天井鉆機(jī)掘進(jìn)高深天溜井在大紅山鐵礦的應(yīng)用及發(fā)展前景

梁琨鋒 李雪明 楊國(guó)永

（玉溪大紅山礦業(yè)有限公司云南 玉溪 653405）

天井鉆機(jī)掘進(jìn)高深天溜井在大紅山鐵礦的應(yīng)用及發(fā)展前景

梁琨鋒 李雪明 楊國(guó)永

（玉溪大紅山礦業(yè)有限公司云南 玉溪 653405）

本文首先介紹反井鉆機(jī)法與傳統(tǒng)方法施工天溜井的優(yōu)劣比選，結(jié)合大紅山鐵礦二期工程實(shí)際情況，采用BMC300型反井鉆機(jī)結(jié)合吊罐法擴(kuò)刷溜井成井技術(shù)工藝，并在大紅山鐵礦二期溜井成功應(yīng)用。其次介紹天井鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中存在的施工問題預(yù)防、處理，為溜井及天井等豎向工程的施工積累了施工經(jīng)驗(yàn)。最后介紹國(guó)內(nèi)外大直徑天井鉆機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展前景，為大直徑天井鉆機(jī)可在大紅山鐵礦等類似礦山的應(yīng)用值得推廣和借鑒。

天井鉆機(jī)；天溜井；鉆進(jìn)；大直徑；前景

1 引言

近幾年來，國(guó)外各主要制造廠為深部開采和堅(jiān)硬巖石制造了大扭矩、大推力的天井鉆機(jī)。隨著天井鉆機(jī)的進(jìn)步和發(fā)展，天井鉆機(jī)功率已由75kW發(fā)展到750kW，擴(kuò)孔直徑可達(dá)到7.1m，鉆孔深度達(dá)到1500m。目前，Atlas copco的Robbins系列、Wirth公司的HG系列、Tamtock公司Rhino系列天井鉆機(jī)在當(dāng)前市場(chǎng)同類產(chǎn)品中，處于領(lǐng)先地位，在世界各地礦山都得到了廣泛應(yīng)用。隨著我國(guó)鉆機(jī)技術(shù)的研究開發(fā)，目前國(guó)內(nèi)天井鉆機(jī)功率可達(dá)到285kW，擴(kuò)孔直徑可達(dá)到5m，且在國(guó)內(nèi)已應(yīng)用先例，取得良好的效果。昆鋼大紅山鐵礦在Ⅰ號(hào)銅礦帶150萬(wàn)/a采礦工程溜破系統(tǒng)主溜井施工時(shí)，大膽采用反井技術(shù)施工上礦倉(cāng)主溜井，并取得良好的效果，為400萬(wàn)t/a二期工程及二道河礦段100萬(wàn)t/a采礦工程高深天溜井的施工積累寶貴經(jīng)驗(yàn)和奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 二期工程概述

2.1 工程簡(jiǎn)述

大紅山鐵礦深部鐵礦有表內(nèi)儲(chǔ)量2.80億t，主要礦體為Ⅱ1礦組，共有表內(nèi)儲(chǔ)量2.45億t，TFe43.52%，占全礦詳勘表內(nèi)礦量的79.73%，B+C級(jí)儲(chǔ)量1.94億t，TFe43.84%，占詳勘表內(nèi)B+C級(jí)儲(chǔ)量的89.74%，主要階段的階段儲(chǔ)量近5000萬(wàn)t，相當(dāng)于一般的中型鐵礦山儲(chǔ)量，有大規(guī)模開采的條件，首期開拓系統(tǒng)的控制標(biāo)高定為380m水平以上。一期工程于2006年底建成投產(chǎn)后，生產(chǎn)順利，為滿足昆鋼對(duì)鐵礦石的急需，產(chǎn)量提升很快，第二年就超過了設(shè)計(jì)能力，目前產(chǎn)量達(dá)到了500萬(wàn)t/a以上，現(xiàn)在保有地質(zhì)資源/儲(chǔ)量4366.8萬(wàn)t。400m標(biāo)高以下的礦體開拓由已建成的膠帶系統(tǒng)、斜坡道、進(jìn)回風(fēng)系統(tǒng)、輔助盲豎井系統(tǒng)下延控制+50m標(biāo)高以上礦體，于0m水平新建破碎系統(tǒng)，形成深部二期開拓系統(tǒng)，二期采礦工程是一期采礦工程的下延，開采礦體為Ⅱ1礦組的深部，是大紅山鐵礦持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的重要工程，二期采礦工程按美20m布置分段（首采分段為30m），進(jìn)路間距20m。在180m設(shè)集中運(yùn)輸水平，礦（廢）石經(jīng)溜破系統(tǒng)，用膠帶（廢石用箕斗井）運(yùn)送到地表進(jìn)行選礦，作為連接各開采分段的溜井工程就成為二期工程能否按節(jié)點(diǎn)與一期工程順利銜接的關(guān)鍵線路，二期采礦工程共有41條溜井，220m的高溜井達(dá)15條之多，為保證二期溜井安全、優(yōu)質(zhì)、快速的與各開采分段貫通，二期溜井采用反孔鉆機(jī)配合吊罐進(jìn)行施工。

2.2 工程地質(zhì)情況

深部Ⅱ1礦組是大紅山鐵礦品質(zhì)最好，礦量最大的資源，為礦區(qū)最主要的鐵礦帶。Ⅱ1礦組頂板為變鈉質(zhì)熔巖、絹云片巖及Ⅲ1含銅鐵礦體；底板多與輝長(zhǎng)輝綠巖體接觸，南北兩翼多與輝長(zhǎng)輝綠巖、白云石鈉長(zhǎng)石巖接觸，接觸界面清楚，礦體內(nèi)夾石與圍巖巖性一致，為變鈉質(zhì)熔巖，圍巖及夾石平均含TFe17%左右。巖體總的來看屬堅(jiān)硬至半堅(jiān)硬巖類，完整的礦巖強(qiáng)度高，巖性比較好，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體穩(wěn)固，巖石硬度系數(shù)：f=8-10具體情況見表1。

2.3 水文地質(zhì)情況

鐵礦體賦存于大紅山群裂隙含水層中，該含水層主要由變鈉質(zhì)熔巖、凝灰?guī)r、不純的白云石大理巖以及以黑云母、角閃石、綠泥石等為主的各種片巖組成，且有較多的輝長(zhǎng)輝綠巖侵入。裂隙是地下水集存和運(yùn)移的主導(dǎo)條件，富水規(guī)律受巖層裂隙發(fā)育規(guī)律的控制，總的富水規(guī)律是淺強(qiáng)深弱，往深部漸至隔水，從以往的施工和生產(chǎn)情況看，坑道涌水量小于5m3/h，無特殊軟弱地層和溶洞，水文地質(zhì)情況簡(jiǎn)單。

表1 大紅山鐵礦巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果表

3 應(yīng)用、實(shí)踐效果

針對(duì)目前大紅山鐵礦二期采礦工程溜井6-5、5-4等溜井在30m、100m、150m將鉆桿全部拆除，通過測(cè)斜儀進(jìn)行測(cè)量。若發(fā)生少量偏移，可采用變化鉆具組合和變化鉆壓的方法進(jìn)行糾偏；也可采用潛孔馬達(dá)和一個(gè)彎接頭糾偏；還可以采用充填偏斜孔段，重新鉆孔的方法解決。

表2 鉆孔偏斜率計(jì)算表

大紅山鐵礦二期溜井使用BMC300型反井鉆機(jī)直接施工導(dǎo)井，通過對(duì)反井鉆機(jī)在溜井施工中產(chǎn)生偏斜的原因分析與采取的糾偏措施，采用吊罐法擴(kuò)刷成井，成功解決了溜井施工中通風(fēng)、排水，安全隱患大、協(xié)調(diào)困難等難題；大大提高了溜井施工速度，加快了二期采礦工程的建設(shè)進(jìn)度，為今后高溜井、天井等豎向工程施工提供了借鑒作用。

4 天井鉆機(jī)應(yīng)用發(fā)展前景

4.1 天井鉆機(jī)掘進(jìn)技術(shù)展望

天井鉆機(jī)正朝著大、小、深、盲、斜、智能化和兩級(jí)邁步式擴(kuò)孔刀頭的方向發(fā)展。

（1）鉆井直徑不斷增大。國(guó)內(nèi)天井鉆機(jī)的量大鉆井直徑僅為5m，而國(guó)外已達(dá)7.1m。根據(jù)隧道通風(fēng)井和豎井工程的要求，還將發(fā)展更大直徑的天井鉆機(jī)。

（2）鉆機(jī)低矮小巧化。對(duì)于巖石不太穩(wěn)固的礦山，希望鉆機(jī)工作硐室矮，運(yùn)輸巷道斷面小，以減少安全支護(hù)費(fèi)用。國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)的低矮型天井鉆機(jī)的工作高度僅為2.6～2.8m，設(shè)備運(yùn)輸寬度（最?。┎坏?m。

（3）鉆井越來越深。隨著采礦技術(shù)的發(fā)展，有些新出現(xiàn)的先進(jìn)采礦方法往往要求加大中段高度，從而增加了天井的一次掘進(jìn)長(zhǎng)度。尤其是一些需要改造的老礦山，有許多更長(zhǎng)的天井要掘進(jìn)。用普通法極難掘進(jìn)這么長(zhǎng)的天井。我國(guó)天井鉆機(jī)的設(shè)計(jì)鉆進(jìn)深度一般在150～300m，最深的也才600m。國(guó)外天井鉆機(jī)的設(shè)計(jì)鉆進(jìn)深度最深已達(dá)1200m，今后還會(huì)突破。

（4）盲天井鉆機(jī)穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展。盲天井廣泛使用在地下采礦的探礦和開拓中。1967年美國(guó)Calweld公司為新墨西哥鈾礦設(shè)計(jì)了世界首臺(tái)盲天井鉆機(jī)（VTB）。然而直到1983和1984年，成熟的盲天井鉆機(jī)產(chǎn)品——德國(guó)Wirth公司的BHB152型和美國(guó)RobbinsRH型盲天井鉆機(jī)才問世。1985年初，瑞典公司開始研制新一代盲天井鉆機(jī)，印MBM型多用途鉆機(jī)。這種鉆機(jī)取消了傳統(tǒng)的鉆桿，采用邁步移動(dòng)式，印鉆機(jī)進(jìn)入井內(nèi)鉆進(jìn)．并運(yùn)用了計(jì)算機(jī)控制和激光制導(dǎo)等先進(jìn)技術(shù)。我國(guó)于20世紀(jì)90年代中期，成功研制出國(guó)內(nèi)第一代盲天井鉆機(jī)——ATM1200型和ATM15OO型盲天井鉆機(jī)。

（5）鉆進(jìn)傾角越來越小。國(guó)內(nèi)天井鉆機(jī)的鉆進(jìn)角度（與水平線夾角）一般為60～90°，斜天井鉆機(jī)能鉆45°的斜井，而國(guó)外的天井鉆機(jī)大都能鉆45～90°的天井。早在20世紀(jì)70年代，澳大利亞蒙特艾薩銅礦用鉆機(jī)就鉆出傾角56°、深104m的天井，美國(guó)考恩昌加礦鉆成傾角24°、深110m和傾角21.5°、深120m的平緩天井。芬蘭公司生產(chǎn)的1000型鉆機(jī)和日本Koken公司生產(chǎn)BM型鉆機(jī)的鉆進(jìn)角度范圍更大，能鉆0～90°的天井。英吉利海峽兩條海底之間的多條水平聯(lián)絡(luò)巷遭就是用芬蘭的1000E型鉆機(jī)鉆成的。

（6）智能化鉆機(jī)。1983年，瑞典Copco公司采用計(jì)算機(jī)控制的智能式R200天井鉆機(jī)，在加拿大一礦山完成了一條天井鉆進(jìn)試驗(yàn)。智能化鉆機(jī)能根據(jù)巖石的硬度、節(jié)理發(fā)育情況和鉆進(jìn)深度等因素，自動(dòng)調(diào)整鉆機(jī)的推力、拉力、轉(zhuǎn)數(shù)、扭矩、推進(jìn)速度等鉆進(jìn)參數(shù)，使之達(dá)到最優(yōu)鉆進(jìn)參散匹配，得到較高的穿孔速度和鉆具使用壽命。

（7）兩級(jí)邁步式擴(kuò)孔刀頭。兩級(jí)邁步式擴(kuò)孔刀頭是用小型鉆機(jī)鉆大直徑天井的一個(gè)有效途徑。德國(guó)Wirth公司于20世紀(jì)80年代中期，率先研制出兩級(jí)邁步式擴(kuò)孔刀頭，分別在南非和澳大利亞礦山投入使用。用擴(kuò)孔能力4000mm的HG330型天井鉆機(jī)一次鉆出6000mm的天井，取得較好的效果。我國(guó)20世紀(jì)90年代中期開始研制兩級(jí)邁步式擴(kuò)孔刀頭，現(xiàn)已取得階段性成果。

（8）無軌自行式天井鉆機(jī)運(yùn)輸車。我國(guó)大、中型現(xiàn)代化礦山正朝著無軌化方向發(fā)展。鏟運(yùn)機(jī)、鑿巖臺(tái)車、錨桿臺(tái)車、服務(wù)臺(tái)車、井下運(yùn)輸車、拋石充填車和裝藥車等等均已實(shí)現(xiàn)無軌化。目前國(guó)內(nèi)各種天井鉆機(jī)基本上為軌輪式運(yùn)輸或靠其他輔助設(shè)備運(yùn)輸。因此，需要發(fā)展履帶式和輪胎式天井鉆機(jī)自行運(yùn)輸車，以適應(yīng)現(xiàn)代化礦山的發(fā)展方向。

4.2 在大紅山鐵礦應(yīng)用前景

即將建設(shè)的二道河工程井下兩條220m長(zhǎng)的回風(fēng)井、3條回風(fēng)斜井、12條溜井，部分溜井高度達(dá)到300m以上。二期、二道河溜井施工，可采用直接鉆進(jìn)成3m溜井，人員無需進(jìn)入溜井作業(yè)，保證施工安全，提高了掘進(jìn)效率，且鉆井對(duì)于圍巖穩(wěn)定性基本無破壞，可以減少溜井的支護(hù)工程量，減少支護(hù)費(fèi)用，降低成本。

隨著工業(yè)的進(jìn)步和技術(shù)的不斷創(chuàng)新，大直徑天井鉆機(jī)的研究和發(fā)展，大直徑天井鉆機(jī)制造技術(shù)得到提供，設(shè)備成本有所降低，在掘進(jìn)天溜井應(yīng)用必將越來越廣泛。國(guó)內(nèi)大直徑天井鉆機(jī)研究和開發(fā)，其它礦山的應(yīng)用和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，必將能使國(guó)內(nèi)大直徑天井鉆機(jī)掘進(jìn)天溜井技術(shù)得到長(zhǎng)足的進(jìn)步。因此，大直徑天井鉆機(jī)在大紅山鐵礦應(yīng)用是必然的，這也是發(fā)展趨勢(shì)。

[1]謝長(zhǎng)標(biāo)、汪炳昌.國(guó)外大直徑天井鉆機(jī)現(xiàn)狀[J].采礦技術(shù)，2010（09）.

[2]采礦手冊(cè)編委會(huì).《采礦手冊(cè)》（第二卷）[M].工業(yè)出版社出版，1990（12）.

李雪明（1972.4-），男，采礦高級(jí)工程師，研究生，主要從事礦山管理工作。

P634.3+1

A

1004-7344（2016）16-0151-02

2016-4-10

梁琨鋒（1987-），男，助理工程師，本科，主要從事采礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作。