淺析反井鉆機在地下金屬礦山施工天井中的應用

楊雄

（湖南柿竹園有色金屬有限責任公司，湖南 郴州 423037）

1 采礦概況

湖南柿竹園公司多金屬采礦場，一直以來，采礦工藝是淺孔留礦法采礦、中深孔分段鑿巖階段礦房法、無底柱分段崩落法回采礦柱。2019年，隨著采礦工藝改革及采礦裝備水平的不斷提高，多金屬采礦場在514-470中段北部N1-N5采場和470-407中段東部E1-E13采場采用高階段大直徑深孔鑿巖階段礦房嗣后充填的采礦工藝，即采準掘進—反井鉆機切割天井（形成采場自由面）—大直徑深孔T150鉆機及1354采礦臺車鑿巖—混裝炸藥臺車裝藥—采礦爆破落礦。采場開拓采準工作完成后，開掘切割天井是回采前的第一步，采用傳統的自下而上的普通法、吊罐法和爬罐法、深孔分段爆破法掘進天井，無論是正向導井法、反向導井法、吊罐法施工，均需要作業人員及施工設備直接進入天井爆破施工，在施工過程中不僅工效低、勞動強度大、安全性差，天井高度越高，施工難度越大、安全風險就越大，施工進度也受限制等。因此，我工區對于514-470中段北部N1-N5采場44m分段和470-407中段東部E1-E5采場63m分段，采用傳統普通法施工天井工藝顯然是不可取的，為此，經過采礦技術研究，在2019年，多金屬采礦場首次引入了反井鉆機施工天井工藝。

2 天井鉆機施工天井工藝原理

天井鉆機施工天井的原理：通過鉆機的動力電機帶動液壓馬達，液壓馬達驅動動力鉆頭，利用液壓動力將扭矩傳遞給旋轉鉆具系統，帶動鉆桿及鉆頭旋轉，鉆頭上的滾刀在鉆機的作用下，沿井底巖石工作面純滾動和微量滑移。同時，主機油缸產生的軸向拉力、壓力，也通過動力頭，鉆桿作用在鉆頭上，使鉆頭的滾刀在鉆壓作用下滾動，產生沖擊載荷，使滾刀齒對巖石產生沖擊、擠壓和剪切作用，使其巖石破碎。反井鉆機施工分兩個步驟進行，首先，采用小鉆頭從上至下鉆進到鉆下部巷道內，在鉆進過程中采用潛水泵從蓄水池抽至動力水龍頭，高壓水沿鉆桿至鉆頭排水孔壓出，將礦渣從鉆桿與孔壁間的環行空間排至排渣槽，最后進入沉渣池。當導孔貫通后卸下小鉆頭，改換成鑲齒盤形滾刀鉆頭，由下至上滾刀對巖石切削、擠壓反向擴孔形成豎井，反向擴孔時的礦渣經過冷卻水的沖刷和自重墜落到下部巷道內，適時由鏟運機清理礦渣運出巷道。

圖1 正向導孔和反向擴孔工藝示意圖

3 天井鉆機在514-470中段N1-N5采場施工應用一

場部選定514-470中段N3、N5采場，中段高度44m，作為試驗采場，采場布置為110×24m，隔一采一，一共11個采場。切割天井選用LM200型反井鉆機，由主機、操作臺、液壓泵站、鉆具、輔助水泵等組成，其性能參數為導孔Ф250mm，鉆桿長1000mm，擴孔Ф1500mm，鉆孔深度200m，電機功率82.5kW，出渣循環蓄水池約6m3。

3.1 機座基礎施工

測量放樣確定施工天井中心點，按照主機基礎圖，先采用混凝土澆注主機基礎，底板要求平整，澆注基礎時應澆注300×300mm長的排水溝，水溝有一定坡度便于排渣，在水溝旁開挖一個循環蓄水池安裝7.5kW潛水泵，同時主機用8顆地腳螺栓二次澆注在基礎中，平面尺寸4×3m厚度0.8m，采用C30混凝土,澆筑厚度不小于300mm。

3.2 鉆機安裝

首先，安裝軌道(輕軌24kg/m)，軌距60cm，軌道順軸線鋪設，對稱布置在天井中心線兩側，主機前后位置靠軌道定位，因此，軌道安裝必須準確、牢固、平直。然后，利用天井中心和中心前后各3m位置巷道頂部預留3個根Ф38mm的錨桿孔，安裝吊環，用手動葫蘆起吊，就位、鉆機就位于軌道上，豎起鉆機，用垂直儀進行鉆機垂直度的精確測量，保證鉆機垂直度符合鉆孔生產需要，然后在軌道上滑移鉆機，使鉆頭對準豎井中心位置，用地腳螺栓固定主機，最后，安裝機械手和轉盤吊用于吊裝鉆桿。

3.3 正向導孔Ф250mm施工

反井鉆機施工的關鍵在于中心導孔的鉆孔質量。鉆機一旦開始向下導中心孔后，孔內的偏差就無法檢測和精準地控制，只能依靠控制泵的工作壓力和轉速來控制鉆進速度，同時，適時地裝配穩定鉆桿控制鉆孔偏斜。施工中穩定鉆桿加設的原則為：開始孔深達2m時加設一根，然后每鉆進5m加設一根。鉆進速度控制：孔深1～10m按1m/4h速度；11～20m按1m/3h速度；21～50m，按1m米2h速度。隨深度的增加鉆進速度逐漸加快，在將要貫通時，減小工作壓力，防止由于鉆機施壓過大造成巖石坍塌。鉆孔過程中如果出現沒有回水現象必須停鉆，說明鉆進過程中遇到裂隙或巖洞，必須抽出所有鉆桿，然后從孔口灌入水泥漿，待凝固后重新施鉆。

3.4 反向擴孔Ф1500mm施工

正向導孔貫通后，首先，對其出露點進行測量，判斷導孔的偏斜是否在允許的范圍內。經過測量實際的偏斜率為0.9%，符合采礦要求，導孔質量合格，隨即可以進行反向擴孔施工。用鏟運機將擴孔頭運至470底部巷道，調正鉆頭對正鉆桿中心，然后下鉆對接。開始擴孔時必須慢速提升，待鉆頭完全進入孔內后進入正常擴孔。在擴孔過程中，始終保證向孔內加注冷卻水，冷卻水的作用：一是冷卻鉆頭，二是除塵。廢水沿孔流下出，鉆渣在井下堆積，適時用鏟運機裝載外運至溜井，避免堆積太高而堵孔。在擴孔過程中不需考慮控制偏斜率，可最大限度發揮鉆機能力，因此，擴孔速度比鉆孔速度快。綜合擴孔提升速度為0.2m/h，天井深40m，共計9天完成反向擴孔貫通。

3.5 應用施工分析

經過試用綜合統計分析，不包含澆筑基礎施工，在514分層N3、N5采場44m天井施工，正向導孔0.7m/h，用時3天，反向擴孔0.2m/h，用時9天，每個天井共時22天完成，施工安全可靠，效率高。應用結論，本次反井鉆機在514分層N3、N5采場施工天井，達到了預期的采礦要求，其設備機械性能良好，運轉正常，自動化作業效率高，保證了施工質量、偏斜率控制在0.9%、安全可靠，打下了多金屬采礦場反井鉆機掘機天井的“第一井”，從施工效率上相比傳統施工天井法優勢非常明顯，從本質安全上相比傳統人工施工天井作業，反井鉆機每班僅需2人作業，減少作業人員，且作業人員不進入天井內，可避免井內人員安全事故，反井鉆機又具有比較明顯的安全優勢，所以在其他采礦我們進行了推廣應用。

4 反井鉆機在470-407中段E1-E5采場施工應用二

2020年，根據前期514分層N3、N5采場回采的情況，Ф1500mm切割天井在采礦爆破時存在補償空間不夠、爆破后存在擠壓情況，導致爆破后巖石反沖至采場或卡死在天井中，進而影響采場的后續爆破，存在較大的安全隱患。經過采礦技術分析，在470-407分層E1采場設計63m天井，采場布置為120×20m，隔一采一，上部采用T150大直徑深孔垂直向下鑿巖49.6m、直徑120mm的炮孔，排距2.5m，底部采用1354臺車向上鑿巖直徑78mm的扇形孔，排距1.6m，場部選用GT2000天井鉆機，切割天井為Ф2000mm。該天井鉆機可具體施工參數為：施工正向Ф280mm的導向孔，反向擴孔Ф2000mm的大斷面天井和溜井，鉆進深度最大達400m，鉆進傾角在60°～90°范圍。由主機、泵站、操縱臺3部分組成，并配有擴孔刀盤、鉆桿、牙輪鉆頭、水泵、輔助工具等。

其工作原理是：泵站由132kW主泵電動機帶動軸向柱塞泵，驅動兩個內曲線徑向液壓馬達，通過減速箱帶動鉆桿旋轉，并由泵站上的11kW電動機帶動軸向柱塞泵將壓力油送進二個推進缸，推動減速箱上下運動，并帶動鉆桿和鉆頭或刀盤上下運動。以框架為導軌，當減速箱帶動鉆桿和鉆頭向下運動時，完成正向鉆進導向孔作業，切削巖渣由潛水泵排出，當減速箱帶動鉆桿和刀盤向上運動時，完成擴孔作業。

天井鉆機施工首先澆筑基礎，待基礎完成后，即可進行設備運輸、組裝。經過在470分層E1、E5采場63米切割天井施工統計，每個采場純切割天井時間為27天（不包含澆筑基礎施工時間）。通過采礦爆破技術參數測算，對比514分層N3、N5直徑1500mm的天井，直徑2000mm采場天井爆破后形成了更好的自由切割空間，提升了采礦的效率。在施工效率方面，從上表可以看出，GT2000型反井鉆機施工效率效果明顯優于Ф1500mm的切割天井。從設備安裝方面，GT2000型天井鉆機僅由主機、泵站、操縱臺3部分組成，運輸、組裝較LM200型反井鉆機便捷，不需要安裝導軌。從采礦方面，天井孔尺寸增大了0.5m，在采礦爆破時形成很好的切割空間，提升了采礦的效率，因此，Ф2000mm切割天井對采礦有很大的推進作用，隨后在近幾年的采礦中得到了廣泛應用推廣。

5 反井鉆機在620(露天)-490（井下）溜井施工應用三

2021年，因公司生產需求，工區設計施工兩條從620（露天）至490井下的廢石溜井，豎井垂直高度130m，直徑2000mm，傾角85°的急傾斜天井，巖石硬度普氏系數12級。為了能準確地從620貫通至490設計位置，場部選用GT2000型反井鉆機。施工前，根據施工設計由測量及采礦部門現場精確放樣，2021年2月，開始施工準備工作(含基礎澆筑施工、電力布設、設備運輸、安裝調試等)，3月正式開鉆，歷時15天，正向導孔貫穿至490中段，4月開始反向擴孔，用時30天反向擴孔貫通，5月初完成天井鉆機拆除及轉場。經過統計，純施工時間為45天，平均日鉆進2.9m，施工中技術部門對施工質量進行動態跟蹤，偏斜率控制在0.9%以內，成井質量高好、效率高、安全可靠，達到了預期施工質量效果。因此，GT2000型反井鉆機既可以施工豎井，也可以施工傾斜天井，第二條天井采用同樣的方法進行了施工，施工質量效率均得到了保障，2021年完成了365m天井施工。

6 結語

經過3年的探索應用，反井鉆機施工天井工藝在我工區得到了很好的推廣應用和借鑒，共計施工了17條、約1000m高的天井施工。在保證施工安全和工期方面與傳統普通法對比，具有安全高效、每班作業人員少，施工方法簡單、操作便于掌握的優越性，對采礦工藝有更好的促進作用，大大地提升了采礦效率。其缺點：一是現用LM200或GT2000型天井鉆機在運輸、安裝時相對較煩瑣，主機需要前期澆筑基礎，施工前輔助工作時間較長，不能實現完全機械化作業。二是鉆具、滾刀磨損消耗快，運行成本相對較高。

但是，對于露天向下施工天井卻是非常的便捷，是采礦施工天井最優的選擇。對于井下施工天井，由于井下巷道規格尺寸受限影響設備的運輸，導致天井鉆機在設計時不能大型化、整體化、模塊化設計，我國的天井鉆機基本上是分體式設計（由3部分或者4部分組成），在功能、性能上遠不能滿足現代礦山天井掘進的工藝要求。因此，針對天井鉆機在礦山實際生產中的不足，隨著國家科學技術的發展，反井鉆機將大量采用先進的材料、液壓件，在設備寬度和高度尺寸方面進行優化，在工作參數方面進行智能化控制，設計能自主行走轉場方便的多功能反井鉆機，才能適應我國井巷狹小礦山和現代礦山發展的需要。