BMC 反井鉆機在恒昇煤礦回風立井中的應用

馮學文，孟國營，徐義洋，汪愛明，畢增濤，高嘉宇

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

回 風立井施工是一種特殊的礦山工程建設，其 作業環境危險，安全施工系數低，施工作業時間長。目前，最常用的立井施工為普通鑿井法[1]。然而，普通鑿井法存在機械化程度低、施工人員多、作業環境危險等安全隱患，因此機械化建井成為回風立井施工的關鍵技術。部分回風立井施工過程中存在涌水和有害氣體，給井筒掘進帶來危險[2]。基于此，筆者針對恒昇礦區的新回風立井，提出少人化定向鉆井和反井擴寬的方法進行施工，以降低施工安全系數，提高掘進速度。

1 工程概況

安徽省皖北煤電集團臨汾天煜恒昇煤礦現已在 9+10 號煤層開采，為了滿足礦井北翼三、四采區的通風需要，需新建后期回風立井。該礦通常采用斜立混合開拓方式，共布置有 3 個井筒，主斜井、副立井和回風立井均位于礦井工業場地。礦井目前在 9+10 號煤層組織生產，共布置有 1 個綜采放頂煤工作面和 2 個綜掘工作面。該礦正在開拓延深北翼大巷，準備未開采區的開采，但現有回風立井已不能滿足礦井北翼采區安全高效生產的要求，需新建后期風井為礦井服務。計劃在風井場地內新建 1 個后期回風立井，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 號煤層，垂深為 250 m。井筒落底后南北向布置回風石門，并與北翼回風巷相連，9+10 號煤層下部連接如圖 1 所示。場地內供電、供水、監控等線路可由現有巷道自井下由鉆孔直達地面。新建回風巷道的目的是形成區域獨立通風系統，進而縮短通風距離、減小通風阻力、優化通風網絡及改善通風條件。

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

擬定回風立井斷面呈圓形，工程施工時間短，主要滿足后期礦井通風需求。該風井位于礦井工業場地北側、職工宿舍樓西側的小荒溝附近，其地形如圖 2 所示。由于施工環境限制，無法使用鉆爆法進行施工。因恒昇礦井地質條件的特殊性，亟需一種不破壞現有環境的回風立井施工方法。

圖2 風井周圍環境示意Fig.2 Sketch of air shaft surroundings

2 施工方法的選擇

根據恒昇礦區的地質分析和施工位置，對比普通鑿井法與反井鉆井法的特點，最終選擇反井鉆井法進行施工。2 種施工方法優缺點對比如表 1 所列。

表1 反井鉆井法施工與普通鑿井法施工優缺點對比Tab.1 Comparison of raise boring construction and ordinary boring construction in advantages and disadvantages

3 設備選型

回風立井深 261.1 m，最終成井直徑為 5.0 m。由于新回風立井的開孔點處于地面，旁側有建筑，無法開展爆破施工，而反井法施工的地面不需要過多的面積，能安裝反井鉆機即可，因此設備選型時以最大鉆井深度作為主參數，同時考慮地質條件、水文條件、經濟因素，在同等成本條件下，盡量提高鉆機能力，增加實用性。BMC600 型鉆機作為國內最大規格的反井鉆機，可進行導孔鉆進與擴孔鉆進。進行導孔施工時，分別采用φ270、φ350 mm 導孔鉆頭復合鉆孔工藝，操作簡便，轉矩大，維修方便，最終鉆進深度可達 600 m；進行擴孔施工時，可配備大直徑鉆頭及鉆進深度為 600 m 的鉆桿。綜合考慮，選用 BMC600 型鉆機來完成回風立井的施工。BMC600 型反井鉆機由主機、動力頭、鉆架和鉆桿輸送裝置等組成[3]，如圖 3 所示，其技術參數如表 2 所列。

圖3 BMC600 反井鉆機Fig.3 BMC600 raise boring machine

表2 BMC600 型反井鉆機主要技術參數Tab.2 Main technical parameters of BMC600 raise boring machine

4 反井鉆井法施工

回風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入井筒中鑿巖爆破，勞動強度高，安全隱患大。反井鉆機法施工時，設備及人員均位于上水平作業平臺，人員不需要進入井筒，完全采用機械破巖進行施工。該方法從根本上改善了作業條件，解決了反井施工的安全隱患問題，同時也減輕了工人的勞動強度，提高了工作效率[5-6]。

恒昇煤礦新建回風立井深度為 261.1 m，為保證回風立井成井的垂直軌跡，首先采用小直徑鉆頭按預設軌跡自上而下鉆穩直導向孔，再更換為大直徑鉆頭自下而上擴孔，如圖 4 所示。目前，國內研制的 BMC 系列反井鉆機，鉆孔直徑為 0.75～ 5.00 m，鉆井深度為 100～ 600 m[7]。但是對于立井井筒而言，受工作場地的限制，具有更多的特殊性和危險性[8-9]。

圖4 反井鉆機施工Fig.4 Construction of raise boring machine

根據該礦區的地質和水文情況，新回風立井采用反井鉆井法進行施工。首先采用普通鑿井施工法開挖表土段至穩定基巖 (深度約 18.1 m)，井幫采用錨網進行臨時支護，開挖至設計深度后施工 1 號壁座，再從下向上逐段 (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。砌筑井壁時預留安全出口及風硐洞口，用沙袋填充，木板背實。施工至井口時，預留防爆門基礎連接方式。在井口安裝鉆機“井字梁”底座，澆筑底座鉆機基礎和簡易井架基礎，安裝反井鉆機，從上向下鉆φ350 mm 導孔，在下水平巷道將導孔鉆頭更換成φ5.3 m 擴孔鉆頭，從下向上一次反擴成φ5.3 m 井筒，破碎的巖渣掉至下水平巷道，安排人員進行出渣；然后在井口安裝簡易井架，從上向下對基巖段錨網噴支護，馬頭門與井筒井壁同時施工，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：開挖泥漿池、反井鉆機基礎坑—去除浮渣—預留二次澆筑孔—澆筑混凝土—反井鉆機就位—立鉆機調正—安裝地腳螺栓—澆筑二次混凝土—系統調試試運行—導孔鉆進—斷層破碎帶處理—導孔鉆進、運輸擴孔鉆頭至下水平—導孔透孔—關鍵工序轉換—拆導孔鉆頭、接擴孔鉆頭—擴孔鉆進和下孔口出渣—擴孔結束—拆除鉆機、封井—擴孔直徑驗收—撤場。

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

5 結語

該井筒設計凈直徑 5.0 m，垂深 261.1 m，采用 BMC600 型反井鉆機進行施工，一次成井反井直徑 5.3 m。反井鉆機施工過程中首先使用定向鉆機施工導向孔與井底貫通，然后進行刷孔，同時下放特殊型反井鉆桿，在井底換裝大直徑反井鉆頭，實施反向擴井施工，全過程不動用火工品，作業人員少，施工安全高效，成井質量好。該工程以安全為基礎，以效率為先導，精心組織，科學管理，利用井下出煤系統分時段出矸，不但提高了出矸能力，又保證了煤質不受影響，實現了安全、快速、高效施工，僅 40 d 便順利實現貫通。