豎井反向開挖專利技術分析

王海林

【摘 要】本文通過對豎井反向開挖的基本概念和各種反井施工方法進行分析，檢索、整理國內外相關專利文獻，總結歸納出了重點申請人的研發方向，為反井施工工作提供借鑒。

【關鍵詞】豎井；反向開挖；專利技術

一、豎井反向開挖基本概念

通常我們也將豎井反向開挖稱為反井法，該方法的主要特點是從下往上向豎井內開挖，有時也采用大傾角斜井的方式。傳統的反井法包括普通法、吊罐法和爬罐法。不同的領域，其采用的反井方法不同，例如煤炭行業，在反井過程中主要使用木垛法；對于冶金領域，則普遍使用吊罐法；在水電領域，使用爬罐法較為常見。不論是以上哪種行業，工作面都存在塌方、落石等安全隱患，工人的人身安全很難得到保障，出現工程事故屢見不鮮。基于此，在20世紀60年代，世界各國對此加大了重視，試圖使用機械方法進行反井，在人們不懈的努力下，終于研制出反井鉆機。該操作方法不僅能夠有效減少傷亡率，還可以利用計算機進行控制，為反井施工提供了有效的技術支撐。

二、反井施工方法

1.普通反井法

普通反井法在井深較淺或一些特定條件下，至今仍被采用。作為臨時支架的木井框，將反井斷面分成矸石間、吊桶提升間和梯子間。矸石間用作儲存爆破下來的矸石；提升間用于吊桶升降材料；梯子間用于上下人員和敷設氣水管、風筒和電纜等。施工人員站在頂部臨時工作平臺上，進行打眼、裝藥和支護作業；當掘進到接近上水平巷道時，停止掘進，待下部井筒刷砌和安裝完畢后，破除巖柱。其斷面形狀多為矩形，一般采用壓入式通風。

普通反井法的優點：輔助工程量小，不需要大型提絞設備，對其他作業影響小，適用于水平巷道尚未形成、井深較淺的井筒施工；缺點：人員爬梯子上下困難，勞動強度大，材料運輸不方便，木材消耗量大，工作面易集聚有害氣體，安全性差。

2.吊罐反井法

吊罐反井法施工工藝：先自上水平巷道鉆提升鉆孔；然后在上水平巷道安設提升機，提升鋼絲繩穿過鉆孔至下水平巷道，與吊罐連接。作業人員在吊罐上，自下而上進行反井施工。反井斷面形狀通常采用圓形，一般多采用混合式通風，局部通風機布置在距反井下口約20m處，抽出乏風和炮煙。

吊罐反井法與普通反井法相比，具有工效高、施工速度快、勞動強度低、經濟性好等優點。缺點是事先要鉆精度較高的提升鉆孔，前期準備時間較長，工作面易集聚有害氣體；同時隨著掘進深度的增加，輔助時間加長，施工速度會明顯減慢。吊罐反井法一般不架設臨時支護，適用于圍巖比較穩定的地層，井深通常不超過100m。

3.爬罐反井法

爬罐結構及反井施工工藝：首先在下井口用普通法上掘3～5m；然后鋪設爬罐導軌，安裝爬罐，通過自帶動力的爬罐，將人員和設備運到工作面。人員在爬罐作業平臺上，自下而上進行反井施工；打眼、裝藥、聯線結束，人員、爬罐撤至安全地點后，進行起爆。放炮后，壓氣和水從導軌頂端保護蓋板噴出，排除炮煙和粉塵。裝巖工作在井下巷道進行，與打眼可平行作業。當反井掘進到接近上水平巷道時，應從上水平巷道自上而下打眼放炮。

爬罐反井法與吊罐反井法同樣具有工效高、施工速度快、勞動強度低等優點。其缺點是：設備投資較大，通風條件差，工作面易集聚有害氣體；同時隨著掘進深度的增加，輔助時間較長，施工速度會明顯減慢。爬罐反井法不需要事先開鑿上水平輔助巷道，從理論上講，井筒施工深度可以很大；但由于受通風、排除炮煙等因素影響，施工深度通常不超過150m。

4.反井鉆井法

利用反井鉆機鉆鑿反井上世紀50年代始于南非金屬礦，當時主要用于鉆鑿小直徑淺孔。我國從上世紀70年代開始研制反井鉆機，當時主要用于金屬礦山，鉆鑿通風井、提升井、溜井等。進入上世紀80年代，反井鉆機首先在我國煤礦、冶金礦山得到廣泛應用，90年代進一步推廣應用到國內外水利水電、非煤礦山、交通隧道等領域，取得了良好的經濟效益和社會效益。由煤炭科學研究總院建井研究分院研制的LM系列和BMC系列反井鉆機，最大鉆孔直徑達到5m，最大鉆深達到600m，創造了多項反井鉆井施工全國記錄。

三、數據統計與分析

1.申請量年度分布及變化

在全球范圍內，豎井反向開挖技術專利申請始于20世紀60年代末期，二戰結束后，全球各國對礦產品的需求不斷增加，采礦機械等地下施工裝備日新月異，隨之而來20世紀70年代中期是豎井反向開挖技術申請量高峰期；隨著前蘇聯、瑞典、德國等歐洲礦業大國的崛起，世界采礦技術和豎井開挖技術不斷改進和發展，到20世紀80年代末，以前蘇聯為代表的采礦技術強國掀起了豎井反向開挖技術專利申請的高潮；但1991年前蘇聯解體給世界各國經濟狀況和政治局面都造成了不小的沖擊，加之20世紀90年代全球礦業大蕭條，期間采礦技術發展相對停滯，相關專利申請量下降；中國作為新興發展中國家，是礦業需求大國，尤其是改革開放以來，我國采礦工程技術取得了長足進步，雖然在豎井反向開挖技術方面的研發起步較晚，但包括地下工程建設在內的各類工程領域快速發展，不管是傳統的豎井反向開挖方法還是現代的反井鉆機開挖方法，都隨著施工機械的改進和巖土力學理論的進步而取得了可喜的成果，并體現在專利申請量上。21世紀初期至今，我國在豎井反向開挖技術專利申請量上不斷增加，占全球申請量比例也逐年攀升，一方面說明發達國家的基礎建設和基本工業原料需求量的相對飽和，另一方面也體現了我國工程建設水平的不斷提高和經濟狀況的不斷改善。

2.申請原創國分布

前蘇聯（包括俄羅斯）、中國、美國、日本、瑞典是豎井反向開挖技術的主要原創國家，上述幾個國家的相關申請量占到了全球申請總量的近 90%，這些國家是豎井反向開挖技術最主要的技術原發地和創新市場，其相關企業和科研院所主導著豎井反向開挖技術的動向和發展。其中，瑞典是爬罐法的發明國，日本的側重點則在頂推掘進方法上，美國以鉆頭的研發為主，而前蘇聯（包括俄羅斯）和我國則更注重機械的應用和施工方法的改進。

3.重點申請人及其技術分布

根據全球范圍內的專利申請，對豎井反向開挖技術重要申請人進行統計，結果顯示，豎井反向開挖技術領域重要申請人大部分為世界知名的礦業機械企業，例如阿力馬克（ALIMAK）公司、阿特拉斯（ATLAS）公司、羅賓斯（ROBBINS）公司、修斯工具（HUGHESTOOL）公司、山特維克（SANDVIK）公司、史密斯國際（SMITHIN-TERNATIONAL）、長年（LONGYEAR）公司等。其中，阿力馬克（ALIMAK）公司申請量最大，其他主要是美國的企業，少部分是俄羅斯的科研院所。可見，歐美國家在豎井反向開挖技術領域占據了絕對的優勢。

對于普通法專利，其申請人主要是排名前三的阿力馬克（ALIMAK）公司、阿特拉斯（ATLAS）公司和羅賓斯（ROBBINS）公司；對于爬罐法專利，瑞典作為爬罐法的發明國，瑞典企業擁有最多的爬罐法專利，其次是美國企業和前蘇聯（包括俄羅斯）的企業和科研院所；對于擴孔法（包括上擴法和下擴法）專利，其申請人分布相對均勻，說明該技術分支獲得了廣泛的關注和較高的投入。

四、結語

綜上所述，隨著社會的發展和新需求的出現，豎井反向開挖法已成為各個領域的寵兒，其應用范圍不斷擴大。通過對豎井反向開挖技術概念以及專利技術的分析，給各個領域進行技術開發和專利構建提供了參考依據。

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