反井鉆井技術(shù)在硬巖條件下礦山豎向開拓中的應(yīng)用

劉克安

（中國(guó)有色金屬建設(shè)股份有限公司，北京 100029）

反井鉆井施工技術(shù)近年來得到長(zhǎng)足的發(fā)展，在煤礦、金屬礦山、水利水電和交通運(yùn)輸?shù)戎T多行業(yè)得到成功的應(yīng)用，有效解決各類工程建設(shè)中豎向通道的工程施工[1-3]。在水電工程中成功應(yīng)用反井鉆井施工技術(shù)完成大直徑引水井的一次成井[4-5]，在隧道工程中成功應(yīng)用反井鉆機(jī)施工技術(shù)完成通風(fēng)豎井的施工[6-7]，在礦山工程中，反井鉆機(jī)施工技術(shù)分別被用于大直徑通風(fēng)井、進(jìn)回風(fēng)井、溜井施工、人行天井和暗立井掘進(jìn)[8-10]工程中，都能有效解決這些工程的施工建設(shè)。反井鉆機(jī)施工利用機(jī)械破巖，在人員安全方面有巨大優(yōu)勢(shì)，隨著大型反井鉆機(jī)設(shè)備、刀具、控制系統(tǒng)的研發(fā)，應(yīng)用的范圍將會(huì)越來越廣泛。印度豎井工程建設(shè)過程中，涉及大量的豎向開拓工程，在硬巖條件下利用反井鉆機(jī)完成豎向開拓工程，取得良好的應(yīng)用效果。

1 工程概況

印度豎井項(xiàng)目位于印度拉賈斯坦邦，工程主體為一條千米混合井及井下溜破系統(tǒng)，地表高程為511.5 m，井筒凈直徑7.5 m，井深1 051.5 m。項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)地質(zhì)環(huán)境為前寒武紀(jì)帶狀片麻巖復(fù)合群巖層，主要巖石為片麻巖和片巖及其帶狀片麻巖復(fù)合體，豎向開拓工程主要位于石黑云母片麻巖、鈣質(zhì)硅酸鹽、白云巖和黑云母片巖等巖層。工程范圍內(nèi)巖石硬度較大，巖石質(zhì)量較好，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。工程范圍內(nèi)的豎向開拓工程包括回風(fēng)天井、人行天井、原礦倉、成品礦倉、礦石溜井、廢石溜井和采區(qū)通風(fēng)井等。豎向工程技術(shù)特征及工程量清單見表1。

2 施工工藝

在反井施工過程中，除了2 條直徑3 m 的長(zhǎng)反井采用國(guó)外Robbins 反井鉆機(jī)施工外，其余反井均由國(guó)產(chǎn)鉆機(jī)完成，根據(jù)井筒擔(dān)負(fù)的功能及支護(hù)形式不同，分別采用反井鉆機(jī)一次擴(kuò)孔成井及二次鉆爆法擴(kuò)孔成井，下面對(duì)施工應(yīng)用范圍最廣泛，完成工程量最大的直徑為2.4 m 的采區(qū)通風(fēng)反井施工工藝進(jìn)行介紹。

2.1 設(shè)備選型及參數(shù)

采區(qū)通風(fēng)反井的反井鉆機(jī)施工，由于受到分段巷道尺寸的限制，采用ZFY-2.5/100D 系列低矮型反井鉆機(jī)進(jìn)行施工。由上至下導(dǎo)孔施工時(shí)配直徑為270 mm三牙球齒合金鉆頭；導(dǎo)向孔透孔后，由下至上擴(kuò)孔施工時(shí)配直徑為2 400 mm 鑲齒盤式滾刀反孔鉆頭。由鉆機(jī)提升鉆頭擴(kuò)孔，最后成井尺寸為2 400 mm。鉆桿直徑為210 mm，單根鉆桿長(zhǎng)度為1 000 mm。

2.2 施工準(zhǔn)備

反井鉆機(jī)施工硐室斷面為L(zhǎng)10 m×B4.5 m×H4.0 m（鉆機(jī)高度5 m，硐室高度不夠需挑頂，挑頂面積不少于2.5 m2，位置在鉆孔的正上方，以基礎(chǔ)表面為基準(zhǔn)），獨(dú)頭巷道設(shè)備擺放長(zhǎng)度不少于19 m，寬度不少于4.5 m，可滿足反井鉆機(jī)施工需要。對(duì)反井鉆機(jī)施工硐室進(jìn)行錨網(wǎng)噴臨時(shí)支護(hù)，支護(hù)技術(shù)參數(shù)：錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm，網(wǎng)片搭接100 mm，噴漿厚度50 mm，噴射砼強(qiáng)度C20。

復(fù)核礦區(qū)巷道布置圖等技術(shù)資料，確定反井的上、下口坐標(biāo)，進(jìn)行測(cè)量定位。提前按照導(dǎo)孔的上口坐標(biāo)澆筑好反井鉆機(jī)基礎(chǔ)，以反井導(dǎo)孔中心線為中心，澆筑基礎(chǔ)尺寸L5 m×B3 m×H0.6 m，混凝土強(qiáng)度M20，澆筑過程中預(yù)留出排渣溝槽，反井鉆機(jī)主機(jī)基礎(chǔ)如圖1 所示。壓風(fēng)、水、電源等連接至施工現(xiàn)場(chǎng)，確保反井上下口具備施工條件。風(fēng)筒連接至施工現(xiàn)場(chǎng)，距工作面距離不大于6 m。施工現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備低壓配電柜，以備鉆機(jī)主泵、副泵、水泵等設(shè)備搭接電源，另在工作面安裝一臺(tái)污水泵便于排水。

圖1 反井鉆機(jī)主機(jī)基礎(chǔ)圖

2.3 施工方案

2.3.1 測(cè)量放線

根據(jù)礦區(qū)巷道布置圖等技術(shù)資料確定的反井上、下口坐標(biāo)，在反井鉆機(jī)施工硐室頂部放樣出上口中心點(diǎn)，在下口巷道頂板放樣出下口中心點(diǎn)，下口若無放樣條件，可放出下口中心點(diǎn)的十字方向。上、下2 點(diǎn)確保打鉆時(shí)不傾斜。

2.3.2 設(shè)備運(yùn)輸

反井鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)：鉆機(jī)型號(hào)為ZFY-2.5/100D，鉆機(jī)主要分為6 大部分，即主機(jī)，主，副泵站，鉆具，主機(jī)基礎(chǔ)梁，液壓控制臺(tái)和一些零散小部件，以及電控箱，工具箱，其中最重和外形尺寸最大部分為擴(kuò)孔鉆頭部分5.3 t。礦井能夠提供的箕斗大小為4.0 m×1.9 m×2.6 m，提升重量不大于6 t，拆解后的鉆機(jī)各部件符合罐籠下放條件。礦井運(yùn)輸巷道斷面為3.5 m×3 m，鉆機(jī)部件的拆卸需滿足運(yùn)輸要求，井下運(yùn)輸采用鏟運(yùn)車將鉆機(jī)主機(jī)運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)。

2.3.3 直徑270 mm 導(dǎo)孔施工

導(dǎo)孔先用低鉆壓鉆進(jìn)，以防打偏或震壞孔口，鉆進(jìn)5 m 后，即可以正常壓力鉆進(jìn)，ZFY-2.5/100D 反井鉆機(jī)的推進(jìn)油缸為3 只直徑為200 mm 的油缸，每個(gè)油缸的下推力都很大，而鉆進(jìn)所使用的三牙輪鉆頭許用最大推力只有222.5 kN（23 t）。因此，工作時(shí)鉆孔推進(jìn)壓力不宜超過10 MPa，否則將造成三牙輪鉆頭的提前損壞。每鉆進(jìn)10 m，加1 根穩(wěn)定鉆桿，以防鉆桿擰的過緊和銹蝕，應(yīng)該在鉆桿絲扣上涂抹黃油，鉆孔要及時(shí)清除至井口的巖渣。并隨時(shí)觀察排量和粒度，發(fā)現(xiàn)排渣不暢時(shí)，應(yīng)加大水量，降低轉(zhuǎn)速。

2.3.4 直徑2 400 mm 反向擴(kuò)孔施工

當(dāng)導(dǎo)孔施工完畢時(shí)，將大鉆頭運(yùn)至溜井下口位置，利用人工將導(dǎo)孔鉆頭卸掉，電話通知鉆機(jī)操作手，放下動(dòng)力水龍頭，電機(jī)正轉(zhuǎn)旋接絲扣，旋緊鉆機(jī)后，提出動(dòng)力水龍頭，取出上卡瓦，進(jìn)行擴(kuò)孔鉆進(jìn)。擴(kuò)孔開始時(shí)，要特別注意壓力，不要連續(xù)推進(jìn)，一般每推進(jìn)一次，待刀具無碰撞后再行推進(jìn)，每次推進(jìn)距離不大于10 mm，待整個(gè)刀盤全斷面鉆進(jìn)后，方可按正常壓力擴(kuò)孔。擴(kuò)孔發(fā)生卡鉆時(shí)，應(yīng)立即反向推進(jìn)，使刀具遠(yuǎn)離巖石，再緩緩?fù)七M(jìn)，不得在刀具接觸巖石時(shí)使電機(jī)反轉(zhuǎn)。反井快擴(kuò)通時(shí)，應(yīng)低壓順序或間斷推進(jìn)。

2.3.5 反井下口排渣

在擴(kuò)孔鉆進(jìn)過程中，每完成兩班擴(kuò)孔鉆進(jìn)，必須停止擴(kuò)孔，在反井下口完成排渣，排渣使用鏟運(yùn)機(jī)完成，排除的廢渣用于井下采空區(qū)回填。排渣過程中需要檢查廢渣的顆粒大小，如果顆粒較大說明所鉆地層巖性較軟，鑲齒滾刀能夠摳落圍巖，此時(shí)擴(kuò)孔鉆進(jìn)速度較快；但如果廢渣顆粒較小并大部分呈粉末狀，則說明所鉆地層圍巖較硬，擴(kuò)孔時(shí)需要保持高鉆壓、低扭矩鉆進(jìn)，控制鉆進(jìn)壓力及擴(kuò)孔速度。

3 故障分析

由于反井鉆機(jī)施工過程中受地質(zhì)條件因素影響，可能遇到的施工故障多變，這就需要操作過程中不斷總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)不同故障采取相應(yīng)補(bǔ)救措施。

3.1 遇破碎帶的施工措施

反井鉆機(jī)在導(dǎo)孔鉆進(jìn)過程中，一旦遇到巖石斷層、破碎帶，就會(huì)出現(xiàn)洗井液（排渣水）漏損，不返水或水流量不足、排渣不暢現(xiàn)象，如不及時(shí)處理，將造成因巖粉抱死鉆桿，所有鉆桿都無法取出的重大事故。因此，一旦發(fā)現(xiàn)不向外出水或水流量不足、排渣不暢現(xiàn)象，及時(shí)停止繼續(xù)往下鉆進(jìn)，將鉆桿往上提0.5～1 m，繼續(xù)用洗井液沖洗小孔，如果洗井液回流量能夠逐漸加大直到正常，說明巖粉能夠?qū)⒘严痘蚱扑閹顫M，這樣就可以繼續(xù)慢速鉆進(jìn)，觀察施工情況，鉆進(jìn)2～3 m 后才可以正常鉆進(jìn)；如果洗井液回流量一直很小或繼續(xù)變小就必須立即將所有鉆桿從導(dǎo)孔中取出，往孔內(nèi)灌注水泥漿，將裂隙或破碎帶堵死，待水泥漿完全凝固后才能重新開孔鉆進(jìn)。

3.2 急傾斜巖層導(dǎo)孔鉆進(jìn)方法

鉆孔偏斜率是反井鉆機(jī)施工成敗的關(guān)鍵考核指標(biāo)，鉆頭鉆進(jìn)的方向在很大程度上取決于鉆頭與硬度變化的巖石表面相遇時(shí)的角度，如果角度小，由于鉆頭受到巖石表面對(duì)鉆頭的水平分力較大，因而鉆頭一般朝著與變化的巖石平面平行的方向鉆進(jìn)；如果角度大，由于鉆桿受到偏心載荷，使得鉆桿朝著受力較大的一側(cè)彎曲，因而鉆孔的偏斜將趨向與變化的巖石平面成垂直的方向鉆進(jìn)。因此在施工前必須了解施工段巖層的結(jié)構(gòu)變化情況，深孔施工時(shí)根據(jù)施工前勘探所得到的地質(zhì)柱狀圖在遇到軟硬巖層交接處提前1 m 左右就做好防偏斜措施，將鉆壓盡量降低，待三牙輪鉆頭（導(dǎo)孔鉆頭）完全進(jìn)入交接巖層并超過1 m 以上再開始正常鉆進(jìn)。

3.3 硬巖條件下擴(kuò)孔鉆進(jìn)方法

相比于常規(guī)的地質(zhì)巖層條件，硬巖條件下擴(kuò)孔鉆進(jìn)需要采取措施，巖石較硬時(shí)，要高鉆壓、低扭矩，經(jīng)常憋鉆時(shí)，要降低鉆壓，在將擴(kuò)透時(shí)，必須降低鉆壓和扭矩，直到擴(kuò)孔鉆頭露出。擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)排渣不暢，鉆頭激烈晃動(dòng)，壓力不穩(wěn)，鉆進(jìn)困難時(shí)，可能是有大塊矸石落在刀具上擠壓刀具所致，此時(shí)將刀具下放一定距離，多次高速旋轉(zhuǎn)，將矸石甩掉，若無效果時(shí)，把鉆頭下放到底進(jìn)行處理。在擴(kuò)孔鉆進(jìn)過程中，由于巖石硬度較大，會(huì)導(dǎo)致鑲齒滾刀的合金刀頭磨損嚴(yán)重，甚至造成滾刀的直接脫落，施工中出現(xiàn)的鑲齒滾刀損壞及脫落現(xiàn)象如圖2 所示。因此，硬巖條件下擴(kuò)孔施工，一是要確定合理的擴(kuò)孔刀盤滾刀布置形式，選擇適用于硬巖條件的鑲齒滾刀；二是要采用一體式擴(kuò)孔鉆頭，加固滾刀底座，加密擴(kuò)孔鉆頭邊刀；三是要根據(jù)地質(zhì)情況動(dòng)態(tài)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，通過試驗(yàn)獲得合適的鉆壓及扭矩。對(duì)于擴(kuò)孔鉆頭的滾刀布置方式改進(jìn)如圖3 所示。

圖2 擴(kuò)孔鉆進(jìn)過程中滾刀出現(xiàn)的問題

圖3 改進(jìn)后的擴(kuò)孔鉆頭

4 應(yīng)用效果

4.1 質(zhì)量控制

鉆機(jī)豎立安裝時(shí)，為確保垂直，必須將主機(jī)水平找正并加固，確認(rèn)無誤后方可開鉆。反井鉆機(jī)在導(dǎo)孔鉆進(jìn)期間，應(yīng)根據(jù)巖石硬度靈活調(diào)整油壓，以防止鉆進(jìn)時(shí)主機(jī)移位，出現(xiàn)導(dǎo)孔偏斜。擴(kuò)孔期間應(yīng)對(duì)各部油壓表細(xì)致觀察，根據(jù)巖石的硬度隨時(shí)調(diào)整油壓操作，當(dāng)擴(kuò)孔鉆頭至上部時(shí)，應(yīng)緩慢轉(zhuǎn)至上口，停鉆后將大鉆頭用鋼絲繩提起，方可拆除主機(jī)。反井鉆機(jī)施工滿足成孔直徑2.4 m，反井孔壁平滑，偏差率不超過1%。反井施工質(zhì)量與地質(zhì)條件和施工操作密不可分，本工程在硬巖中完成反井施工，成井效果較好，擴(kuò)孔后反井井壁光滑，裸巷無需進(jìn)行支護(hù)，成井后效果如圖4 所示。

圖4 反井成井后效果圖

4.2 工程進(jìn)度

根據(jù)本工程中近30 條反井施工的進(jìn)度統(tǒng)計(jì)，施工過程中主機(jī)基礎(chǔ)澆筑，以及風(fēng)水電等輔助設(shè)施的準(zhǔn)備需要約15 d，設(shè)備的運(yùn)輸、組裝及找正需要約12 d，導(dǎo)孔鉆進(jìn)過程中每班完成4～5 m，每天3 個(gè)班可以完成約14 m 導(dǎo)孔，擴(kuò)孔鉆進(jìn)過程中每個(gè)班完成3～4 m 擴(kuò)孔，每天安排兩個(gè)班擴(kuò)孔一個(gè)班排渣，每天可以完成約8 m擴(kuò)孔，完成一條百米反井需要約45 d。

4.3 應(yīng)用范圍

結(jié)合本工程實(shí)施情況，反井鉆井技術(shù)在硬巖條件下礦山豎向開拓中，可以應(yīng)用于主通風(fēng)井、采區(qū)通風(fēng)井、原礦倉、采區(qū)溜井、廢石倉及廢石溜井、人行天井、管道及電纜井、采場(chǎng)切割槽等豎向開拓工程。

5 結(jié)束語

對(duì)于硬巖條件下礦山豎向開拓工程的施工，結(jié)合本工程近30 條不同功能的反井施工經(jīng)驗(yàn)，取得了較好的應(yīng)用效果。因此，在礦山豎向開拓中采用反井鉆井技術(shù)可減少工程成本，改善施工條件，提高施工效率，以期為類似工程施工提供參考。