大直徑暗立井反井一次成井施工技術(shù)

荊國業(yè)

(1.天地科技建井研究院，北京 100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；3.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

暗立井又稱盲豎井、盲立井，是地下工程連接不同水平巷道的，不與地面直接相通的直立巷道，在礦山、水電站等領(lǐng)域的地下工程建設(shè)中，暗立井是必不可少的重要組成部分，其用途同立井。煤礦中根據(jù)其所擔(dān)負(fù)的任務(wù)不同可分為主暗立井(下一水平的煤炭提升井)、副暗立井(下水平的矸石提升、物料及人員的升降等)、溜煤井、煤倉等設(shè)施。安全、經(jīng)濟(jì)、快速的施工，對實(shí)現(xiàn)礦山均衡生產(chǎn)具有重要意義。目前，立井井筒施工中機(jī)械化配套水平普遍較高，但立井施工裝備多而復(fù)雜，暗立井尤其是大直徑暗立井在井下施工時，受場地、設(shè)備運(yùn)輸限制，機(jī)械化水平較低。大直徑暗立井采用的施工方法主要有普通鑿井法、反井溜渣再刷擴(kuò)施工法。普通鑿井施工時，提升系統(tǒng)安裝不同于地面提升系統(tǒng)安裝，所有設(shè)備都布置在井下巷道和硐室中，空間小，運(yùn)輸不方便，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作量大，施工效率比較低，施工月進(jìn)度只有30 m左右。目前常用的反井鉆機(jī)在井下只能鉆鑿直徑不大于1.4 m的溜渣孔，雖然解決了溜渣孔施工的安全問題，但爆破刷大的安全問題依然存在。尤其在井下相對封閉的空間里，消耗炸藥向空氣中排放大量的有毒氣體和大量粉塵，反井和人工刷大結(jié)合，月最高進(jìn)尺達(dá)到成井55 m，平均月進(jìn)尺45 m，效率依然較低。因此需要研究安全、效率高、排放少的大直徑暗立井施工新技術(shù)及裝備，本文提出反井鉆機(jī)一次鉆成大直徑暗立井工藝，鉆孔直徑2.0～5.0 m，巖性從以沉積巖為主的煤礦軟巖地層(普氏系數(shù)f<8)，到水電、交通的火成巖及鐵礦的高強(qiáng)度變質(zhì)巖(f>20)，解決了大直徑暗立井施工效率低的問題[1-2]。

1 施工技術(shù)

大直徑暗立井反井一次成井施工工藝包括：施工設(shè)備選型、鉆機(jī)場地布置及基礎(chǔ)施工、設(shè)備井下運(yùn)輸及安裝、導(dǎo)孔鉆進(jìn)、擴(kuò)孔鉆進(jìn)和設(shè)備撤場六個階段。

1.1 施工設(shè)備選型

反井施工選擇反井鉆機(jī)時主要考慮井筒深度、直徑和巖石條件，而暗立井施工時還要考慮設(shè)備的重量、尺寸、起吊點(diǎn)等因素。

大直徑反井施工設(shè)備重量及尺寸必然比較大，受井下運(yùn)輸設(shè)備承載能力及巷道轉(zhuǎn)彎半徑等限制，大型反井鉆機(jī)的選型要優(yōu)先考慮模塊化設(shè)計(jì)的反井鉆機(jī)，在需要拆開分散運(yùn)輸時能夠?qū)崿F(xiàn)快速分拆和組裝，且不影響施工精度。根據(jù)大直徑反井一次擴(kuò)孔成井破巖需求，通常需要BMC400及以上型號的反井鉆機(jī)。國內(nèi)最大的BMC600型反井鉆機(jī)[3-4]，配套直徑327 mm鋸齒形螺紋接頭鉆桿，在擴(kuò)孔時最大可以輸出7 000 kN拉力和450 kN·m扭矩，應(yīng)用在煤礦中硬巖層(巖石單軸抗壓強(qiáng)度<120 MPa)，鉆鑿直徑5 m，深度600 m的豎井。其運(yùn)輸巷道中間高度不能低于3.5 m，主機(jī)重量超過26 t，最大不可拆部件達(dá)到12 t。BMC400反井鉆機(jī)最大不可拆部件可以降至6 t，能夠滿大部分礦井運(yùn)輸能力，可以施工3.5 m左右軟巖井筒，具體直徑井筒施工設(shè)備選型還需要根據(jù)地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)整。

暗立井通常位于巷道的盡頭，施工地點(diǎn)位于獨(dú)頭巷道尾部，通風(fēng)冷卻效果較差，設(shè)備的冷卻需要采取外部循環(huán)水進(jìn)行冷卻，齒輪箱也需要強(qiáng)制循環(huán)潤滑，可以加快動力頭散熱。

1.2 鉆機(jī)場地布置及設(shè)備基礎(chǔ)

根據(jù)施工硐室及連接巷道的實(shí)際情況，通常采用兩種場地布置方式：一種是窄長場地，如圖1(a)所示，將泥漿池和沉淀池布置在鉆機(jī)兩側(cè)，設(shè)備則在硐室外的巷道里沿直線靠側(cè)幫布置，此布置可以減小硐室的暴露面積，適用于煤礦等地質(zhì)條件較差支護(hù)成本較高的現(xiàn)場；一種是寬短場地，如圖1(b)所示，設(shè)備布置在反井鉆機(jī)的周邊，泥漿池則遠(yuǎn)離井筒中心，此布置與地面布置相似，既能減小液壓管路的壓力損失，充分發(fā)揮反井鉆機(jī)的性能優(yōu)勢，且鉆井泥漿槽較長，有利于攜帶導(dǎo)孔鉆進(jìn)巖屑的洗井液(泥漿)流動沉淀。

圖1 井下施工場地布置圖

為確保施工安全，大直徑井筒反井?dāng)U孔時反井鉆機(jī)的基礎(chǔ)鋼梁通常不小于井筒直徑的2倍，若5 m大直徑立井施工其鋼梁長達(dá)10 m，在井下有限空間難以運(yùn)輸，增加了井底布置難度，采用分段連接鋼梁，可以減小運(yùn)輸難度。鋼梁連接的基礎(chǔ)則針對不同巖體進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)試驗(yàn)和分析，在水電站等巖石完整性好、抗壓強(qiáng)度高的暗立井工程中，根據(jù)彈性梁理論，利用地錨等結(jié)構(gòu)將鋼梁與巖層緊密連接，共同作用，基礎(chǔ)鋼梁可以適當(dāng)縮短。通過計(jì)算上部承載條件下，擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔至地面時，驗(yàn)算裸露井幫的穩(wěn)定性，減小反井鉆機(jī)基礎(chǔ)尺寸。在煤礦等施工場地巖石破碎或巖石硬度達(dá)不到要求時，則需要挖出基礎(chǔ)坑，再用C20以上水泥混凝土澆筑成鉆機(jī)安裝基礎(chǔ)。

1.3 設(shè)備井下運(yùn)輸及安裝

設(shè)備在井下運(yùn)輸通常采用有軌電車或重載卡車，而大型反井鉆機(jī)可以采用履帶底盤在井下運(yùn)輸。在井下履帶運(yùn)輸具有如下特點(diǎn)：①承載能力強(qiáng)，能夠滿足井下大型設(shè)備運(yùn)輸要求；②底盤低，其高度通常能夠控制在800 mm高度范圍內(nèi)，有效地降低了運(yùn)輸高度；③轉(zhuǎn)彎半徑小，自帶動力的履帶可以在井下原地掉頭，方便設(shè)備轉(zhuǎn)場與安裝；④不用鋪設(shè)軌道，可以在井下自由通行；⑤氣動或柴油機(jī)驅(qū)動履帶底盤，可以通過有線或無線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控，在停電時亦可緊急撤離。

大型反井鉆機(jī)包括主機(jī)系統(tǒng)、鉆具系統(tǒng)、液壓泵站、操作臺等部件。這些部件重量和體積都比較大(主機(jī)達(dá)25.2 t)，需要采用靈活的中型提吊設(shè)備才能準(zhǔn)確安裝，由于井下施工硐室尺寸限制現(xiàn)有成型起重設(shè)備難以進(jìn)入到工作面作業(yè)，鉆機(jī)主機(jī)和配套裝備將難以安裝，該技術(shù)結(jié)合反井設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和井下錨索起吊的能力，完成了一套完整的井下大型設(shè)備吊裝方案。在硐頂安裝多組吊運(yùn)錨索，每組提吊系統(tǒng)根據(jù)位置不同，由不同根提吊錨索和組合錨盤連接而成。并在施工前對所有起吊用的錨索尤其主起吊點(diǎn)錨索用錨桿拉力計(jì)張緊，使各根錨索均勻受力，預(yù)防錨索受力后逐根脫落發(fā)生安全事故。

利用現(xiàn)場條件分別將主機(jī)、泵站、操作臺、控制開關(guān)等安裝到相應(yīng)位置，確保主機(jī)安裝精度達(dá)到1 cm內(nèi)，滿足井筒位置及偏斜對設(shè)備安裝的要求。

1.4 導(dǎo)孔鉆進(jìn)

導(dǎo)孔施工是反井鉆機(jī)施工的重要工序。導(dǎo)孔主要作用是下放鉆桿，為傳遞動力到擴(kuò)孔鉆頭的鉆桿提供通道，對擴(kuò)孔鉆進(jìn)進(jìn)行導(dǎo)向。偏斜率小井壁質(zhì)量好的導(dǎo)孔不僅能夠減輕鉆具的疲勞損傷，安全快速擴(kuò)孔，而且有利于后期井壁支護(hù)時罐籠的上下行走。

導(dǎo)孔施工采用小直徑導(dǎo)孔鉆頭(多采用三牙輪鉆頭)從上向下鉆進(jìn)，用清水或泥漿作循環(huán)洗井液，將破碎的巖渣從環(huán)形空間沖至地面。在較深的暗立井中，破碎地層塌孔及泥漿漏失等較容易引發(fā)卡鉆等事故。導(dǎo)孔施工需要根據(jù)實(shí)際情況采用具體措施，確保導(dǎo)孔順利貫通，透孔點(diǎn)偏斜率不超過1%。這些措施包括：選擇和地層相適應(yīng)的三牙輪鉆頭，提高開孔精度，合理布置穩(wěn)定鉆桿，嚴(yán)格控制鉆進(jìn)參數(shù)。同時要求操作人員提高責(zé)任心，隨時觀察洗井液泥漿流量和巖屑上返情況，判斷地層地質(zhì)狀況，并作詳細(xì)記錄，確保井底沖洗干凈，巖渣無重復(fù)破碎。

1.5 擴(kuò)孔鉆進(jìn)

自下而上反向擴(kuò)孔施工是反井施工的核心工序。巖石在滾壓破碎后，靠自重迅速剝離工作面落至下部巷道，減少巖渣的重復(fù)破碎，實(shí)現(xiàn)了高效機(jī)械破巖鉆進(jìn)。

大直徑刀盤直徑通常會大于運(yùn)輸巷道的寬度，整體鉆頭不能適應(yīng)大直徑暗立井施工要求，需要采用拼接式鉆頭，將中心管和鉆頭體各部分分解運(yùn)至井下工作面后，利用合適吊點(diǎn)快速拼裝成直徑2.0～5.0 m的擴(kuò)孔鉆頭。拼接式鉆頭有效地減小了擴(kuò)孔鉆頭單體部件最小寬度和重量，方便運(yùn)輸。但采用拼接式鉆頭井下硐室必須在鉆頭周邊留出拼接鉆頭的安全空間。

大直徑擴(kuò)孔鉆頭外圈滾刀轉(zhuǎn)速快，破巖面上線速度大，對滾刀的沖擊相應(yīng)增大，縮短了滾刀使用壽命。國內(nèi)相關(guān)研究人員針對大直徑鉆頭滾刀失效原因，相繼開發(fā)了人造金剛石涂層碳化鎢硬質(zhì)合金鉆齒、雙金屬復(fù)合離心鑄造的滾刀刀殼、礦用深井破巖滾刀恒壓復(fù)合密封等技術(shù)，分別解決了滾刀鉆齒耐磨性，滾刀刀殼耐磨性和滾刀的密封，使?jié)L刀使用壽命在軟巖中超過1 500 m，硬巖超過500 m，確保鉆頭能一次擴(kuò)透，避免了井下更換滾刀帶來的風(fēng)險(xiǎn)[5]。

由于暗立井完全在井下施工，通風(fēng)效果較差。在擴(kuò)孔時，巖石破碎后帶有大量巖粉，造成下部巷道粉塵量大，因此需要采取降塵措施。在下硐室兩端出渣處各設(shè)置一到兩道降塵水幕，能夠有效改善下部工作環(huán)境。

大直徑擴(kuò)孔鉆頭在鉆頭體受力不對稱時，中心管的彎矩比較大，會加速中心管連接螺紋的疲勞斷裂。在向上開孔滾刀部分接觸下水平頂板時，低壓慢速磨平接觸面，待鉆頭完全進(jìn)入巖層后，方可進(jìn)入正常擴(kuò)孔階段。在遇到破碎帶或巖石變層時要減小破巖鉆壓，低壓慢速通過。通過大量的大直徑反井實(shí)踐，逐步積累了大直徑反井?dāng)U孔鉆進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)鉆進(jìn)壓力、旋轉(zhuǎn)扭矩、鉆頭轉(zhuǎn)速和破巖進(jìn)尺等參數(shù)的合理匹配，提高鉆進(jìn)效率，減小滾刀磨損，實(shí)現(xiàn)大直徑反井安全高效擴(kuò)孔。

在對照組治療方案的基礎(chǔ)上，再予杞竹地黃丸治療，藥物組成：枸杞子15 g，淡竹葉9 g，生地黃12 g，山茱萸20 g，牡丹皮10 g，山藥15 g，澤瀉9 g，茯苓15 g，女貞子12 g，旱蓮草12 g，知母6 g，麥門冬15 g，甘草梢6 g，1劑/d，水煎200 mL，分早晚2次口服。治療1個月為1個療程，共1個療程。

1.6 設(shè)備撤場

反井?dāng)U孔鉆頭通常從上水平提出井筒，但大直徑暗立井在透孔后，由于上水平面設(shè)備較多空間有限，可以從下水平面卸掉擴(kuò)孔鉆頭，將鉆桿從上水平面提出，撤至地面。在鉆機(jī)放倒之后按照從外往里逐步撤出。在撤出設(shè)備時，擴(kuò)透的大直徑井筒井口要做好防護(hù)，防止安全事故發(fā)生。

2 應(yīng)用實(shí)例

近年，國內(nèi)在煤礦、冶金、非金屬礦山和水電等領(lǐng)域施工了大量的大直徑暗立井反井工程，各行業(yè)典型反井鉆機(jī)施工的暗立井井筒，見表1。其中貴州開磷沙壩土礦南翼回風(fēng)井工程和金沙江白鶴灘水電站左右岸排風(fēng)豎井工程是暗立井反井一次成井施工的經(jīng)典工程。

表1 國內(nèi)各行業(yè)典型反井鉆機(jī)施工暗立井井筒一覽表

貴州開磷集團(tuán)沙壩土礦南翼回風(fēng)井工程屬貴州開磷集團(tuán)沙壩土礦與馬路坪礦的共用通風(fēng)井。該井筒直徑5 m，深度156 m。開磷集團(tuán)為亞洲最大的磷礦開采及深加工企業(yè)，每年井下反井工程量近5 000 m，過去主要采用小型反井鉆機(jī)施工Φ1.4 m反井，然后再爆破刷大至3～5 m，采用大直徑反井鉆機(jī)直接擴(kuò)孔至設(shè)計(jì)直徑，加快了施工速度，減輕了工人勞動強(qiáng)度，提高了作業(yè)安全程度。該工程是國內(nèi)第一次井下采用反井鉆機(jī)直接擴(kuò)Φ5 m井筒，也是我國地下工程中采用反井鉆一次成井施工的最大直徑的暗立井工程，實(shí)現(xiàn)了大直徑反井鉆機(jī)鉆井技術(shù)的重大突破。

白鶴灘水電站是金沙江下游干流河段梯級開發(fā)的第二個梯級電站，電站建成后，將僅次于三峽水電站成為中國第二大水電站。左右岸施工排風(fēng)洞群為左右岸地下廠區(qū)施工期通風(fēng)的綜合系統(tǒng)。為解決地下洞室群前期施工通風(fēng)散煙問題，排風(fēng)洞施工工期較短。根據(jù)各通風(fēng)井設(shè)計(jì)參數(shù)和地質(zhì)條件，采用BMC600型反井鉆機(jī)掘進(jìn)，一次擴(kuò)孔3.5 m成井，矸石從主洞內(nèi)運(yùn)走，實(shí)現(xiàn)安全、快速、優(yōu)質(zhì)為目的。成井后進(jìn)行鎖口施工，根據(jù)巖石情況選擇支護(hù)方式，安裝通風(fēng)設(shè)備后即可使用。

3 社會效益與經(jīng)濟(jì)效益

3.1 社會效益

大直徑暗立井反井施工技術(shù)的成功應(yīng)用，填補(bǔ)了國內(nèi)大型反井鉆機(jī)井下施工的空白，滿足國內(nèi)水電站、抽水蓄能電站等堅(jiān)硬巖石井筒建設(shè)技術(shù)發(fā)展需要，同時隨著在水電、冶金、礦業(yè)開采，以及軍事工程方面有重要意義。

1) 反井鉆井廣泛應(yīng)用于煤礦風(fēng)井和其它地下工程井筒工程，其技術(shù)科技含量高，施工條件、設(shè)備配套要求簡單，施工安全可靠，工作人員勞動強(qiáng)度低，不受瓦斯、粉塵、淋水等傷害。

3) 反井鉆井工藝取消了普通排水、通風(fēng)、排矸等設(shè)備，大大降低了設(shè)備資金的投入和材料的消耗，從安全管理角度上降低了設(shè)備事故率和許多不安全因素。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

采用反井鉆機(jī)直接施工大直徑暗立井，直接經(jīng)濟(jì)效益明顯。以某煤礦直徑3.5 m風(fēng)井，深度122 m暗風(fēng)井為例，采用普通鉆爆法施工，掘進(jìn)與支護(hù)綜合延米單價約29 000元，工期約95 d。采用小型反井鉆機(jī)鉆進(jìn)1.4 m的溜渣井，每延米單價約3 800元，工期19 d。爆破刷大至3.5 m后，錨網(wǎng)噴支護(hù)厚度150 mm，每延米單價約14 500元，工期48 d，整個暗風(fēng)井綜合延米單價18 300元，工期67 d。而采用反井鉆機(jī)直接施工該風(fēng)井，反井鉆進(jìn)每延米單價約8 500元，工期22 d，錨網(wǎng)噴支護(hù)厚度150 mm，每延米單價約8 000元，工期23 d，綜合延米單價16 500元，工期45 d。反井鉆井一次成井施工相比較普通鉆爆法施工， 綜合延米單價降低了43%，工期節(jié)省

了53%，相比較小直徑反井再爆破刷大，綜合延米單價降低了9.8%，工期節(jié)省了30%左右。每年大直徑暗立井施工超過3萬m，如果全部采用反井鉆井一次成井施工，直接成本將節(jié)省上億元。在冶金、水電等行業(yè)的地層比較穩(wěn)定，反井鉆機(jī)施工后的井壁比較光滑，有些可以不支護(hù)直接做為溜渣井，井筒施工延米單價將不到1萬元。

大直徑暗立井反井一次成井施工能夠極大地加快井筒施工速度，提高安全性和機(jī)械化程度。減少施工場地占用，降低能量消耗，減少操作人員，降低爆破掘進(jìn)超欠挖及對圍巖破壞，減少支護(hù)材料消耗，提高通風(fēng)效果。同時，在提高煤炭和其它地下礦物產(chǎn)量，水電站早日發(fā)電，以及安全方面的間接效益更加明顯。

4 結(jié) 論

本文通過對大直徑暗立井反井一次成井施工技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹，得出以下結(jié)論。

1)大型反井鉆機(jī)井下施工大直徑暗立井有一定的技術(shù)難題，但只要處理好施工工藝過程中設(shè)備運(yùn)輸?shù)跹b等關(guān)鍵問題，大直徑暗立井反井一次成井施工技術(shù)完全可行。

2)不論從技術(shù)先進(jìn)性，還是從經(jīng)濟(jì)社會效益來說，采用反井一次成井施工暗立井必將取代傳統(tǒng)的普通鑿井工藝、反井和人工爆破刷大結(jié)合的工藝，成為大直徑暗立井施工主要工藝。

[1] 吳定凱.超深回風(fēng)暗立井快速施工技術(shù)研究及應(yīng)用[J].能源技術(shù)與管理，2011(4)：129-130.

[2] 羊群山，袁浩，何杰兵.暗立井施工技術(shù)及關(guān)鍵問題探討[J].煤炭工程，2009(8)：37-39.

[3] 劉志強(qiáng)，徐廣龍.ZFY5.0/600型大直徑反井鉆機(jī)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39(5)：87-90.

[4] 劉志強(qiáng).機(jī)械井筒鉆進(jìn)技術(shù)發(fā)展及展望[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013，38(7)：1116-1122.

[5] 荊國業(yè).大直徑深反井施工新技術(shù)[J].煤炭技術(shù)，2014，33(8)：66-68.