國產天井鉆機在贊比亞謙比希銅礦的應用研究*

國產天井鉆機在贊比亞謙比希銅礦的應用研究*

天井鉆機在天井施工中不僅安全高效而且作業環境好，因此在井下各類天井施工中的應用越來越普遍。詳細介紹了國產天井鉆機AT2000在贊比亞謙比希銅礦主西礦體的應用，分析了天井鉆機在實際施工中的關鍵技術，并根據實際現場應用提出了相應的建議，為今后進一步提高天井鉆機的安全性和工作效率起到了一定的指導作用。

天井施工；天井鉆機；謙比希銅礦

當前謙比希銅礦正在生產的礦體有主、西礦體，兩個礦體均采用豎井、斜坡道聯合開拓。主礦體采用崩落法、嗣后充填法和上向水平分層法多種采礦方法開采，西礦體采用上向水平分層法開采。由于兩個礦體走向較長，均為2 km左右，同時根據無軌設備的合理運距要求，將出礦溜井距離控制在120～150 m，因此生產溜井數目較多，運用傳統鉆爆法施工溜井不僅安全性低，而且施工周期長，嚴重制約礦山生產能力的提高。另外，根據當地法律法規，當天井高度超過30 m時，不得使用手抱鉆施工。AT2000天井鉆機的投入使用，提高了天井施工的安全性和工作效率，為生產任務的順利完成提供了可靠保障。

1 天井施工方法比較

天井施工方法有普通法、吊罐法、深孔爆破法和天井鉆機鉆進法[1]。

其中普通法在國內使用最多，普通法自下而上掘進天井，此法不受巖石條件和天井傾角的限制，但作業環境較差，安全風險高，每個循環都需要架設一次工作平臺，當天井高度較大時不適合采用普通法。普通法的月進尺只有20～30 m[2]。

吊罐法使用吊罐代替普通法中的工作平臺，工作平臺在爆破前下放避炮，作業時提升到工作面。與普通法相比，吊罐法機械化程度高，工序相對簡單，可大大縮短循環時間而且成本也降低很多。但是吊罐法只適用于中等硬度以上巖石，吊罐升降如協調不好，易發生安全事故。采用吊罐法掘進天井的高度，一般以30～60 m為宜[3￣4]。

吊罐法和普通法都需上升到井筒工作面作業，因此無法避免粉塵、有毒有害氣體和浮石等危險因素。

深孔爆破和天井鉆機鉆進法不需要進入工作面，安全性大大提高。深孔爆破法按照天井斷面尺寸沿天井全高鉆鑿一組平行深孔通過分段爆破形成天井。這種方法具有安全性高、作業條件好、勞動強度低等優點，但是這種方法施工作業標準要求高，在高天井作業時，鉆進速度慢，孔的偏斜大[5]。

鉆進法掘進天井時先從上向下鉆鑿導向孔，然后從下向上擴孔，施工機械化程度高，掘進速度快，功效高。通過機械鉆進，井壁規整，成井質量高。因此，鉆進法是天井施工發展方向之一[6￣9]。

2 國產AT2000天井鉆機用途及特點

AT2000主要用于地下礦山的溜井、風井、管道井的掘進。施工深度可達120 m，井筒傾角60°～90°。該天井鉆機具有結構緊湊、安裝方便、鉆進平穩的特點，采用AT2000施工天井可大大改善作業環境，減輕勞動強度，縮短成井時間[10]。其主要技術性能參數見表1。

3 AT2000天井鉆機的現場應用

3.1 施工設計

以主礦體633 mL～700 mL的56#溜井為例，施工設計圖如圖1所示。

表1 AT2000型天井鉆機基本性能參數

圖1 主礦體633 mL～700 mL 56#溜井設計

3.2 鉆機硐室準備與設備安裝

首先根據無軌設備施工參數和AT2000型天井鉆機的外形尺寸要求，按照施工設計圖完成鉆機硐室的施工。鉆機硐室尺寸要求：高4～4.5 m、寬5 m、長4.8 m。鉆機硐室刷擴過高不利于支撐桿穩定地支撐到硐室頂板，施工中容易產生偏斜。在測量人員放好開口點坐標后，澆筑鉆機混凝土基礎，強度要求不低于C25。

待鉆機平臺混凝土強度達到要求后，轉運天井鉆機主機及相關備件，并且按先后順序完成天井鉆機的安裝。同時測量人員按照設計方位和傾角對鉆機進行校核。安裝完成后如圖2所示。

3.3 導孔的施工

導孔直徑為260 mm，從上往下施工，在導孔施工中產生的廢渣通過高壓水排出，要及時清理孔周圍堆積的廢渣。導孔施工平均鉆進速度為0.667 m/h，臺班效率為8.0 m/臺班。

3.4 擴孔的鉆進

導孔鉆透下部中段后，根據透孔位置確定是否達到擴孔刀盤的安裝要求。刀盤安裝后，因滾刀未全部緊貼巖面，因此開始擴孔要保持較慢速度并控制好推進壓力，在刀盤完全進入天井后以正常速度擴孔。正常擴孔狀態的推進壓力為8～10 MPa，回轉壓力為12～16 MPa。并需要根據實際擴孔遇到的巖石強度情況和鉆孔深度對推進壓力和回轉壓力進行適度的調整。擴孔產生的廢渣直接掉落至底板，使用鏟運機轉運廢渣。擴孔直徑為2 m，平均鉆進速度為0.332 m/h，臺班效率為4.0 m/臺班。

圖2 天井鉆機安裝

4 AT2000天井鉆機施工的關鍵技術

除了在施工中要關注推進壓力和回轉壓力，還需要注意以下關鍵技術[11￣12]。

(1) 導孔精度控制。導孔鉆進6～10 m后，須要測量人員校核導孔的方位和傾角，如果誤差超過允許值，須停止導孔繼續施工，通過對已完成的導孔灌注高強度的水泥漿或者重新開口來確保導孔的準確。

(2) 泥質巖施工。如巖石含有泥質巖，并且粘性較大，施工導孔時要進行連續施工。如需暫停施工須上提2根鉆桿，防止導孔施工產生的廢渣沉淀至孔底而堵塞鉆頭。

(3) 擴孔作業安全。刷擴廢渣在天井井筒內的堆積高度不能超過5 m，因刷擴采用濕式作業，同時刷擴廢渣較細，堆積高度過大不僅造成堵孔，給疏通工作帶來極大風險，而且在鏟運機清理時，堆積的廢渣可能會形成泥石流，對人員和設備帶來很大的安全隱患。

5 AT2000天井鉆機的改良建議

為進一步提高該鉆機的安全性和施工效率，通過對AT2000型天井鉆機在實際施工中的觀察提出以下改良建議。

(1) 天井鉆機實際以鋪設在混凝土基礎上的鋼軌作為支座，不僅要求鉆機巷道長度長，而且不夠穩定，若天井鉆機底座預設螺栓孔，通過在混凝土中預埋地腳螺栓來固定鉆機，可以確保鉆機施工中更加穩固，減小偏斜率。

(2) 由于天井鉆機鉆桿和刀盤的自重，在施工一定角度和深度的斜天井時，所用的扭矩較大，因此作為傳動機構的天井鉆機，其鉆桿和刀盤的絲扣若采用雙螺紋較堅固，不易發生絲扣處的斷裂。

(3) 現場應用中發生因鉆桿損傷導致鉆桿斷裂事故，造成了工期的延長。因此實際施工中要對鉆桿(包括穩定桿上的穩定塊)進行不定期檢查，如采用超聲波探傷儀來檢測鉆桿的裂紋損傷，以降低風險，避免類似事故的發生。

6 結 論

(1) 該天井鉆機成井速度快、生產效率高、安全可靠。

(2) 天井鉆機施工中，注意推進壓力和回轉壓力，并且結合巖石性質，控制刷擴廢渣堆積高度，可以有效減少設備故障率，降低風險。

(3) 改善天井鉆機支座結構，增加雙螺紋，加強鉆桿等備件的檢測力度，可以提高設備施工效率，減少安全隱患的發生。

[1]李亞農.天井施工技術探析[J].建筑技術開發,2016,43(12):53￣54.

[2]劉海波,楊振增,王 磊,等.淺析普通法天井施工方法[A].魯冀晉瓊粵川遼七省金屬 (冶金) 學會第十九屆礦山學術交流會論文集 (采礦技術卷) [C].濟南:山東冶金,2012.

[3]李五中,張 睿,周建川,等.吊罐法施工斜天井工藝[J].現代礦業,2014,30(9):206￣207.

[4]劉寬平.吊罐法掘進天井應注意的幾個問題[J].黑龍江冶金,2015,35(3):58￣59.

[5]馬維清,張生良.深孔分段爆破天井,溜井施工方法[J].現代礦業,2009 (12):76￣78.

[6]李勝輝,康志強,葉會師,等.反井鉆機技術在司家營鐵礦溜井施工中的應用[J].礦業工程,2013,11(3):31￣33.

[7]張連恒,郭建清.天井鉆機在錫鐵山鉛鋅礦的應用[J].中國礦山工程,2011,40(6):55￣57.

[8]孫書彬,汪忠波.天井鉆機在夏甸金礦開拓工程中的應用[J].采礦技術,2010,10(1):54￣56.

[9]聶篤忠.深天井鉆機鉆進導孔的工作參數研究[J].礦業研究與開發,2010 (6):38￣41.

[10]易建新,周 立,韋世雄.AT2000 天井鉆機在高溫環境下的應用[J].中國礦山工程,2015,44(2):52￣55.

[11]眭文武,周 欣.天井鉆機在吳莊鐵礦的應用[J].礦業工程,2012,10(3):41￣43.

[12]眭文武,周 欣.天井鉆機在吳莊鐵礦的應用[J].礦業工程,2012,10(3):41￣43.(收稿日期：2017￣06￣27)

國家自然科學基金項目(50774011)；教育部長江學者和創新團隊發展計劃項目(IRT0950).

龔開福(1983-)，男，湖南寧遠人，采礦工程師，碩士，主要從事采礦技術與生產管理工作，Email:184258058@qq.com。