LM系列反井鉆機及反井鉆井技術發展

 

　　摘要：在LM系列反井鉆機設備和工藝技術上取得較大進步，為了適應煤炭、水電等深井工程建設的需要，由研制成LM-400型、LM-300型反井鉆機，和用于抗壓強度達到300MPa的極硬巖滾刀，為拓展反井鉆井技術應用打下基礎。

 

　　關鍵詞：反井鉆機 水電站建設 煤炭建設 巖石破碎

 

　　1．反井鉆機應用概況

 

　　反井鉆機在20世紀五十到六十年代出現在美國和德國采礦工程領域，它是將隧道掘進機和鉆井法鑿井機結合形成的井筒施工設備，用于施工礦山地下暗井、溜井、礦倉等導井工程。我國在八十年代將反井鉆機用于煤礦地下工程中，煤炭科學研究總院研制出LM系列反井鉆機，其中LM-120型反井鉆機1986年第一次應用在開灤趙各莊礦，LM-200型反井鉆機在1992年4月首次將LM-200型反井鉆機應用于十三陵抽水蓄能電站，完成直徑1.4m深度158m出現豎井導井施工，到目前反井鉆機先后在國內各大礦務局（礦業集團公司），十幾個水電站和抽水蓄能電站等工程應用，最大豎井深度316m，最大斜井長度236m（傾角50度），由于反井鉆井施工技術具有安全、快速、高質量等優勢，得到地下工程建設者的歡迎。

 

　　2．LM系列反井鉆機

 

　　LM系列反井鉆機包括LM-90型、LM-200型和LM-200型，原設計主要是為煤炭系統中硬巖石（小于100MPa）、深度小于200m，直徑0.9－-1.2－1.4m的反井工程，雖然在實際工程應用中也完成深度、巖石硬度都超過設計的豎井和斜井，但施工工效大大降低，事故率也大大增加，難以滿足快速建設煤炭、水電深井工程的目的。LM系列反井鉆機設計主要意圖有：

 

　　盡量減輕設備重量和體積，便于井筒內提升下放和井下運輸；

 

　　要滿足煤礦井下有瓦斯、煤塵條件下防爆要求；

 

　　煤炭沉積地層巖石一般礦壓強度較低，單軸抗壓強度小于100MPa；

 

　　鉆孔直徑小于1.4m到2.0m，鉆孔深度小于200m：

 

　　3．LM系列反井鉆機完成的部分工程

 

　　反井鉆機可以應用在地下工程中。

 

　　4．新型反井鉆機研制

 

　　2.1 ZFY2.0/400型（LM-400型）強力反井鉆機

 

　　為改變LM系列反井鉆井在煤炭、水電深井工程中應用的一些不足之處，北京中煤礦山工程有限公司（原煤炭科學研究總院北京建井研究所）又研制成功ZFY2.0/400型（LM-400型）強力反井鉆機，該機是科技部專項資金項目。

 

　　2.1.1 ZFY2.0/400型反井鉆機主要技術參數為：

 

　　(1) 導孔直徑： 270mm

 

　　(2) 擴孔最大直徑： 2.0m

 

　　(3) 鉆孔深度： 400m

 

　　(4) 鉆孔傾角： 45～90°

 

　　(5) 適用巖石： 單軸抗壓強度<250MPa

 

　　(6) 額定推力： 1650kN（25 MPa）

 

　　(7) 額定拉力： 2400kN（25 MPa）

 

　　(8) 額定扭矩： 101.5kNm( 20 MPa）

 

　　2.1.2 ZFY2.0/400 型反井鉆機特點：

 

　　(1)該機專門為煤炭、水電深井工程特點設計，可以在堅硬的巖石中施工深度400m，直徑φ1.4、φ1.7、φ2.0m多種直徑的豎井和斜井導井工程；

 

　　(2)采用L型主機框架結構，減輕了主機重量，易于調節鉆進角度和方位，便于斜井施工。主機前后分別用兩根拉桿固定，鉆架間用較大截面型鋼固定，具有可靠的穩定性；

 

　　(3)擴孔時，采用大扭矩雙液壓馬達驅動，使鉆頭產生較大的扭矩；

 

　　(4)配備高性能液壓油過濾、冷卻系統，保證鉆機液壓系統能夠長時間連續、穩定的工作；

 

　　(5)加長了鉆桿，減少裝卸扣長度，從而減少輔助操作時間，提高鉆桿特別是鉆桿絲扣的壽命，雖然鉆機高度增加，但是對于主要應用于深井鉆進，體積限制較小；

 

　　(6)采用全套自備的鉆桿搬運與裝卸輔助設備，包括液控小型轉盤吊、液控機械手、翻轉架、輔助卸扣裝置等，使鉆桿的裝卸靈活、準確、操縱機械化。

 

　　2.1.3 ZFY2.0/400型反井鉆機實際應用

 

　　(1)ZFY2.0/400型(LM-400型)反井鉆機設計完成后投入加工生產，2002年9月18日出廠驗收，2003年初運到瑯琊山抽水蓄能電站，對鉆進進行循環系統進行配套；施工鉆機基礎；進行鉆機安裝、調平找正、澆注地腳螺栓；鉆機是運轉；整個系統試運轉；導孔鉆進；處理不良地層；拆到孔鉆頭；接擴孔鉆頭；擴孔鉆進；拆機。完成了直徑1.4m、深度148.3m的地下廠房排煙豎井，其中導孔鉆進時間12天，包括處理不良地層4天，擴孔時間10天。

 

　　(2)宜興抽水蓄能電站位于江蘇省宜興市境內的西南郊10km處的銅官山區，電站安裝4臺單機容量為250MW的可逆式發電機組，總裝機容量為100MW。電站樞紐主要由上水庫、輸水系統、地下廠房系統、地面開關站、下水庫及補水工程等建筑物組成。電站建設開工后，廠頂交通洞施工到位后，可以開始廠房排煙豎井施工，以便廠房開挖階段通風。首先完成排煙豎井上口明挖施工，開挖到較完整、風化程度低的巖石，施工鉆機基礎和循環池，然后安裝鉆機，最后鉆成直徑1.4m、深度218m的地下廠房排煙豎井。

 

　　2．2 LM-300型反井鉆機

 

　　LM-300型反井鉆機和LM-400型設計側重點不同，后者主要針對地面條件下施工深井，前者是在水電建設工程應用普遍的LM－200型反井鉆機替代產品，解決LM－200型反井鉆機能力偏低的缺點，仍保留體積小、重量輕、搬遷移動方便的特點，具有更強的適應性。主要技術參數為：

 

　　(1) 導孔直徑： 216mm

 

　　(2) 擴孔最大直徑： 1.4m

 

　　(3) 鉆孔深度： 300m

 

　　(4) 鉆孔傾角： 50～90°

 

　　(5) 適用巖石： 單軸抗壓強度<200MPa

 

　　(6) 額定推力： 320kN（25 MPa）

 

　　(7) 額定拉力： 1256kN（25 MPa）

 

　　(8) 額定扭矩： 50kN.m（20 MPa）

 

　　2．3 破巖滾刀

 

　　破巖滾刀是反井鉆機及反井鉆井技術關鍵，特別是硬巖反井破巖滾刀研制，技術難度更大。2003年水電電站建設的大力發展，其中大部分選址在堅硬巖石中，如山東泰安抽水蓄能電站、四川自一里電站、吉林白山電站、福建穆陽溪電站等多為花崗巖地層，巖石堅硬，單軸抗壓強度達到250MPa，泰安抽水蓄能電站花崗巖抗壓強度達到310MPa，這類巖石石英、長石等磨粒性強的礦物含量在70％以上。專為煤炭軟巖以及中硬巖滾刀已不能滿足施工需要，在泰安抽水蓄能電站是用普通滾刀，其壽命只有5－10m，工效非常低，破巖刀具費用達到每米一萬元以上，這樣反井鉆機將無法作為工程設備應用。為此，進行了滾刀技術科技攻關，研制出特殊的硬巖滾刀，在泰安工程應用其壽命達到125m以上，并經多個電站不同巖石條件應用實踐，硬巖滾刀可以滿足不同工程需要，解決了硬巖地層中鉆進反井的難題。

 

　　5．結語

 

　　隨著我國能源開發需要，煤炭、水電、冶金等有大量地下工程，反井鉆機的應用范圍將日益擴展。LM-300和LM-400型反井鉆機的研制，極硬巖滾刀的在泰安抽水蓄能電鉆的成功應用，使反井鉆機能夠較高效的破碎巖石，提高了反井鉆機功效，降低了工程成本。今后應加強對深井反井鉆井工藝的研究，使反井鉆機在地下工程建設中發揮更大作用。