一种缓坡斜井开挖施工设备.pdf

本实用新型公开了一种长距离缓坡斜井开挖施工设备。包括钻机平台、与钻机平台铰接的主机、主机驱动的钻杆、主机支撑斜撑杆、钻杆吊机和钻机固定基础平台，基础平台承载平面与水平面成大于0度、小于20度夹角，钻机平台通过地脚螺栓与基础平台联接固定；主机支撑斜撑杆长度可调节；钻机吊杆长度可调节；钻杆包括稳定钻杆。本实用新型将反井钻机施工角度降低到45度或以下，同时有效节约施工工期；同时本实用新型反井钻机适应在倾斜状态下施工各受力件的稳定均衡及钻进时更好地利用钻机力矩，改进了斜井钻进的倾斜控制能力，采用该方式进行斜井开挖，导孔开挖进度约5.7m/天，导井扩挖进度约8m/天。

权利要求书
1.  一种缓坡斜井开挖施工设备，包括钻机平台、与钻机平台铰接的主机、主机驱动的钻杆、主机支撑斜撑杆、钻杆吊机和钻机固定基础平台，其特征是：所述基础平台承载平面与水平面成大于0度、小于20度夹角，钻机平台通过地脚螺栓与基础平台联接固定；主机支撑斜撑杆长度可调节，钻杆与水平面的夹角与开挖斜井与水平面的夹角相同；钻机吊杆长度可调节；钻杆包括稳定钻杆，所述稳定钻杆外周表面沿钻杆轴向均匀间隔设置有4条钢肋板。

2.  根据权利要求1所述的缓坡斜井开挖施工设备，其特征是：所述基础平台是现浇混凝土平台，平台厚度大于1米，平台承载平面设置钻机固定位和平台固定钢筋。

3.  根据权利要求2所述的缓坡斜井开挖施工设备，其特征是：所述基础平台承载平面与水平面成18度夹角。

4.  根据权利要求2所述的缓坡斜井开挖施工设备，其特征是：所述基础平台中部设置有两个用于固定反井钻机的地脚螺栓预留孔。

说明书一种缓坡斜井开挖施工设备
技术领域
本实用新型属于地下洞室缓坡斜井开挖施工技术领域，尤其涉及水利水电工程缓坡斜井开挖施工技术领域，特别涉及长距离缓坡斜井开挖施工设备。
背景技术
反井钻机工艺是通过钻机的电机带动液压马达，液压马达驱动水龙头，并利用液压动力将扭矩传递给钻具系统，带动钻杆及钻头旋转，导孔钻头或扩孔钻头上的滚刀在钻压的作用下，沿井底岩石工作面做纯滚动或微量滑移。同时主机油缸产生的轴向拉、压力，也通过动力头、钻杆作用在导孔钻头或扩孔钻头上，使导孔钻头的滚刀在钻压作用下滚动，产生冲击荷载，使滚刀齿对岩石产生冲击、挤压和剪切作用，破碎岩石。
在地下洞室斜井开挖施工中常常采用反井钻机，但受钻机钻进受力，倾斜导孔纠偏等控制技术限制，反井钻机常规施工斜井角度为60度至90度，目前尚无小于45度施工的先例，且斜井的长度较长，如达到200m长度是国产LM200型反井钻机施工长度的极限，因此需要研究开发一种适应小倾角，长距离斜井的反井开挖装置及其施工工艺。
发明内容
本实用新型根据现有技术不足公开了一种长距离缓坡斜井开挖施工方法及其设备。本实用新型要解决的问题是首先提供一种适应小于45度倾斜 角的斜井开挖反井钻机，其次是提供一种适应小于45度倾斜角的斜井开挖控制工艺。
本实用新型通过以下技术方案实现：
缓坡斜井开挖施工设备，包括钻机平台、与钻机平台铰接的主机、主机驱动的钻杆、主机支撑斜撑杆、钻杆吊机和钻机固定基础平台，其特征是：所述基础平台承载平面与水平面成大于0度、小于20度夹角，钻机平台通过地脚螺栓与基础平台联接固定；主机支撑斜撑长度可调节，钻杆与水平面的夹角与开挖斜井与水平面的夹角相同；钻机吊杆长度可调节；钻杆包括稳定钻杆，所述稳定钻杆外周表面沿钻杆轴向均匀间隔设置有4条钢肋板。
所述基础平台是现浇混凝土平台，平台厚度大于1米，平台承载平面设置钻机固定位和平台固定钢筋。
所述基础平台承载平面与水平面成18度夹角。
所述基础平台中部设置有两个地脚螺栓预留孔，用于后期固定反井钻机。
缓坡斜井开挖施工设备的应用工艺，斜井开挖工艺包括以反井钻机进行的斜井开挖施工工艺，所述开挖斜井与水平面的夹角为40至45度，施工工艺包括钻机设置和钻井控制；
钻机设置，钻机固定在基础平台上，基础平台为现浇混凝土平台，基础平台承载平面与水平面成大于0度、小于20度夹角，钻机通过地脚螺栓与基础平台联接固定；钻机的钻杆和主机上部通过可调节长度的斜撑杆支 撑固定，下部与钻机铰接固定，钻杆与水平面的夹角与斜井与水平面的夹角相同；钻机的吊杆长度可调节；钻杆包括稳定钻杆，所述稳定钻杆外周表面沿钻杆轴向均匀间隔设置有4条钢肋板；
钻井控制，钻井包括斜井导孔施工、扩孔施工和全断面正向扩挖；斜井导孔施工钻井前10m使用稳定钻杆；钻井10～30m调整为3根普通钻杆配合1根稳定钻杆，并安装扶正器，钻速为平均3～4h钻进1m；30～80m每隔20m设1根稳定钻杆，钻速为平均2～3h钻进1m；80m后不设置稳定钻杆；导孔施工中导孔纠偏包括钻机定位预留下沉量、加快钻进为1.5h钻进1m，同时减少主泵供水。
上述斜井与水平面的夹角为45度时，基础平台承载平面与水平面成18度夹角。
本实用新型工艺及其设备的优点：本实用新型将反井钻机施工角度降低到45度或以下，节约采用常规正向梭式矿车开挖方法耗用的施工成本，同时有效节约施工工期；同时本实用新型反井钻机适应在倾斜状态下施工各受力件的稳定均衡及钻进时更好地利用钻机力矩，改进了斜井钻进的倾斜控制能力，采用该方式进行斜井开挖，导孔开挖进度约5.7m/天，导井扩挖进度约8m/天；另外，通过对反井钻机钻杆改进及施工过程中的控制，确保斜井开挖精度满足要求，缩小偏差在1％内。
附图说明
图1是本实用新型设备施工状态布置结构示意图；
图2是本实用新型设备基础平台平面结构示意图；
图3是本实用新型设备基础平台施工状态截面结构示意图；
图4是本实用新型设备钻杆吊机示意图；
图5是本实用新型设备稳定钻杆横截面结构示意图；
图6是常规钻机施工状态示意图。
图中，1主机，2是钻杆，2a是钢肋板，3是钻机平台，4是基础平台，4a是固定地脚螺栓孔，4b是平台固定钢筋，4c是钻机固定位，5是斜撑杆，6是吊杆，6a是调节丝杆，7是水平面。
具体实施方式
下面通过实施例对本实用新型进行具体的描述，实施例只用于对本实用新型进行进一步的说明，但不能理解为对本实用新型保护范围的限制，本领域的技术人员根据上述本实用新型的内容作出的一些非本质的改进和调整也属于本实用新型保护的范围。
结合图1至图6。
斜井开挖施工设备，包括钻机平台3、与钻机平台3铰接的主机1、主机1驱动的钻杆2、主机1支撑斜撑杆5、钻杆吊机6和钻机固定基础平台4，基础平台4承载平面与水平面7成大于0度、小于20度夹角，钻机平台3通过地脚螺栓与基础平台4联接固定；主机1支撑斜撑杆5长度可调节，钻杆2与水平面7的夹角与开挖斜井与水平面7的夹角相同；钻机吊杆6长度可调节；钻杆2包括稳定钻杆，所述稳定钻杆外周表面沿钻杆2轴向均匀间隔设置有4条钢肋板2a。
本实用新型基础平台4是预制水泥平台，平台厚度大于1米，平台承 载平面设置钻机固定位4c和平台固定钢筋4b。
在斜井与水平面7夹角为45度时，基础平台4承载平面与水平面7成18度夹角。
基础平台中部设置有两个地脚螺栓预留孔4c，用于固定反井钻机。
斜井开挖施工工艺以反井钻机进行的斜井开挖，本实用新型工艺适应开挖斜井与水平面7的夹角小于等于45度的斜井，施工工艺包括钻机设置和钻井控制。
钻机设置如前述钻机设备。
钻井控制，钻井包括斜井导孔施工、扩孔施工和全断面正向扩挖；斜井导孔施工钻井前10m使用稳定钻杆；钻井10～30m调整为3根普通钻杆配合1根稳定钻杆，并安装扶正器，钻速为平均3～4h钻进1m；30～80m每隔20m设1根稳定钻杆，钻速为平均2～3h钻进1m；80m后不设置稳定钻杆；导孔施工中导孔纠偏包括钻机定位预留下沉量、加快钻进为1.5h钻进1m、减少主泵供水工艺。
本实施例以开挖倾斜角为45度的斜井为例详细说明。
反井钻机改造：
图6为反井钻机水平倾角90度即竖井施工工况的示意图，从示意图中可以看出钻杆2与地面的水平倾角主要由斜撑杆5调节，常规施工中反井钻机水平倾角受斜撑杆5可调范围限制，只能将倾角在60度～90度范围调节，为满足45度及其小于45度倾角需对斜撑杆5合基础平台进行改造。
本实用新型采用倾斜的基础平台4与可调节斜撑杆5配合实现斜井开 挖。在反井开挖施工中，主机轴向(钻杆2钻进方向)与基础平台1之间的夹角涉及整体钻机的受力，影响设备的平衡和钻进效率及其各技术参数的控制，当夹角较小时，受力情况不能满足钻进及其控制需要，对基础平台4改造后，进一步改进主机1与吊杆6结构，并将斜撑杆5结构设置为可调节。如图1所示钻进主机1与斜井开挖方向角度增加，在不改变斜撑杆5长度的情况下，依然可以将主机1钻进角度控制在60°范围以下，很好地改进了整体设备的相对受力环境，钻进与斜井钻进方向大角度相交，提高了钻进效率，钻进控制条件得到提高。
本实用新型吊杆6为采用双向可调节丝杆，吊杆6可以伸缩自如，调节长度变化幅度增加。
斜井钻孔过程中的控制：
如图1、图5所示，斜井的钻孔过程中采用稳定钻杆，与普通钻杆相比，稳定钻杆周边均匀焊接了4条3cm长的钢肋板2a，钢肋板2a能稳定导向，防止随钻孔深度的增加，钻杆2因旋转产生过大的弯曲和摆幅，同时有效减少钻杆2与孔壁的接触磨损。采用钻杆2分布是：开钻前10m全部使用稳定钻杆；10～30m调整为3根普通钻杆设1根稳定钻杆，并安装扶正器以保证钻孔的开孔质量，钻速为平均3～4h钻进1m；30～80m每隔20m设1根稳定钻杆，钻速为平均2～3h钻进1m。
施工中最重要的为导孔的纠偏工作。在导孔施工中，钻机定位时，其定位夹角为45°30′，预留30′下沉量。钻进20m时倾角基本未变，钻进至约100m时下倾角约为44°，偏斜值1°。此时，主要采取以下纠偏措施： 加快钻进速度，钻速为1.5h左右钻进1m；减少主泵供水量，使导孔内水压降低，残留的少量岩屑以利于将钻头向上托起；减少稳定钻杆，80m以后未设备稳定钻杆。
斜井施工具体程序：
钻机改造，基础混凝土浇筑，钻安装及调试，导孔施工，扩孔施工，钻机拆除，全断面正向扩挖。
一、主要施工方法
(1)钻机改造
钻机改造方案如图1所示，现场安装。
(2)基础平台混凝土浇筑
基础结构如图1、图2、图3所示，钻机安装前反井钻机基础浇筑完成，现场施工由测量人员采用全站仪精确定位。
(3)钻机安装及调试
1)安装斜井装置底板和钻机的吊装就位按照钻孔中心点的十字记号线方向放置反井钻机装置底板，然后将主机1运进洞内，通过洞顶的吊装锚杆将主机1吊起，对好位拧紧连接螺栓，使主机1和底板成为一体，再装上后支撑拉杆稳定钻机。
2)钻机定位及角度调节
这一环节直接关系着斜井导孔的偏斜度，步骤为:
①调整钻机方位角和垂直度
先用后支撑拉杆将钻机顶起，目测前后方向与地面大致垂直；然后调 整钻机左右方向与地面垂直。一般采用线垂测量法，在钻架的左右两边，各悬挂一长2m的线垂，通过在底板下方垫置斜铁等办法调整垂直度，允许偏差0.5‰，完毕后再用全站仪测量钻机的方位角，确定无误后即可装上底脚螺栓进行基础二次混凝土浇筑。
②调整钻机倾斜角
待反井钻机基础二次混凝土达到强度后，通过斜撑杆5的伸缩调节钻机的倾斜角，经过计算调整好钻机倾角，锁紧螺母，然后用电焊将钻机与装置底板的几个铰接点焊住，防止在施工过程中后支撑拉杆松动钻机发生移动，以确保导孔施工精度。
(4)导孔施工
1)钻进参数
根据工程压力管道斜井及排风竖井施工总结的施工成果，钻进参数如下；45度斜井初拟钻进参数
钻进位置或岩石条件钻压(KN)钻速(rpm)钻速(m/h)导孔开孔50100.1钻透前50～70200.1灰岩15～25200.2
2)开孔钻进
首先对钻杆2进行改造，加工稳定钻杆。稳定钻杆与普通钻杆相比，稳定钻杆周边均匀焊接了4条3cm长的钢肋板2a，其作用是导向，防止随钻孔深度的增加，钻杆2因旋转产生过大的弯曲和摆幅，同时有效减少钻 杆2与孔壁的接触磨损。
钻杆分布：开钻前10m全部使用稳定钻杆；10～30m调整为3根普通钻杆设1根稳定钻杆，并安装扶正器以保证钻孔的开孔质量，钻速为平均3～4h钻进1m；30～80m每隔20m设1根稳定钻杆，钻速为平均2～3h钻进1m；80m后未设置稳定钻杆。
(5)扩孔施工
1)对接扩孔钻头
钻头对接前将导孔透孔部位进行扩挖，形成对接小平台，用手拉葫芦将扩挖钻头提升到小平台进行对接，具体操作：
①放下钻杆，对接钻头
将扩孔钻头放到斜井下部与下平段交接处，放下钻杆对接。
②扩孔钻头提升
提升时采用小油泵，计算钻杆及钻头重量，设定油泵压力，提升时不转动钻杆，超过设定压力后慢速转动，顺利将扩孔钻头提升到反导洞顶部。
2)扩孔钻进
扩孔钻进相对于前面的工序简单，岩石较硬，平均每米进尺按照用时5～8h控制。
(6)钻机拆除
将扩挖钻头卡固在钢轨上，拆掉钻机的斜撑杆及各种油管，吊出主机，然后再将反扩钻头取出。
(7)全断面正向扩挖
1)施工前采用钢筋、钢管制作简易人行爬梯，提供斜井人员、设备施工通道。
2)为减少开挖后人工扒渣的工程量及难度，在导井区域首先形成一个“漏斗区”,尽量让渣料滚入井内，漏斗区直径约为3.0m，深度约为1.5m，开挖完成后立即将渣料通过导井清除，并启动全断面开挖爆破钻孔。
3)为严格控制渣料粒径，防止堵井，需严格控制爆破孔深度和间距，通过爆破试验总结，爆破孔间距和抵抗线均为60cm左右。
4)通过爆破试验研究，采用高延时爆破工艺有助于漏斗区渣料充分溜入导井内，减少因大体积渣料爆破可能造成的堵井风险及减少扒渣的体积。严格控制爆破的孔距及排距按照爆破设计要求进行施工，孔深利用测量进行精确控制，尽量减少底部因开挖造成不平整，导致后续扒渣工作难度加大。
5)采用人工进行扒渣工作，制作简易溜渣槽进行扒渣，减少扒渣的水平距离，提高施工效率。