劉志強(qiáng)，宋朝陽

(1.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；2.煤礦深井建設(shè)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

煤炭是我國電力發(fā)展的主體能源，無論在過去、現(xiàn)在和將來的相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)，燃煤發(fā)電都占有主導(dǎo)地位。然而，以煤為主的能源供應(yīng)體系是中國環(huán)境污染日趨嚴(yán)重的主要原因，所以有待改善電力供應(yīng)的質(zhì)量，使整個(gè)能源系統(tǒng)步入可持續(xù)發(fā)展的軌道[1]。我國抽水蓄能電站從20世紀(jì)60年代起步以來，呈穩(wěn)步上升的趨勢，蓄能電站裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大，截至2018年12月底，我國已投運(yùn)儲能項(xiàng)目的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模為31.2 GW?！笆濉逼陂g新開工抽水蓄能電站裝機(jī)容量為6 000萬kW，到2025年將達(dá)到9 000萬kW左右。我國已建和在建抽水蓄能電站主要分布在華南、華中、華北、華東等地區(qū)，以解決電網(wǎng)的調(diào)峰問題。目前，抽水蓄能電站是應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)成熟的大規(guī)模儲能技術(shù)之一，用于大電網(wǎng)調(diào)峰和大電網(wǎng)黑啟動等方面，已成為我國電力工業(yè)中不可缺少的重要組成部分[1]。

大型抽水蓄能電站的建設(shè)主要依靠山區(qū)地形的上下水庫的高差特征，將水轉(zhuǎn)化為重力勢能或電能。抽水蓄能電站的構(gòu)筑物一般包括上、下水庫及壓力管道。其中，上水庫建設(shè)在高山上部；下水庫布置在高山下部，利用原有或建設(shè)新的水庫；壓力管道建設(shè)在山體內(nèi)部。同時(shí)還有安裝發(fā)電機(jī)的地下廠房、輸變電用的調(diào)壓硐室、以及發(fā)電排出的尾水通道等系統(tǒng)。隨著抽水蓄能電站裝機(jī)容量增加，輸水系統(tǒng)發(fā)電水頭高，壓力管道長度增加，導(dǎo)致建設(shè)過程中存在大量的長距離、大傾角的斜井工程，其施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。所以，長距離大傾角壓力管道斜井高效建設(shè)，成為制約抽水蓄能電站建設(shè)的關(guān)鍵問題之一。

抽水蓄能電站的大傾角壓力管道斜井多采用導(dǎo)井法施工，首先施工小直徑導(dǎo)井，再由上向下采用鉆爆法擴(kuò)挖，最后進(jìn)行壓力管道支護(hù)結(jié)構(gòu)的安裝。廣州抽水蓄能電站最早采用爬罐法施工導(dǎo)井，具有作業(yè)環(huán)境危險(xiǎn)、工作人員勞動強(qiáng)度大、職業(yè)傷害嚴(yán)重等缺點(diǎn)，并且隨著斜井長度加大，施工效率低，逐漸被反井鉆井法代替。在北京十三陵抽水蓄能電站建設(shè)中，首次采用反井鉆機(jī)施工了直徑1.4 m的壓力管道導(dǎo)井[2]，證明了反井鉆機(jī)鉆井法是高效、安全、快速的導(dǎo)井施工方法，但是反井鉆機(jī)鉆井過程，對破碎或薄弱地層尚無法進(jìn)行有效的初期支護(hù)，所以，反井鉆井施工的適用性對地層條件提出了更高的要求。在國家科技部“十二五”“863計(jì)劃”中將“煤炭智能化掘采技術(shù)與裝備”作為重點(diǎn)項(xiàng)目，該項(xiàng)目中的第3個(gè)課題“礦山豎井掘進(jìn)機(jī)研制”(編號為2012AA06A403)，研制了豎井掘進(jìn)機(jī)樣機(jī)，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、施工機(jī)械化、控制自動化、掘進(jìn)支護(hù)一體化的豎井掘進(jìn)機(jī)[3]。

筆者針對大長度大傾角抽水蓄能電站壓力管道的施工難題，梳理了目前抽水蓄能電站壓力管道開挖方法，分析了爬罐和反井鉆機(jī)2種導(dǎo)井施工工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了以豎井掘進(jìn)機(jī)為核心的大傾角壓力管道斜井機(jī)械破巖鉆進(jìn)工藝；最后論述了此工藝進(jìn)一步需要研究的技術(shù)問題和科學(xué)問題。

1 現(xiàn)有壓力管道施工技術(shù)與工藝

抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)布置如圖1所示。地下廠房內(nèi)安裝的發(fā)電機(jī)組為可逆式，既能夠作為發(fā)電機(jī)發(fā)電，也可以作為水泵抽水。在用電低谷時(shí)，下水庫的水通過尾水隧道進(jìn)入地下廠房，發(fā)電機(jī)組作為水泵將水增壓，水流通過壓力管道下平段、下斜段、中平段、上斜段和上平段，流入上水庫內(nèi)，利用水位的上升實(shí)現(xiàn)能量的蓄積；在用電高峰時(shí)，將上水庫的閘門打開，上水庫的水從上平段流入壓力管道內(nèi)，經(jīng)過壓力管道增壓，水流經(jīng)過上平段、上斜段、中平段、上斜段和下平段，流入發(fā)電機(jī)組發(fā)電；實(shí)現(xiàn)大電網(wǎng)調(diào)峰填谷的作用。

圖1 抽水蓄能電站發(fā)電系統(tǒng)布置示意Fig.1 Schematic of power generation system of pumped storage power station

壓力管道斜井是抽水蓄能電站的關(guān)鍵構(gòu)筑物，是能量轉(zhuǎn)化的核心通道。壓力管道井傾角大，一般與水平面夾角為50°～65°，穿過巖石多為火成巖，巖石堅(jiān)硬且抗壓強(qiáng)度高，給長距離壓力管道斜井施工增加難度。以長度為700 m級壓力管道斜井為例，首先需要施工1條平硐，將壓力管道斜井分成上下2段，再分別進(jìn)行上下斜井的分段施工。常用的壓力管道斜井施工方法為導(dǎo)井?dāng)U挖法：首先利用爬罐或反井鉆機(jī)形成導(dǎo)井，采用爬罐法施工的導(dǎo)井為矩形斷面，一般邊長為1.8 m×1.8 m，采用反井鉆機(jī)施工的導(dǎo)井為圓形，直徑為1.4～2.5 m；導(dǎo)井形成后，利用鉆爆法由上向下擴(kuò)挖施工，爆破破碎的巖渣通過導(dǎo)井落到斜井下部隧道內(nèi)，再進(jìn)行裝巖運(yùn)輸排渣；擴(kuò)挖的同時(shí)進(jìn)行必要的臨時(shí)支護(hù)；整個(gè)斜井井筒開挖完畢后，采用鋼筋混凝土井壁或內(nèi)鋼管井壁壁后充填混凝土的方式進(jìn)行永久支護(hù)，以滿足壓力管道運(yùn)行條件。

1.1 爬罐法開挖導(dǎo)井技術(shù)與工藝

爬罐開挖導(dǎo)井，也稱為爬罐反向鑿井法，簡稱爬罐法。利用爬罐作為輸送工具和操作平臺，將作業(yè)人員和材料運(yùn)輸?shù)焦ぷ髅妫瑫r(shí)將爬罐作為操作平臺進(jìn)行爆破孔的鉆鑿、裝巖、連線、封孔及必要的臨時(shí)支護(hù)作業(yè)。爬罐利用固定在斜井上部或垂直井井筒一幫的爬罐軌道作為運(yùn)行支撐，爬罐上的齒輪和軌道上的齒條嚙合，依靠電力驅(qū)動或者內(nèi)燃驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)爬罐的上升和下放。20世紀(jì)80年代初開始，在水電工程建設(shè)的漁子溪二級、魯布哥等水力發(fā)電站以及廣州、天荒坪等抽水蓄能電站工程中采用了瑞典生產(chǎn)的阿里馬克爬罐進(jìn)行施工(圖2)，我國也曾經(jīng)生產(chǎn)過電動爬罐，并在十三陵抽水蓄能電站有過應(yīng)用。

圖2 爬罐處在始發(fā)和斜井工作面的狀態(tài)Fig.2 Climbing tank is in state of starting and inclined well working face

壓力管道斜井的導(dǎo)井由下向上進(jìn)行掘進(jìn)，主要包括鉆孔、裝藥、爆破、危石處理和臨時(shí)支護(hù)等工序，如圖3所示。鉆孔和裝藥的方向從下向上，與普通鉆爆法相比施工難度和風(fēng)險(xiǎn)明顯增加。導(dǎo)井施工首先沿斜井軸線方向從下向上掘進(jìn)能夠容納爬罐長度的一段導(dǎo)井，用于爬罐軌道的安裝。爬罐軌道由齒條、壓風(fēng)管、供水管等組成，采用錨桿固定在巖體中。爬罐包括主爬罐和副爬罐，副爬罐用作為安全救援。爬罐軌道安裝完成后，進(jìn)行爬罐安裝和運(yùn)轉(zhuǎn)，并接通壓風(fēng)和供水管路。利用爬罐進(jìn)行導(dǎo)井正常施工時(shí)，通過爬罐將人員和鑿巖設(shè)備、火工材料運(yùn)送到工作面；在施工保護(hù)罩的掩護(hù)下，人員在爬罐工作平臺進(jìn)行炮孔鉆進(jìn)、炸藥裝填、雷管聯(lián)線、炮孔的封堵等工作，然后，施工人員乘坐爬罐下降到斜井底部爬罐始發(fā)位置，人員撤至安全地點(diǎn)后即可起爆，爆破采用風(fēng)壓起爆雷管、電雷管或?qū)П艿确绞奖茙r石[4]。

圖3 爬罐法開挖斜井導(dǎo)井主要工序示意Fig.3 Schematic of main process of guided wellexcavation of inclined well by alimak climber method

爬罐法施工導(dǎo)井在巖層穩(wěn)定、斜井長度較小時(shí)，施工效率較高，具有一定的優(yōu)勢。從理論上講，爬罐法不需要事先開鑿上水平輔助巷道，施工長度可達(dá)上千米。但是受斜井結(jié)構(gòu)特征的影響，爬罐法施工導(dǎo)井具有以下缺點(diǎn)：①隨著掘進(jìn)導(dǎo)井長度的增加，爬罐上下運(yùn)行導(dǎo)致輔助作業(yè)時(shí)間較長，掘進(jìn)速度明顯減慢，施工效率明顯降低；②工作面通風(fēng)條件差，導(dǎo)致工作面易聚集有害氣體，通常用于施工長度不超過200 m的斜井導(dǎo)井；③爬罐法平臺上作業(yè)人員在5面圍巖和1面為深井的環(huán)境下作業(yè)，落石、淋水、有害氣體等對人員傷害風(fēng)險(xiǎn)很大，且對作業(yè)人員心理產(chǎn)生不利影響，隨著對施工安全和職業(yè)健康重視，已將爬罐法施工導(dǎo)井列為淘汰落后工藝目錄。

1.2 反井鉆機(jī)開挖導(dǎo)井技術(shù)與工藝

反井鉆機(jī)開挖導(dǎo)井方法，也稱為反井鉆井法。反井鉆機(jī)最開始主要應(yīng)用于礦山井下工程，隨著技術(shù)、工藝、裝備的發(fā)展，應(yīng)用范圍逐漸拓展，發(fā)展到礦物開采和地下工程建設(shè)各個(gè)領(lǐng)域。從20世紀(jì)90年代開始，反井鉆機(jī)應(yīng)用在抽水蓄能電站傾斜壓力管道導(dǎo)井鉆進(jìn)施工中，北京十三陵抽水蓄能電站工程采用LM-200型反井鉆機(jī)，鉆成直徑1.4 m的壓力管道導(dǎo)井，反井鉆井施工從1992年6月26日開始，至8月17日結(jié)束，歷時(shí)39 d，完成了斜長203 m、傾角50°的壓力管道斜井導(dǎo)井，導(dǎo)井偏斜率僅為1.43%，平均月進(jìn)尺達(dá)147 m，純鉆進(jìn)成孔月進(jìn)尺達(dá)222.70 m。目前，在建的抽水蓄能電站工程導(dǎo)井施工，全部為反井鉆井方法。反井鉆機(jī)鉆進(jìn)壓力管道導(dǎo)井如圖4所示。反井鉆機(jī)采用動力頭驅(qū)動旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式，推進(jìn)采用液壓油缸推進(jìn)，鉆架為整體框架，采用正循環(huán)排渣。整個(gè)過程中無需作業(yè)人員下井，人員安全得到根本保證，真正實(shí)現(xiàn)了無人化機(jī)械掘進(jìn)；且反井鉆機(jī)采用機(jī)械破巖方式施工導(dǎo)井，減少了對圍巖的擾動破壞，形成的導(dǎo)孔孔壁光滑，易于溜渣和排水，導(dǎo)井圍巖穩(wěn)定性更好。

圖4 反井鉆機(jī)鉆進(jìn)壓力管道導(dǎo)井示意Fig.4 Schematic of drilling pressure pipeline guide well with reverse rig

為了突破大傾角斜井直接采用反井鉆機(jī)鉆進(jìn)導(dǎo)孔時(shí)，有效控制其鉆孔偏斜精度的關(guān)鍵技術(shù)，2016年以豐寧抽水蓄能電站1號引水系統(tǒng)壓力管道下斜段為背景，為了實(shí)現(xiàn)在中粗?；◢弾r地層中斜井導(dǎo)孔軌跡精確控制，研究了高精度斜井導(dǎo)孔軌跡控制技術(shù)、定向鉆具組合技術(shù)以及鉆孔孔壁泥漿保護(hù)技術(shù)。在工業(yè)性試驗(yàn)過程，利用研制的TDX-50新型斜超前定向?qū)Э讓Ｓ勉@機(jī)、7LZ120新型短螺桿鉆具以及SMWD無線隨鉆測斜儀等鉆孔施工設(shè)備，從2016年8月12日設(shè)備進(jìn)場開始，2016年9月14日定向鉆進(jìn)開鉆，2016年10月18日直徑190 mm的超前定向?qū)Э资┕そY(jié)束，鉆進(jìn)工期為35天，鉆孔斜長302 m，偏斜率低至0.45%，突破了大傾角反井鉆進(jìn)斜井導(dǎo)井的快速、高效、精確的鉆孔定向控制的技術(shù)難題。

1.3 壓力管道擴(kuò)挖技術(shù)與工藝

目前，抽水蓄能電站斜井?dāng)U挖受現(xiàn)場施工條件、設(shè)備能力、作業(yè)人員的技術(shù)熟練程度和操作水平以及工期要求等因素的制約，專用的斜井機(jī)械化裝備尚未進(jìn)行系統(tǒng)研究，斜井鉆孔、裝藥、清渣等工序主要采用手工半機(jī)械化進(jìn)行作業(yè)。導(dǎo)井?dāng)U挖一般采用自上而下的方式，斜井?dāng)U挖施工剖面布置，如圖5所示。根據(jù)斜井?dāng)嗝娲笮〖皩?dǎo)井直徑，采用分層逐層爆破擴(kuò)挖，或上下半斷面分次擴(kuò)挖方式，上下半斷面分次擴(kuò)挖布置如圖6所示。

圖5 斜井?dāng)U挖施工剖面布置Fig.5 Sectional layout of inclined shaft expansion

圖6 上下半斷面分次擴(kuò)挖布置Fig.6 Schematic of sub-expansion of upper and lower half sections

抽水蓄能電站斜井采用鉆爆法進(jìn)行擴(kuò)挖時(shí)，運(yùn)用手持式風(fēng)動鑿巖機(jī)鉆鑿傾斜的爆破孔，以YT-28型手持式風(fēng)動鑿巖機(jī)鉆孔為例，由于導(dǎo)井的存在已形成了較好的自由面，所以不需設(shè)置掏槽孔，沿導(dǎo)井周圍依次布設(shè)崩落孔和周邊光爆孔。為保證全斷面開挖時(shí)石渣溜放順暢，避免導(dǎo)井堵塞事故的發(fā)生，崩落孔采用直徑32 mm的藥卷連續(xù)裝藥；周邊孔采用直徑32 mm藥卷間隔裝藥實(shí)現(xiàn)光面爆破，炮孔間距不允許大于500 mm；開挖長度控制在2.0～3.0 m，預(yù)計(jì)循環(huán)進(jìn)尺1.7～2.8 m。起爆采用圓周分段法，爆破孔采用非電毫秒雷管起爆網(wǎng)絡(luò)，引爆采用電雷管起爆。工作面采用人工扒渣、清面，在下平段內(nèi)采用裝載機(jī)裝巖，并采用自卸車運(yùn)輸出渣。為保證施工的安全，在施工中還需要根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行必要的臨時(shí)支護(hù)。采用鉆爆法擴(kuò)挖工藝來講，工作面通風(fēng)條件差、人員作業(yè)環(huán)境惡劣，且提絞設(shè)備和其他設(shè)施相互干擾，因此，安全事故難以避免。所以，為了徹底改善施工環(huán)境，保證安全施工，亟待尋求研究抽水蓄能電站斜井機(jī)械擴(kuò)挖鉆進(jìn)工藝及裝備[4-6]。目前，反井鉆機(jī)擴(kuò)孔鉆進(jìn)為抽水蓄能電站斜井?dāng)U挖的主要施工工藝，擴(kuò)孔鉆進(jìn)采用下排渣方式，巖渣靠自重由導(dǎo)井落到下斜段底部再排出。豐寧抽水蓄能電站1號引水系統(tǒng)壓力管道下斜段，導(dǎo)井?dāng)U孔鉆進(jìn)采用了BMC500型反井鉆機(jī)，形成的導(dǎo)井直徑為2.25 m，擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)間為25 d。盡管反井鉆機(jī)擴(kuò)孔工藝實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化鉆井，但是依然存在鉆進(jìn)精度低、鉆井直徑小和鉆進(jìn)效率低的技術(shù)難題，不能滿足長距離抽水蓄能電站壓力管道擴(kuò)挖的工程需求。

2 機(jī)械破巖鉆進(jìn)壓力管道斜井工藝及關(guān)鍵技術(shù)

為解決抽水蓄能電站壓力管道長度大、傾角大、巖石堅(jiān)硬等特點(diǎn)，以國家“十二五”“863計(jì)劃”項(xiàng)目研制的豎井掘進(jìn)機(jī)為基礎(chǔ)，通過設(shè)備改造、技術(shù)研究和工藝論證等一系列研究，使其滿足斜井掘進(jìn)的工程需求[5-7]。因此，在現(xiàn)有反井鉆機(jī)鉆進(jìn)、豎井掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)和裝備的基礎(chǔ)上，提出了以定向鉆機(jī)+反井鉆機(jī)+井筒掘進(jìn)機(jī)為基礎(chǔ)裝備的抽水蓄能電站壓力管道斜井全斷面機(jī)械鉆進(jìn)工藝，簡要工藝流程為：①采用定向?qū)Э足@進(jìn)技術(shù)鉆進(jìn)反井鉆井超前導(dǎo)孔，鉆孔偏斜率控制在0.3%～0.5%；②采用反井鉆機(jī)初次擴(kuò)挖，直徑達(dá)可達(dá)到2.0～2.5 m，利用導(dǎo)井作為下排渣通道；③采用豎井掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行二次擴(kuò)挖，可將斜井直徑擴(kuò)大到5.8 m。此項(xiàng)“三機(jī)分步”施工工藝，能夠滿足傾角50°～90°、長度小于800 m斜井的建設(shè)需求，能夠?qū)崿F(xiàn)長距離、大傾角和大直徑斜井的無人化或少人化的機(jī)械破巖鉆進(jìn)[8]。

2.1 定向鉆進(jìn)超前導(dǎo)孔的關(guān)鍵技術(shù)與工藝

抽水蓄能電站大傾角長斜井導(dǎo)孔偏斜控制技術(shù)，是反井鉆機(jī)施工導(dǎo)井和豎井掘進(jìn)機(jī)機(jī)械破巖擴(kuò)挖鉆進(jìn)的關(guān)鍵。為解決導(dǎo)井的偏斜控制問題，采用專用定向鉆機(jī)鉆進(jìn)超前導(dǎo)孔。在壓力管道上水平隧道內(nèi)，以斜井軸線和水平隧道軸線的交線處澆筑滿足定向?qū)Э足@機(jī)、反井鉆機(jī)等設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的混凝土基礎(chǔ)；并根據(jù)設(shè)備單件最大質(zhì)量、體積和操作空間范圍，設(shè)計(jì)輔助隧道達(dá)到所需要的斷面和滿足安裝提吊設(shè)備的鋼結(jié)構(gòu)；安裝好定向?qū)Э足@機(jī)后，以由上向下的方式進(jìn)行鉆進(jìn)，待與下水平隧道貫通后，拆除定向鉆機(jī)。專用鉆機(jī)鉆進(jìn)定向超前導(dǎo)孔施工如圖7所示。

圖7 專用鉆機(jī)鉆進(jìn)定向超前導(dǎo)孔示意Fig.7 Schematic of directional advanced pilot hole drilled by special rig

斜井專用定向鉆機(jī)設(shè)備如圖8所示。斜井專用定向鉆機(jī)由鉆架、動力頭、鉆桿上卸扣裝置、行走機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軌、鉆桿、鉆孔傾角調(diào)整機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成。鉆機(jī)所有部件(包括液壓系統(tǒng)泵站、動力頭、鉆架、導(dǎo)軌架等)均安裝在鋼制履帶底盤上，鉆機(jī)操縱臺、鉆機(jī)行走操縱臺、電路開關(guān)及泥漿閥門均集中置于鉆機(jī)前端機(jī)架一側(cè)的司鉆房內(nèi)。動力頭驅(qū)動鉆具回轉(zhuǎn)工作，利用鉆桿上卸扣裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)械接卸鉆具，利用鉆孔傾角調(diào)整機(jī)構(gòu)、傾角鎖緊機(jī)構(gòu)控制鉆孔角度，開孔角度為0°～90°。斜井專用定向鉆機(jī)配備?89 mm鉆桿，超前導(dǎo)向孔直徑可達(dá)190 mm，并采用隨鉆測量及螺桿鉆具進(jìn)行糾偏，保超前導(dǎo)孔施工的鉆孔精度達(dá)到偏斜率小于0.3%。

斜井導(dǎo)孔專用定向鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)如下：[9]

電機(jī)驅(qū)動功率/kW90軸壓力提升力/kN500動力頭回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/(N·m)1 600動力頭轉(zhuǎn)速/(r·min-1)0～80鉆機(jī)角度調(diào)節(jié)/(°)0～90鉆孔直徑/mm190鉆桿直徑/mm89動力頭一次推進(jìn)行程/mm4 500鉆機(jī)行走速度/(km·h-1)2鉆機(jī)爬坡能力/(°)20輔助液壓卷揚(yáng)機(jī)提升力/kN15

圖8 斜井專用定向鉆機(jī)設(shè)備Fig.8 Directional drilling equipment for inclined wells

2.2 超前導(dǎo)孔擴(kuò)孔技術(shù)與工藝

不同類型反井鉆機(jī)的鉆桿直徑不同：BMC400型反井鉆機(jī)鉆桿直徑為228 mm，導(dǎo)孔直徑為270 mm；BMC500型反井鉆機(jī)鉆桿直徑254 mm，導(dǎo)孔直徑為311 mm；BMC600型反井鉆機(jī)鉆桿直徑為327 mm，導(dǎo)孔直徑為350 mm。而采用專用鉆機(jī)鉆進(jìn)定向超前導(dǎo)孔，形成的鉆孔直徑為190 mm，不能滿足反井鉆機(jī)鉆桿的下放要求，需要將超前導(dǎo)孔擴(kuò)大到反井鉆機(jī)導(dǎo)孔直徑。采用反井鉆機(jī)擴(kuò)大超前導(dǎo)孔，首先拆除斜井定向鉆機(jī)，再進(jìn)行反井鉆機(jī)安裝，并采用帶有超前穩(wěn)定器的三牙輪鉆頭，由上向下擴(kuò)大超前導(dǎo)孔，直至將反井鉆機(jī)鉆桿下放到壓力管道下口。超前導(dǎo)孔擴(kuò)大及反井鉆機(jī)鉆桿下放如圖9所示[10]。

圖9 超前導(dǎo)孔擴(kuò)大及反井鉆機(jī)鉆桿下放示意Fig.9 Schematic of enlargement of leading hole and lowering of drill pipe of reverse rig

2.3 反井鉆機(jī)初次擴(kuò)挖鉆進(jìn)技術(shù)與工藝

采用BMC600型反井鉆機(jī)進(jìn)行斜井的初次擴(kuò)挖鉆進(jìn)時(shí)，以自上而下的方式下放反井鉆機(jī)鉆桿，并在下水平連接直徑2.5 m擴(kuò)孔鉆頭，再由反井鉆機(jī)主機(jī)驅(qū)動鉆桿旋轉(zhuǎn)和提拉鉆頭，以自下而上的方式進(jìn)行初次擴(kuò)孔施工，形成直徑為2.5 m的斜井導(dǎo)井，最后拆除反井鉆機(jī)。反井鉆機(jī)擴(kuò)孔鉆進(jìn)形成導(dǎo)井如圖10所示。

圖10 反井鉆機(jī)鉆進(jìn)擴(kuò)孔示意Fig.10 Schematic of drilling and reaming with reverse rig

2.4 豎井掘進(jìn)機(jī)二次擴(kuò)挖鉆進(jìn)工藝

豎井掘進(jìn)機(jī)是涉及巖石破碎、機(jī)械加工、電氣傳動、液壓控制、傳感器測量、數(shù)字控制等多種技術(shù)交叉融合而形成的機(jī)械破巖鑿井裝備[11]。豎井掘進(jìn)機(jī)鉆進(jìn)斜井如圖11所示。

圖11 豎井掘進(jìn)機(jī)鉆進(jìn)斜井示意Fig.11 Schematic of shaft boring machine drilling into inclined shaft

豎井掘進(jìn)機(jī)二次擴(kuò)挖時(shí)，首先施工一定長度的能夠滿足掘進(jìn)機(jī)安裝高度的掘進(jìn)機(jī)鎖口，再安裝豎井掘進(jìn)機(jī)，包括掘進(jìn)機(jī)的鉆頭、支撐推進(jìn)系統(tǒng)、操作控制臺、安全防護(hù)平臺和臨時(shí)支護(hù)平臺；其次，將掘進(jìn)機(jī)框架上的支撐靴板支撐在鎖口上，利用動力頭驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)和推進(jìn)，并采用滾刀破碎巖石由上向下鉆進(jìn)，破碎的巖渣通過導(dǎo)井溜到壓力管道下平段。鉆進(jìn)過程中，根據(jù)斜井井幫圍巖條件，在豎井掘進(jìn)機(jī)上部臨時(shí)支護(hù)作業(yè)平臺上，完成錨桿安裝和噴漿防護(hù)等臨時(shí)支護(hù)作業(yè)。

3 機(jī)械破巖鉆進(jìn)壓力管道斜井的關(guān)鍵技術(shù)及研究方向

3.1 機(jī)械破巖鉆進(jìn)壓力管道斜井的關(guān)鍵技術(shù)

圍繞豎井掘進(jìn)機(jī)鉆進(jìn)斜井中機(jī)械破巖、出渣、支護(hù)平行作業(yè)工藝，凝練出了豎井掘進(jìn)機(jī)定位技術(shù)、豎井掘進(jìn)機(jī)破巖鉆進(jìn)技術(shù)、豎井掘進(jìn)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)移步技術(shù)、臨時(shí)支護(hù)技術(shù)、通風(fēng)排水技術(shù)5項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

1)豎井掘進(jìn)機(jī)定位技術(shù)。根據(jù)斜井軸線和鉆進(jìn)方向的測量數(shù)據(jù)，計(jì)算出各個(gè)支撐油缸需要伸出的長度，并通過多個(gè)行程的鉆進(jìn)，逐漸調(diào)整豎井掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)，使其鉆進(jìn)方向和斜井軸線高度重合；按照豎井掘進(jìn)機(jī)鉆進(jìn)破巖的反轉(zhuǎn)矩和反推力，計(jì)算出支撐靴板的摩擦阻力，以及確定各個(gè)支撐油缸需要達(dá)到的支撐力，防止鉆進(jìn)過程靴板和井幫的相對滑動，保證下一行程的鉆進(jìn)方向的準(zhǔn)確。

2)豎井掘進(jìn)機(jī)破巖鉆進(jìn)技術(shù)。高效破碎大體積巖石和減少對圍巖擾動依然是機(jī)械破巖的需要積解決的核心問題之一[12-15]，機(jī)械破巖效率決定了機(jī)械鉆進(jìn)的速度。破巖鉆進(jìn)時(shí)，電機(jī)帶動動力頭驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)，同時(shí)推進(jìn)油缸推動鉆頭下行，并使破巖滾刀與巖石接觸，逐漸開始破碎巖石；隨著推進(jìn)的壓力逐漸增加，達(dá)到設(shè)計(jì)的鉆壓值后，進(jìn)行正常鉆進(jìn)，且鉆壓需要根據(jù)鉆機(jī)設(shè)備和地層特性確定。

3)豎井掘進(jìn)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)移步技術(shù)。豎井掘進(jìn)機(jī)鉆進(jìn)1個(gè)行程后，也就是當(dāng)推力油缸達(dá)到最大設(shè)置行程位置時(shí)，動力頭驅(qū)動鉆頭繼續(xù)旋轉(zhuǎn)破巖，直到形成較為平整的井底面，且使破巖滾刀穩(wěn)定接觸巖石；然后鎖緊主推油缸，逐漸松開8個(gè)支撐油缸，使各支撐油缸支撐力為零，再逐漸使4個(gè)推進(jìn)油缸活塞桿縮回，豎井掘進(jìn)機(jī)支撐框架整體下移；當(dāng)推進(jìn)油缸全部回縮到位后，將支撐靴板固定進(jìn)行定位，支撐油缸達(dá)到設(shè)計(jì)壓力后，再開始進(jìn)行下一鉆進(jìn)循環(huán)。

4)臨時(shí)支護(hù)技術(shù)。盡管豎井掘進(jìn)機(jī)破巖對斜井井幫圍巖的破壞小，依然需要對地層條件和圍巖穩(wěn)定進(jìn)行科學(xué)評價(jià)。一方面，豎井掘進(jìn)機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)在工作時(shí)，對井幫施加的壓力在一定程度上能夠起到防止井幫破壞的作用；另一方面，對于地層條件較差的層位，在考慮作業(yè)人員和設(shè)備的安全的情況下，利用安裝在豎井掘進(jìn)機(jī)上部作業(yè)平臺的錨桿鉆機(jī)，進(jìn)行鉆鑿、安裝臨時(shí)支護(hù)錨桿和掛網(wǎng)，同時(shí)利用平臺上的噴漿機(jī)進(jìn)行噴漿作業(yè)，對井幫圍巖進(jìn)行封閉加固。

5)通風(fēng)排水技術(shù)。與傳統(tǒng)的鉆眼爆破破巖方法不同，豎井掘進(jìn)機(jī)鉆井為機(jī)械滾刀破巖，井下作業(yè)人員少、且產(chǎn)生的有害氣體和粉塵比較小，通過鉆頭噴霧便可有效降低大部分粉塵；其次，由于導(dǎo)井和電站的通風(fēng)系統(tǒng)形成了井筒循環(huán)通風(fēng)，一般不需要單獨(dú)設(shè)立通風(fēng)裝置，特殊情況下可設(shè)置局部通風(fēng)機(jī)。豎井掘進(jìn)機(jī)鉆進(jìn)過程中地層中少量涌水時(shí)，可直接通過導(dǎo)井流到斜井下部排出；當(dāng)?shù)貙佑克枯^大時(shí)，需預(yù)先采用地層改性方法封堵涌水。

3.2 機(jī)械破巖鉆進(jìn)壓力管道斜井的研究方向

根據(jù)豎井掘進(jìn)機(jī)鉆井抽水蓄能水電站大傾角、長距離和大直徑壓力管道斜井的施工技術(shù)特點(diǎn)，為了保障施工的質(zhì)量和安全性，筆者提出了豎井掘進(jìn)機(jī)鉆進(jìn)壓力管道斜井的5個(gè)研究方向，具體如下：

1)定向機(jī)械鉆進(jìn)長斜井技術(shù)的可行性研究。在掌握長斜井賦存地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，從施工技術(shù)、施工工期、施工費(fèi)用和安全可控性等方面，比較分析爬罐法、反井鉆井法、豎井掘進(jìn)機(jī)鉆進(jìn)法等施工工藝的技術(shù)特點(diǎn)，綜合論證機(jī)械鉆進(jìn)壓力管道斜井的施工工藝的必要性、適用性及可行性。

2)反井鉆機(jī)擴(kuò)挖大傾角超前導(dǎo)孔精度智能控制技術(shù)研究。研究適用于斜井導(dǎo)孔擴(kuò)大的定向反井鉆具，在偏斜超出預(yù)先設(shè)定參數(shù)時(shí)，該鉆具能夠進(jìn)行智能糾偏，并使得鉆進(jìn)方向沿既定軌跡持續(xù)鉆進(jìn)。

3)大型反井鉆機(jī)裝備的研究。為了滿足抽水蓄能電站壓力管道斜井設(shè)計(jì)和施工要求，研究適用于鉆鑿斜井導(dǎo)井的大型反井鉆機(jī)結(jié)構(gòu)體系，保障在斜井上部隧道中有限的空間內(nèi)的快速和精準(zhǔn)安裝，改進(jìn)反井鉆機(jī)的鉆桿扶正器、鉆機(jī)動力頭內(nèi)部主軸扶正器，以及前、后拉桿等輔助設(shè)備，確保反井鉆機(jī)鉆進(jìn)導(dǎo)井的軸線與導(dǎo)孔軸線相同，并提高大型反井鉆機(jī)的施工效率。

4)機(jī)械鉆進(jìn)大直徑斜井的鉆頭結(jié)構(gòu)和鉆頭材料研究。通過對機(jī)械鉆進(jìn)時(shí)鉆頭不同部位的受力特征，研究鉆頭刀盤不同位置滾刀受力和運(yùn)動規(guī)律，研究新型斜井鉆頭結(jié)構(gòu)、鉆頭滾刀布置形式、抗磨蝕滾刀材料、鉆頭整體穩(wěn)定等[16-18]，優(yōu)化機(jī)械破巖鉆進(jìn)參數(shù)，研發(fā)高效破巖、智能糾偏和穩(wěn)定可靠的斜井反井鉆頭。

5)機(jī)械鉆進(jìn)大傾角斜井排渣工藝研究。機(jī)械鉆進(jìn)大傾角斜井時(shí)，破巖體積大，井下鉆具系統(tǒng)多，巖屑的運(yùn)移規(guī)律比豎直井更加復(fù)雜。在導(dǎo)孔鉆進(jìn)過程中，由于巖屑的沉積致使摩阻、轉(zhuǎn)矩增大，導(dǎo)致卡鉆事故[19-20]，尤其以40°～60°傾角的斜井最為嚴(yán)重。因此，亟待研究鉆桿旋轉(zhuǎn)作用下斜井環(huán)空巖屑分布規(guī)律、鉆井泥漿—巖屑兩相流動運(yùn)移規(guī)律，優(yōu)化機(jī)械鉆進(jìn)大傾角斜井鉆進(jìn)參數(shù)，提高機(jī)械鉆進(jìn)大傾角斜井排渣效率。

4 結(jié) 論

1)在地下工程建設(shè)中，大體積機(jī)械破巖能夠解決長期困擾地下工程開挖過程中人員作業(yè)環(huán)境差、施工效率低、安全風(fēng)險(xiǎn)高等工程難題，并協(xié)調(diào)破巖和防止圍巖擾動破壞之間的矛盾，具有廣泛的發(fā)展前景。

2)以定向鉆機(jī)、反井鉆機(jī)和豎井掘進(jìn)機(jī)為核心的井筒機(jī)械化鉆進(jìn)技術(shù)和裝備體系為基礎(chǔ)，提出了以定向鉆機(jī)+反井鉆機(jī)+豎井掘進(jìn)機(jī)為基礎(chǔ)裝備的抽水蓄能電站壓力管道斜井全斷面機(jī)械鉆進(jìn)技術(shù)工藝，能夠控制定向鉆機(jī)鉆孔偏斜率為0.3%～0.5%；反井鉆機(jī)初次擴(kuò)挖，直徑2.5 m；井筒豎井掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行二次擴(kuò)挖，直徑5.8 m；能夠滿足傾角50°～90°、長度小于800 m壓力管道斜井的建設(shè)需求，能夠?qū)崿F(xiàn)長距離、大傾角和大直徑斜井的無人化或少人化的機(jī)械破巖鉆進(jìn)

3)圍繞豎井掘進(jìn)機(jī)鉆進(jìn)斜井中機(jī)械破巖、出渣、支護(hù)平行作業(yè)工藝，凝練出了豎井掘進(jìn)機(jī)定位技術(shù)、豎井掘進(jìn)機(jī)破巖鉆進(jìn)技術(shù)、豎井掘進(jìn)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)移步技術(shù)、臨時(shí)支護(hù)技術(shù)、通風(fēng)排水技術(shù)5項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)；指明了定向機(jī)械鉆進(jìn)長斜井技術(shù)的可行性研究、反井鉆機(jī)擴(kuò)挖大傾角超前導(dǎo)孔精度智能控制技術(shù)研究、大型反井鉆機(jī)裝備的研究、機(jī)械鉆進(jìn)大直徑斜井的鉆頭結(jié)構(gòu)和鉆頭材料研究，以及機(jī)械鉆進(jìn)大傾角斜井排渣工藝研究等5個(gè)主要研究方向。

4)創(chuàng)新非爆破鉆進(jìn)壓力管道斜井施工工藝，研發(fā)適用于抽水蓄能電站壓力管道斜井的豎井掘進(jìn)機(jī)及輔助裝備，完善壓力管道斜井施工的理論、技術(shù)和工藝體系，能夠促進(jìn)抽水蓄能電站的建設(shè)效率和能力提升，并為其他類似地下工程建設(shè)提供新方法，推動建井技術(shù)與裝備的機(jī)械化、無人化、智能化的發(fā)展。