鐵礦井下近300m深立井反井施工技術研究

程守業

(中國煤炭科工集團建井研究院，北京 100013)

在我國，采用反井法及反井鉆機(也稱天井鉆機)在鐵礦井下施工立井工程已有近40年的歷史，但多以100m以內的淺立井為主[1-4]。近年來，隨著一些大型露天礦陸續轉入地下開采以及原有地下開采礦井逐步進入深部開采，井下立井設計深度不斷增長，深立井施工無論在質量控制還是安全保障方面都對業主、設計及施工單位提出了更高的要求[5]。由于具備全機械化作業、安全系數高、井壁質量好等特點，使得反井法較普通人工鉆爆法等其他工藝在井下深立井施工中的優勢比在淺井中更加明顯[6]。

遷安黑龍山鐵礦采用國內自主研發生產的BMC300型反井鉆機在井下施工3條近300m深立井，其中最深井達到297m，為目前國內鐵礦井下采用反井法完成最深立井，井筒施工安全高效，鉆進精度控制良好，實現了反井法施工技術的突破，為我國今后鐵礦井下深立井反井施工提供了寶貴的經驗。

1 工程概況

黑龍山鐵礦地處河北省遷安市蔡園鎮，位于華北地臺北緣燕山沉降帶中段，馬蘭峪-山海關復背斜的中部，遷安隆起的西部邊緣褶皺帶中，礦床賦存于太古代遷西群三屯營組黑云變粒巖及紫蘇黑云變粒巖中，屬于“鞍山式”沉積變質鐵礦床。原為完全露天開采礦井，主要開采Ⅰ號礦體和Ⅲ號礦體，目前在繼續露天開采的基礎上，轉入地下開采，一期設計范圍為1500～2000勘探線之間-400m以上的礦體，開采地質儲量為3979.33萬t，依據開采范圍內地質儲量、礦體形態，地下開采建設規模為年產鐵礦石100萬t，產品為單一貧磁鐵礦。

礦井設計井下施工立井3條，井筒具體規格見表1。

表1 黑龍山鐵礦井下深立井井筒規格表

2 反井鉆機的選型

反井法施工主要分為導孔鉆進和擴孔鉆機兩個階段，施工前需要對井筒巖石柱狀圖進行分析，獲取巖石力學數據，計算出反井鉆機施工所需導孔推力、導孔扭矩、擴孔拉力以及擴孔扭矩的最大值，通過這些數據選取適合的反井設備。下面以最深井297m井筒進行計算選型。

2.1 井筒巖石情況分析

黑龍山鐵礦礦床地質構造復雜，褶皺構造以緊密倒轉為特點，斷裂構造以韌性斷層呈帶狀展布為特征。

依據ZK1鉆孔柱狀圖可知，反井施工范圍內主要地層由上到下依次為：花崗質混合巖、混合片麻巖、黑云混合片麻巖。

花崗質混合巖：肉紅色、花崗中粗粒變晶結構，塊狀構造。主要礦物鉀長石、石英、少量斜長石、角閃石。巖芯呈短柱狀，局部為長柱狀，巖芯最長0.4m，采取率87.6%。

混合片麻巖：淺肉紅色-灰綠色，細粒變晶結構，似片麻狀構造。主要礦物為角閃石、斜長石。巖芯以短柱狀為主，局部地段少量呈碎塊狀。巖芯采取率73.0%。

黑云混合片麻巖：淺灰色、中粒變晶結構，片麻狀構造。主要礦物成分斜長石、角閃石、石英。巖芯呈短柱狀，巖芯較完整。巖芯采取率83.8%。

巖石抗壓強度：礦石R=120～210MPa，巖石R=80～160MPa；松散系數：礦石K=1.5，巖石K=1.5[7]。

2.2 鉆進參數計算[8]

2.2.1 導孔推力P1

反井鉆機采用牙輪鉆頭進行導孔鉆進，前蘇聯學者以直徑Φ214mm鉆頭為標準進行大量實驗后得出導孔推力的計算公式，見式(1)。

(1)

式中：f為固定系數，巖石硬度大于150 MPa時取20；K為巖石松散系數，K=1.5；D1為導孔直徑,D1=241mm；D0=214mm，將以上數值代入式(1)求得導孔推力P1=337.9kN。

2.2.2 導孔扭矩M1

(2)

式中：k為巖石特性系數，k=16×10-5；D1=241mm；P1=337.9kN；將以上數值代入式(2)求得導孔扭矩M1=7089N·m=7.1kN·m。

2.2.3 擴孔拉力P2

擴孔施工時鉆機需要克服所有鉆具的總重量及巖石作用在滾刀上的垂直載荷，可由式(3)計算

P2=mg+F

(3)

式中：m為所有鉆具的總重量，包括297m鉆桿、擴孔鉆頭及鉆機動力頭，m=68885kg；F為巖石作用在滾刀上的總垂直載荷，其可由式(4)計算

F=(6.6D1+η)R

(4)

式中：D1=241mm；η=2～20，為經驗系數，此處取最大值20；R為巖石抗壓強度，此處取最大值210MPa，將以上數值代入式(3)求得擴孔拉力P2=1027076N=1027kN。

2.2.4 擴孔扭矩M2

(5)

式中：k=16×10-5；D1=241mm；P2=1027kN；將以上數值代入式(5)求得擴孔扭矩M2=37564N·m=37.6kN·m。

2.3 鉆機選型

結合計算數據以及以往施工經驗，決定采用北京中煤礦山工程有限公司BMC300型反井鉆機進行施工，該型號反井鉆機技術參數見表2。

表2 BMC300型反井鉆機技術參數表

由表2可知，該型號反井鉆機技術參數均滿足該礦井施工要求，4項技術指標均大于施工所需最大值且有一定余量可用于應對突發情況[9]。

3 反井法施工

3.1 施工準備

1)場地。在施工水平巷道內完成一條支洞以滿足反井施工，要求洞高不小于5m,寬度不小于5m，長度不小于6m，反井鉆機主機以開孔點為中心沿支洞軸線居中布置，布置圖見圖1。鉆機施工時對地層產生較大的作用力，需要在支洞內施工鉆機基礎，將鉆機固定在基礎上。

2)供電。反井法施工用電設備主要有反井鉆機、泥漿泵、冷卻水泵及照明等，現場需要配備滿足施工所需的總負荷的供電系統。反井鉆機額定功率為128.5kW,水泵功率為90kW,其他用電負荷約10kW，所需供電總負荷不小于230kW，電壓等級為380V，電源頻率為50Hz。

圖1 鉆機布置(單位：mm)

3)供水。現場需架設50mm供水管路，有專用泵供水。導孔施工時水量不小于10m3/h，用于循環水排渣及冷卻鉆機系統。擴孔時水量不小于5m3/h，用于冷卻鉆機系統及擴孔鉆頭。

4)通信。導孔結束后接擴孔鉆頭時需要上下水平隨時溝通，擴孔過程中下水平安全警戒范圍內也需要具備隨時向上水平鉆機操作人員通報情況，需要在上水平操作臺及下水平透孔點附近建立通信系統。

5)照明。反井鉆機為連續作業，為保證井下施工，在鉆機、開關柜、循環池等位置分別設置不小于200W的照明燈，并作防水保護。

3.2 導孔施工及偏斜控制

導孔施工是反井法施工的關鍵，要求在安全快速施工的同時保證井筒的精度，偏斜率必須控制在1%以內，同時需要隨時注意返渣巖石性質及數量的變化，以免發生塌孔、埋鉆等事故，反井法施工雖然不是取芯鉆進，但根據對鉆進過程觀測以及返出巖屑的分析，可以對地層有初步定性和了解，為Φ1.4m擴孔鉆進、孔壁支護以及后期刷大提供必要的參考[10-11]。

1)開孔。鉆機安裝完成后，對鉆機進行超平找正，保證開孔垂直度。二次澆注混凝土，井下需要7天的養護時間，待混凝土達到強度既可開孔。將Φ241mm導孔鉆頭與開孔扶正器以絲扣連接在一起進行開孔作業，采用低鉆壓、低扭矩，保證開孔垂直度。

2)導孔推力的控制。導孔推力隨巖性及鉆進深度的變化而調整，推力過大會導致偏斜率的增大及導孔鉆頭的損壞，推力過小則會影響鉆進效率，所以應采用低于最佳鉆進速度的鉆壓進行施工。

3)轉速的控制。轉速可以通過實驗和計算確定，但大多采用廠家出廠時提供的推薦值，且隨著導孔推力的增大，轉速應減少，反之，導孔推力減小時，轉速應增加。本項目轉速基本控制在10～15r/min之間。

4)穩定鉆桿的合理選擇及布置。穩定鉆桿是保證導孔偏斜率最有效的工具，穩定鉆桿的合理選擇主要是對其直徑的選擇，直徑與導孔鉆頭相比過小容易使鉆桿在鉆孔內產生晃動從而失去作用，過大則會增大鉆進摩擦阻力降低鉆進效率。穩定鉆桿的合理布置也很關鍵，通常將兩個或更多的穩定鉆桿連在一起，形成一段剛性的鉆具組保證鉆進垂直度，還要考慮全部鉆具的重力分配，在合適的位置布置穩定鉆桿。本項目選用直徑Φ241mm三合金翅穩定鉆桿，分別布置在1、2、3、7、30、80根的位置上。

5)導孔偏斜控制情況。導孔完成后經過測量，3條井筒的偏斜率均控制在1%以內，其中297m回風井終孔偏斜1.8m，偏斜率0.47%。偏斜率見表3。

表3 井筒偏斜率統計表

3.3 擴孔施工

導孔鉆進與下水平巷道貫通后，在下水安裝Φ1.4m擴孔鉆頭，安裝時確保上下水平通信通暢，連接時上下呼應。擴孔鉆頭接好后，慢速上提鉆具，直到滾刀開始接觸巖石后停止上提，用最低轉速(5～8r/min)旋轉，并慢慢給進保證鉆頭滾刀不受過大的沖擊而破壞，等刀齒把凸出的巖石破碎掉后正常擴孔。在擴孔過程中，巖石硬度較大時可適當增加鉆壓，反之可以減少鉆壓。下水平需要及時出渣，防止堵孔。

3.4 完孔及鉆機拆除

擴孔鉆頭擴孔至距基礎2.5m時，降低鉆壓慢速鉆進，認真觀察，如果基礎周圍出現異常情況要及時采取措施處理，繼續緩慢擴孔，直至鉆頭露出地面。完孔后，將擴孔鉆頭固定懸掛，將鉆架主機及輔助設備拆下，將鉆頭提出孔外，泵車、油箱等拆裝整理、運輸，清理現場，全部鉆孔工作結束。

4 結語

采用反井法施工黑龍山鐵礦井下3條近300m深立井工程綜合成井速度達到160m/月，效率遠遠優于普通人工鉆爆法，且安全可靠，偏斜控制率高，井壁光滑，無超挖欠挖，反井法施工技術必將在鐵礦井下深立井安全快速施工中發揮巨大的作用。

[1] 劉志強.大直徑反井鉆機及反井鉆進技術[J].煤炭科學技術，2008，36(11)：1-3.

[2] 趙景博，杜飛.AT天井鉆機在三山島金礦施工中的應用[J]. 中國礦業，2011，20(7)：120-121,125.

[3] 蘇曉明，王萬松.反井技術在羅河鐵礦的應用[J]. 中國礦山工程，2010，39(2)：11-13，35.

[4] 吳崇德，何孝森，謝金元，等.天井鉆機的推廣和應用[J]. 金屬礦山，1989，(6)：4-10.

[5] 孟桂芳.國內外露天轉地下開采的發展現狀[J]. 化工礦物與加工，2009，4：33-34.

[6] 劉志強.反井鉆機技術裝備及發展[J]. 煤炭科學技術，2001，29(4)：9-12.

[7] 劉晶.河北省遷安市黑龍山鐵礦露天轉地下開采巖土工程勘察報告[R].石家莊：河北中核巖土工程有限責任公司，2008.

[8] 武楠楠，李自貴，楊天苗，等.天井鉆機鉆導孔和擴孔參數的合理選擇[J]. 機械工程與自動化，2013(1)：104-106.

[9] 李志，李俊生，王強.BMC300型反井鉆機的研制及應用[J]. 煤炭科學技術，2009，37(9)：97-99.

[10] 孫建榮，劉志強，何昊，等.反井鉆機鉆進豎井深孔偏斜控制技術[J]. 煤炭工程，2008，(9)：92-94.

[11] 徐子平.反井鉆機鉆進方向偏斜控制技術研究[J]. 煤炭技術，2008，27(6)：8-11.