BMC 反井鉆機(jī)在恒昇煤礦回風(fēng)立井中的應(yīng)用

馮學(xué)文，孟國(guó)營(yíng)，徐義洋，汪愛(ài)明，畢增濤，高嘉宇

1中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)北京 100083 2北京中煤礦山工程有限公司 北京 100013

回 風(fēng)立井施工是一種特殊的礦山工程建設(shè)，其 作業(yè)環(huán)境危險(xiǎn)，安全施工系數(shù)低，施工作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)。目前，最常用的立井施工為普通鑿井法[1]。然而，普通鑿井法存在機(jī)械化程度低、施工人員多、作業(yè)環(huán)境危險(xiǎn)等安全隱患，因此機(jī)械化建井成為回風(fēng)立井施工的關(guān)鍵技術(shù)。部分回風(fēng)立井施工過(guò)程中存在涌水和有害氣體，給井筒掘進(jìn)帶來(lái)危險(xiǎn)[2]?；诖耍P者針對(duì)恒昇礦區(qū)的新回風(fēng)立井，提出少人化定向鉆井和反井?dāng)U寬的方法進(jìn)行施工，以降低施工安全系數(shù)，提高掘進(jìn)速度。

1 工程概況

安徽省皖北煤電集團(tuán)臨汾天煜恒昇煤礦現(xiàn)已在 9+10 號(hào)煤層開(kāi)采，為了滿足礦井北翼三、四采區(qū)的通風(fēng)需要，需新建后期回風(fēng)立井。該礦通常采用斜立混合開(kāi)拓方式，共布置有 3 個(gè)井筒，主斜井、副立井和回風(fēng)立井均位于礦井工業(yè)場(chǎng)地。礦井目前在 9+10 號(hào)煤層組織生產(chǎn)，共布置有 1 個(gè)綜采放頂煤工作面和 2 個(gè)綜掘工作面。該礦正在開(kāi)拓延深北翼大巷，準(zhǔn)備未開(kāi)采區(qū)的開(kāi)采，但現(xiàn)有回風(fēng)立井已不能滿足礦井北翼采區(qū)安全高效生產(chǎn)的要求，需新建后期風(fēng)井為礦井服務(wù)。計(jì)劃在風(fēng)井場(chǎng)地內(nèi)新建 1 個(gè)后期回風(fēng)立井，井筒凈直徑為 5.3 m，井筒深度為 261.1 m，立井傾角為 90°，直接落底在 9+10 號(hào)煤層，垂深為 250 m。井筒落底后南北向布置回風(fēng)石門(mén)，并與北翼回風(fēng)巷相連，9+10 號(hào)煤層下部連接如圖 1 所示。場(chǎng)地內(nèi)供電、供水、監(jiān)控等線路可由現(xiàn)有巷道自井下由鉆孔直達(dá)地面。新建回風(fēng)巷道的目的是形成區(qū)域獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)，進(jìn)而縮短通風(fēng)距離、減小通風(fēng)阻力、優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)及改善通風(fēng)條件。

圖1 煤層下部連接平面圖Fig.1 Connection plane at lower part of coal seam

擬定回風(fēng)立井?dāng)嗝娉蕡A形，工程施工時(shí)間短，主要滿足后期礦井通風(fēng)需求。該風(fēng)井位于礦井工業(yè)場(chǎng)地北側(cè)、職工宿舍樓西側(cè)的小荒溝附近，其地形如圖 2 所示。由于施工環(huán)境限制，無(wú)法使用鉆爆法進(jìn)行施工。因恒昇礦井地質(zhì)條件的特殊性，亟需一種不破壞現(xiàn)有環(huán)境的回風(fēng)立井施工方法。

圖2 風(fēng)井周?chē)h(huán)境示意Fig.2 Sketch of air shaft surroundings

2 施工方法的選擇

根據(jù)恒昇礦區(qū)的地質(zhì)分析和施工位置，對(duì)比普通鑿井法與反井鉆井法的特點(diǎn)，最終選擇反井鉆井法進(jìn)行施工。2 種施工方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表 1 所列。

表1 反井鉆井法施工與普通鑿井法施工優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tab.1 Comparison of raise boring construction and ordinary boring construction in advantages and disadvantages

3 設(shè)備選型

回風(fēng)立井深 261.1 m，最終成井直徑為 5.0 m。由于新回風(fēng)立井的開(kāi)孔點(diǎn)處于地面，旁側(cè)有建筑，無(wú)法開(kāi)展爆破施工，而反井法施工的地面不需要過(guò)多的面積，能安裝反井鉆機(jī)即可，因此設(shè)備選型時(shí)以最大鉆井深度作為主參數(shù)，同時(shí)考慮地質(zhì)條件、水文條件、經(jīng)濟(jì)因素，在同等成本條件下，盡量提高鉆機(jī)能力，增加實(shí)用性。BMC600 型鉆機(jī)作為國(guó)內(nèi)最大規(guī)格的反井鉆機(jī)，可進(jìn)行導(dǎo)孔鉆進(jìn)與擴(kuò)孔鉆進(jìn)。進(jìn)行導(dǎo)孔施工時(shí)，分別采用φ270、φ350 mm 導(dǎo)孔鉆頭復(fù)合鉆孔工藝，操作簡(jiǎn)便，轉(zhuǎn)矩大，維修方便，最終鉆進(jìn)深度可達(dá) 600 m；進(jìn)行擴(kuò)孔施工時(shí)，可配備大直徑鉆頭及鉆進(jìn)深度為 600 m 的鉆桿。綜合考慮，選用 BMC600 型鉆機(jī)來(lái)完成回風(fēng)立井的施工。BMC600 型反井鉆機(jī)由主機(jī)、動(dòng)力頭、鉆架和鉆桿輸送裝置等組成[3]，如圖 3 所示，其技術(shù)參數(shù)如表 2 所列。

圖3 BMC600 反井鉆機(jī)Fig.3 BMC600 raise boring machine

表2 BMC600 型反井鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main technical parameters of BMC600 raise boring machine

4 反井鉆井法施工

回風(fēng)立井是連接地下采礦不同水平巷道的暗立井，是重要的井巷工程，一般采用由下向上的反向鑿井方法 (反井法) 施工[4]。最初的反向鑿井更多使用木垛法、吊罐法、爬罐法，這些施工方法均需施工人員進(jìn)入井筒中鑿巖爆破，勞動(dòng)強(qiáng)度高，安全隱患大。反井鉆機(jī)法施工時(shí)，設(shè)備及人員均位于上水平作業(yè)平臺(tái)，人員不需要進(jìn)入井筒，完全采用機(jī)械破巖進(jìn)行施工。該方法從根本上改善了作業(yè)條件，解決了反井施工的安全隱患問(wèn)題，同時(shí)也減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率[5-6]。

恒昇煤礦新建回風(fēng)立井深度為 261.1 m，為保證回風(fēng)立井成井的垂直軌跡，首先采用小直徑鉆頭按預(yù)設(shè)軌跡自上而下鉆穩(wěn)直導(dǎo)向孔，再更換為大直徑鉆頭自下而上擴(kuò)孔，如圖 4 所示。目前，國(guó)內(nèi)研制的 BMC 系列反井鉆機(jī)，鉆孔直徑為 0.75～ 5.00 m，鉆井深度為 100～ 600 m[7]。但是對(duì)于立井井筒而言，受工作場(chǎng)地的限制，具有更多的特殊性和危險(xiǎn)性[8-9]。

圖4 反井鉆機(jī)施工Fig.4 Construction of raise boring machine

根據(jù)該礦區(qū)的地質(zhì)和水文情況，新回風(fēng)立井采用反井鉆井法進(jìn)行施工。首先采用普通鑿井施工法開(kāi)挖表土段至穩(wěn)定基巖 (深度約 18.1 m)，井幫采用錨網(wǎng)進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，開(kāi)挖至設(shè)計(jì)深度后施工 1 號(hào)壁座，再?gòu)南孪蛏现鸲?(模板高度 1.5 m) 砌筑φ5.3 m 鋼筋混凝土永久井壁，井壁厚 600 mm。砌筑井壁時(shí)預(yù)留安全出口及風(fēng)硐洞口，用沙袋填充，木板背實(shí)。施工至井口時(shí)，預(yù)留防爆門(mén)基礎(chǔ)連接方式。在井口安裝鉆機(jī)“井字梁”底座，澆筑底座鉆機(jī)基礎(chǔ)和簡(jiǎn)易井架基礎(chǔ)，安裝反井鉆機(jī)，從上向下鉆φ350 mm 導(dǎo)孔，在下水平巷道將導(dǎo)孔鉆頭更換成φ5.3 m 擴(kuò)孔鉆頭，從下向上一次反擴(kuò)成φ5.3 m 井筒，破碎的巖渣掉至下水平巷道，安排人員進(jìn)行出渣；然后在井口安裝簡(jiǎn)易井架，從上向下對(duì)基巖段錨網(wǎng)噴支護(hù)，馬頭門(mén)與井筒井壁同時(shí)施工，澆筑成整體，形成表土段凈徑 5.3 m，基巖段凈徑 5.0 m 的井筒。

具體施工流程為：開(kāi)挖泥漿池、反井鉆機(jī)基礎(chǔ)坑—去除浮渣—預(yù)留二次澆筑孔—澆筑混凝土—反井鉆機(jī)就位—立鉆機(jī)調(diào)正—安裝地腳螺栓—澆筑二次混凝土—系統(tǒng)調(diào)試試運(yùn)行—導(dǎo)孔鉆進(jìn)—斷層破碎帶處理—導(dǎo)孔鉆進(jìn)、運(yùn)輸擴(kuò)孔鉆頭至下水平—導(dǎo)孔透孔—關(guān)鍵工序轉(zhuǎn)換—拆導(dǎo)孔鉆頭、接擴(kuò)孔鉆頭—擴(kuò)孔鉆進(jìn)和下孔口出渣—擴(kuò)孔結(jié)束—拆除鉆機(jī)、封井—擴(kuò)孔直徑驗(yàn)收—撤場(chǎng)。

施工過(guò)程中遇到不同巖層的間隙，也為反井鉆井施工帶來(lái)了困難。在施工過(guò)程中，出渣問(wèn)題得到了很好地解決。反井鉆井施工噪聲小，可連續(xù)施工，縮短了工期，并得到了較為穩(wěn)直的鉆井軌跡，為以后特殊環(huán)境回風(fēng)豎井施工提供了參考。

5 結(jié)語(yǔ)

該井筒設(shè)計(jì)凈直徑 5.0 m，垂深 261.1 m，采用 BMC600 型反井鉆機(jī)進(jìn)行施工，一次成井反井直徑 5.3 m。反井鉆機(jī)施工過(guò)程中首先使用定向鉆機(jī)施工導(dǎo)向孔與井底貫通，然后進(jìn)行刷孔，同時(shí)下放特殊型反井鉆桿，在井底換裝大直徑反井鉆頭，實(shí)施反向擴(kuò)井施工，全過(guò)程不動(dòng)用火工品，作業(yè)人員少，施工安全高效，成井質(zhì)量好。該工程以安全為基礎(chǔ)，以效率為先導(dǎo)，精心組織，科學(xué)管理，利用井下出煤系統(tǒng)分時(shí)段出矸，不但提高了出矸能力，又保證了煤質(zhì)不受影響，實(shí)現(xiàn)了安全、快速、高效施工，僅 40 d 便順利實(shí)現(xiàn)貫通。