用,需要采用依托该工程研制的“一种用于斜、竖井钻进的定向钻具”以实现导孔的定位与校正。该钻具的组合形式:牙轮钻头+磁短节+单弯螺杆+浮阀+扶正器+无磁钻铤3根(内置测斜仪)+扶正器+加重钻杆+普通钻杆。

(3)钻井泥浆。泥浆是定向工程导孔定位纠偏成败的关键因素之一,其主要作用是稳定导孔壁、裹携钻渣并将其排至地表、润滑钻具、提供纠偏的动力、冷却孔底钻具等[3]。现场作业时泥浆控制的主要指标是相对密度、滤失量、粘度、静切力等。泥浆性能的优劣直接影响导孔的定位及纠偏效果,其可以通过优化膨润土、水和化学处理剂等的比例调节性能,从而保证定向钻成孔的效果以及在扩孔、纠偏过程中的稳定性和安全性。为了适应不同地层对泥浆性能的要求,应当进行现场试验用于调整泥浆的掺量指标。该工程采用的泥浆性能技术指标[4]见表2。

表2 泥浆性能技术指标表

(4)测斜纠偏。在定向钻具无磁钻铤中安装MWD测斜仪,通过脉冲发生器将探测到的数值发送至井口。通过数值计算钻头的实际角度、方位等数据,再操作定向钻机旋转单弯螺杆钻具至理论角度,通过高压泥浆压力驱动前段弯螺杆的钻头钻进纠偏,从而实现导孔“转弯”;纠偏后重新测量钻头的方位数据,直至调整到设计井斜。斜井导孔从入钻点至出钻点50 m之前采用MWD测斜仪对钻头进行定位,导孔距出钻点小于50 m时在透孔点下部设置RMRS测距系统对钻头(旋转的短磁节)进行闭合定位,综合MWD、RMRS两项数据运用所研究的“一种缓倾角斜井导孔轨迹控制方法”计算并校正导孔。单弯螺杆结构形式见图1。

图1 单弯螺杆结构形式图

3.2 反井钻机导井施工工艺要点

该工艺系为确保缓坡斜井的导井反扩开挖制定,从而对反井钻机的主要受力构件及基座进行改造以确保其结构受力、操作空间、设备布置等满足相关要求,同时分阶段采用合理的钻速、钻压等参数完成导井反拉施工[5]。

(1)反井钻机的基础设计。对于该工程倾角范围内的缓坡斜井,反井钻机施工时钻机受力复杂,重力方向上的分力大,钻机在大扭矩力作用下容易发生机械故障,需要尽量让钻机的作用力垂直于基础面以改善其受力情况。对此,项目部技术人员研究并设计出“一种缓坡斜井反井钻机基础结构”。该基础设计的要点在于增加了基础的抗滑能力,采用实心混凝土“凹”型基础;混凝土基础与反井钻机调脚靴板平行以确保钻杆轴线与混凝土基础斜面垂直;在基础斜面上还应预埋H型钢用于安装、固定反井钻机;在混凝土基础内沿斜井钻进中心线预埋钢管以减少起钻时对基础的结构破坏;在基础的一侧铺设混凝土垫层以利于钻杆的存放及吊运。反井钻机基础结构剖面见图2。

图2 反井钻机基础结构剖面图

(2)对反井钻机适应性进行的改造。常规的反井钻机适用于倾角为60°～90°的斜井施工,但其在倾角为30°～45°斜井中使用时应进行适应性改造。该工程主要对反井钻机液压支撑底座、调脚靴板、抓手、马达等部位进行了以下改进。

①液压支撑底座的改造:为便于反井钻机调整入钻角度,在反井钻机支撑底座与主机框架处增加了2组长液压千斤顶,并在千斤顶与主机框架连接部位设置了三角支撑,在千斤顶与底座连接部位设置了矩形支撑。

②为进一步提升入钻点的准确度,在调脚靴板处增加了2组角度调节液压千斤顶,脚板预留锚固孔,将基础板与脚板通过螺栓进行连接。

③改进了液压抓手,采用两组液压系统分别控制大臂、小臂,使其犹如人的手臂一样能够满足反井钻机液压抓手横纵移动,从而更加便捷地安装斜井钻杆。

④对液压驱动马达采用双组设计,选用了两组改进型液压马达,将液压马达做到轻量化。

通过对施工工艺及钻机受力情况进行研究,在改进了上述基础及设备后,实现了缓坡斜井反井钻机的稳定反扩,顺利完成了导井施工。

3.3 正向开挖施工工艺要点

针对该倾角范围的斜井,应在数值模拟、模型试验研究的基础上开展缓坡斜井溜渣可行性的分析研究,充分利用爆破试验开展现场溜渣验证,优化掌子面倾角、溜渣井位置、爆破设计方案,辅以适当的溜渣措施以降低正向开挖面临的溜渣堵井及安全风险高等问题出现的概率。

3.3.1 导井溜渣运动特征和角度适应性分析

缓坡斜井溜渣是否堵井决定了“精准反导井正挖法” 的成败,项目部针对缓斜井溜渣的角度,通过数值模拟、建立运动学模型、开展模型试验、现场试验等方式探究了溜渣运动特征与角度的适应性。

在进行数值模拟前,首先进行了单颗粒岩块运动学和动力学理论研究,分析了岩块在溜渣井内可能出现的运动状态和特征;然后进行室内试验,研究不同坡度、形状、大小、条件下岩块的运动轨迹、速度、距离等参数的变化情况,进行多变量方差分析;最后进行颗粒群岩块运动特征分析,通过采用高速摄像记录及现场统计等方法定量分析了岩块运动的相关特性,获取了数值模拟及模型试验所需的基础参数。

颗粒流溜渣运动的数值模拟运用EDEM软件进行了离散元理论分析,通过网格划分将渣料离散为单个相互独立运动的单元,通过各单元颗粒在溜渣井中相互接触、相互作用模拟出真实的溜渣状态,运用牛顿运动定律等创建每个单元的运动方程,采用显示时间差分法求解动力平衡方程,通过动态松弛法、静态松弛法等迭代方法进行循环迭代并计算出每个单元的运动特性,从而得到整个研究对象的运动特征,模拟出溜渣过程的运动情况。

通过数值模拟获取参数后进行相关的模型试验。模型试验以滑渣坡度、颗粒级配为两个变量研究石渣在导井中的运动规律,进而论证缓坡斜井反井溜渣的安全角度范围和最优颗粒级配。模型试验装置由支撑构造、存料装置、滑槽导管、渣料收集器、记录装置五部分组成,该装置可实现0°～45°坡度范围内的任意改变。溜渣模型主要从渣料级配、石渣容重、滑槽尺寸、滑槽摩擦系数等关键指标考虑其相似性,模型与溜渣井的几何相似比为1∶5。将模型试验与数值模拟试验取得的结果进行对比,从图3中可以看出两种试验渣料的冲出距离和颗粒集散区间基本一致,进而可以相互印证试验结论的准确性。某颗粒级配试验结果对比情况见图3。

(左:模型试验结果;右:数值模拟结果)

通过对上述研究数据进行总结,论证了30°～45°斜井在适合的条件下能够满足溜渣需求,并得出小颗粒是阻碍溜渣效果的因素之一。小颗粒的增多会加大溜渣过程中下垫面的摩擦力,阻碍大颗粒的滚动,因此,在工程现场,需要严格控制小颗粒的含量。模型试验得出粒径小于30 mm的颗粒不能超过总质量的20%;工程中的最大粒径不能超过700 mm,且粒径为200～700 mm颗粒的质量不能超过全部颗粒总质量的50%,否则可能有堵井风险。该工程的最优爆渣级配区间指标为:小颗粒含量为10%～20%,中颗粒含量为40%～50%,大颗粒含量为40%～50%。

3.3.2 缓坡斜井扩挖爆破岩块粒径的控制与所采用的溜渣技术

项目部根据数值模拟合模型试验推荐的最优爆渣级配,在斜井正式开挖前开展了现场爆破试验,获得了符合溜渣粒径控制要求的钻爆参数,项目部据此实施开挖并辅以扩挖溜渣技术完成了斜井开挖。

(1)全断面爆破试验。全断面一次性爆破设计主要进行的是爆破进尺及爆渣级配控制试验等。该工程的试验进尺分别为1 m→2 m→2.5 m。各种进尺均未出现堵井现象,其中1 m进尺成本较高,2.5 m进尺扒渣量较大且大颗粒渣料相对较多,堵井风险高;最终选取了即经济又保险的2 m进尺。

根据该工程岩性特点,在进尺2 m时进行了两组钻爆孔距试验,第一组试验的孔距为40～60 cm,爆出的渣料粒径较细,细颗粒含量(18%)接近模型试验上限,故应适当加大孔距;第二组试验的孔距为60～70 cm,爆出的渣粒粒径中颗粒含量较大(52%),超出了模型建议值,故应减小孔距。最终将主爆孔间距控制在50～60 cm,综合试验结果得出的最优级配粒径区间及含量见表3。

表3 最优级配粒径区间及含量表

其他工程若需参照本研究成果实施,应首先根据工程实际遇到的岩性进行爆破试验,然后选择爆破进尺、孔距、爆破方式等。

(2)全断面扩挖溜渣技术。为降低堵井风险,提高施工效率,项目部结合现场及模型试验成果对工程进度及安全进行综合分析后作出了以下三点优化:

①掌子面倾角优化:为提升渣料下溜率且便于爆破造孔,将开挖掌子面倾角与水平线的夹角控制在20°～30°,如此实施能够将爆破石渣有效集中于底部,提升石渣导入溜渣井的数量,进一步降低扒渣人员的劳动强度。缓倾斜井正向开挖剖面见图4。

图4 缓倾斜井正向开挖剖面示意图

②溜渣井的位置优化:基于导井的高精度贯通,为有效减少下半洞的存渣量,将溜渣导井布置于底板,以便更好地引导爆破渣料下溜,减少扒渣工程量;溜渣过程采用5 L/min的助溜剂进行助溜,助溜剂的组成为0.1%的植物油,99.9%的水。

③爆破设计优化:以导井为中心,炮孔布置形式采用“菱形+中心空孔”方式布置,孔距控制指标为50～60 cm,全断面分上下半洞两序延时(880 ms)爆破,这样实施既可以提高爆渣落入导井的量,提升施工效率;又可有效降低瞬间同时进入导井的渣量,进而降低了堵井风险。

4 结 语

“精准反导井正挖法” 在阳江抽水蓄能电站中的成功应用,形成了缓坡斜井施工新工艺。该工艺通过实时定位、钻进纠偏、反井钻机适应性改造、模型试验、爆破控制等各项施工技术的有机结合,能够有效规避传统施工工艺存在的问题,突破了缓坡斜井施工的局限性,形成了一种高效、精准、安全、优质的施工技术。希望此次研究取得的成果及文中阐述的施工技术分析能为倾角为30°～45°斜井工程的施工提供帮助。