天井鉆機掘進高深天溜井在大紅山鐵礦的應用及發展前景

梁琨鋒 李雪明 楊國永

（玉溪大紅山礦業有限公司云南 玉溪 653405）

天井鉆機掘進高深天溜井在大紅山鐵礦的應用及發展前景

梁琨鋒 李雪明 楊國永

（玉溪大紅山礦業有限公司云南 玉溪 653405）

本文首先介紹反井鉆機法與傳統方法施工天溜井的優劣比選，結合大紅山鐵礦二期工程實際情況，采用BMC300型反井鉆機結合吊罐法擴刷溜井成井技術工藝，并在大紅山鐵礦二期溜井成功應用。其次介紹天井鉆機鉆進過程中存在的施工問題預防、處理，為溜井及天井等豎向工程的施工積累了施工經驗。最后介紹國內外大直徑天井鉆機的發展現狀及發展前景，為大直徑天井鉆機可在大紅山鐵礦等類似礦山的應用值得推廣和借鑒。

天井鉆機；天溜井；鉆進；大直徑；前景

1 引言

近幾年來，國外各主要制造廠為深部開采和堅硬巖石制造了大扭矩、大推力的天井鉆機。隨著天井鉆機的進步和發展，天井鉆機功率已由75kW發展到750kW，擴孔直徑可達到7.1m，鉆孔深度達到1500m。目前，Atlas copco的Robbins系列、Wirth公司的HG系列、Tamtock公司Rhino系列天井鉆機在當前市場同類產品中，處于領先地位，在世界各地礦山都得到了廣泛應用。隨著我國鉆機技術的研究開發，目前國內天井鉆機功率可達到285kW，擴孔直徑可達到5m，且在國內已應用先例，取得良好的效果。昆鋼大紅山鐵礦在Ⅰ號銅礦帶150萬/a采礦工程溜破系統主溜井施工時，大膽采用反井技術施工上礦倉主溜井，并取得良好的效果，為400萬t/a二期工程及二道河礦段100萬t/a采礦工程高深天溜井的施工積累寶貴經驗和奠定堅實基礎。

2 二期工程概述

2.1 工程簡述

大紅山鐵礦深部鐵礦有表內儲量2.80億t，主要礦體為Ⅱ1礦組，共有表內儲量2.45億t，TFe43.52%，占全礦詳勘表內礦量的79.73%，B+C級儲量1.94億t，TFe43.84%，占詳勘表內B+C級儲量的89.74%，主要階段的階段儲量近5000萬t，相當于一般的中型鐵礦山儲量，有大規模開采的條件，首期開拓系統的控制標高定為380m水平以上。一期工程于2006年底建成投產后，生產順利，為滿足昆鋼對鐵礦石的急需，產量提升很快，第二年就超過了設計能力，目前產量達到了500萬t/a以上，現在保有地質資源/儲量4366.8萬t。400m標高以下的礦體開拓由已建成的膠帶系統、斜坡道、進回風系統、輔助盲豎井系統下延控制+50m標高以上礦體，于0m水平新建破碎系統，形成深部二期開拓系統，二期采礦工程是一期采礦工程的下延，開采礦體為Ⅱ1礦組的深部，是大紅山鐵礦持續穩定生產的重要工程，二期采礦工程按美20m布置分段（首采分段為30m），進路間距20m。在180m設集中運輸水平，礦（廢）石經溜破系統，用膠帶（廢石用箕斗井）運送到地表進行選礦，作為連接各開采分段的溜井工程就成為二期工程能否按節點與一期工程順利銜接的關鍵線路，二期采礦工程共有41條溜井，220m的高溜井達15條之多，為保證二期溜井安全、優質、快速的與各開采分段貫通，二期溜井采用反孔鉆機配合吊罐進行施工。

2.2 工程地質情況

深部Ⅱ1礦組是大紅山鐵礦品質最好，礦量最大的資源，為礦區最主要的鐵礦帶。Ⅱ1礦組頂板為變鈉質熔巖、絹云片巖及Ⅲ1含銅鐵礦體；底板多與輝長輝綠巖體接觸，南北兩翼多與輝長輝綠巖、白云石鈉長石巖接觸，接觸界面清楚，礦體內夾石與圍巖巖性一致，為變鈉質熔巖，圍巖及夾石平均含TFe17%左右。巖體總的來看屬堅硬至半堅硬巖類，完整的礦巖強度高，巖性比較好，節理裂隙不發育，巖體穩固，巖石硬度系數：f=8-10具體情況見表1。

2.3 水文地質情況

鐵礦體賦存于大紅山群裂隙含水層中，該含水層主要由變鈉質熔巖、凝灰巖、不純的白云石大理巖以及以黑云母、角閃石、綠泥石等為主的各種片巖組成，且有較多的輝長輝綠巖侵入。裂隙是地下水集存和運移的主導條件，富水規律受巖層裂隙發育規律的控制，總的富水規律是淺強深弱，往深部漸至隔水，從以往的施工和生產情況看，坑道涌水量小于5m3/h，無特殊軟弱地層和溶洞，水文地質情況簡單。

表1 大紅山鐵礦巖石物理力學性質試驗成果表

3 應用、實踐效果

針對目前大紅山鐵礦二期采礦工程溜井6-5、5-4等溜井在30m、100m、150m將鉆桿全部拆除，通過測斜儀進行測量。若發生少量偏移，可采用變化鉆具組合和變化鉆壓的方法進行糾偏；也可采用潛孔馬達和一個彎接頭糾偏；還可以采用充填偏斜孔段，重新鉆孔的方法解決。

表2 鉆孔偏斜率計算表

大紅山鐵礦二期溜井使用BMC300型反井鉆機直接施工導井，通過對反井鉆機在溜井施工中產生偏斜的原因分析與采取的糾偏措施，采用吊罐法擴刷成井，成功解決了溜井施工中通風、排水，安全隱患大、協調困難等難題；大大提高了溜井施工速度，加快了二期采礦工程的建設進度，為今后高溜井、天井等豎向工程施工提供了借鑒作用。

4 天井鉆機應用發展前景

4.1 天井鉆機掘進技術展望

天井鉆機正朝著大、小、深、盲、斜、智能化和兩級邁步式擴孔刀頭的方向發展。

（1）鉆井直徑不斷增大。國內天井鉆機的量大鉆井直徑僅為5m，而國外已達7.1m。根據隧道通風井和豎井工程的要求，還將發展更大直徑的天井鉆機。

（2）鉆機低矮小巧化。對于巖石不太穩固的礦山，希望鉆機工作硐室矮，運輸巷道斷面小，以減少安全支護費用。國內外設計的低矮型天井鉆機的工作高度僅為2.6～2.8m，設備運輸寬度（最小）不到1m。

（3）鉆井越來越深。隨著采礦技術的發展，有些新出現的先進采礦方法往往要求加大中段高度，從而增加了天井的一次掘進長度。尤其是一些需要改造的老礦山，有許多更長的天井要掘進。用普通法極難掘進這么長的天井。我國天井鉆機的設計鉆進深度一般在150～300m，最深的也才600m。國外天井鉆機的設計鉆進深度最深已達1200m，今后還會突破。

（4）盲天井鉆機穩定持續發展。盲天井廣泛使用在地下采礦的探礦和開拓中。1967年美國Calweld公司為新墨西哥鈾礦設計了世界首臺盲天井鉆機（VTB）。然而直到1983和1984年，成熟的盲天井鉆機產品——德國Wirth公司的BHB152型和美國RobbinsRH型盲天井鉆機才問世。1985年初，瑞典公司開始研制新一代盲天井鉆機，印MBM型多用途鉆機。這種鉆機取消了傳統的鉆桿，采用邁步移動式，印鉆機進入井內鉆進．并運用了計算機控制和激光制導等先進技術。我國于20世紀90年代中期，成功研制出國內第一代盲天井鉆機——ATM1200型和ATM15OO型盲天井鉆機。

（5）鉆進傾角越來越小。國內天井鉆機的鉆進角度（與水平線夾角）一般為60～90°，斜天井鉆機能鉆45°的斜井，而國外的天井鉆機大都能鉆45～90°的天井。早在20世紀70年代，澳大利亞蒙特艾薩銅礦用鉆機就鉆出傾角56°、深104m的天井，美國考恩昌加礦鉆成傾角24°、深110m和傾角21.5°、深120m的平緩天井。芬蘭公司生產的1000型鉆機和日本Koken公司生產BM型鉆機的鉆進角度范圍更大，能鉆0～90°的天井。英吉利海峽兩條海底之間的多條水平聯絡巷遭就是用芬蘭的1000E型鉆機鉆成的。

（6）智能化鉆機。1983年，瑞典Copco公司采用計算機控制的智能式R200天井鉆機，在加拿大一礦山完成了一條天井鉆進試驗。智能化鉆機能根據巖石的硬度、節理發育情況和鉆進深度等因素，自動調整鉆機的推力、拉力、轉數、扭矩、推進速度等鉆進參數，使之達到最優鉆進參散匹配，得到較高的穿孔速度和鉆具使用壽命。

（7）兩級邁步式擴孔刀頭。兩級邁步式擴孔刀頭是用小型鉆機鉆大直徑天井的一個有效途徑。德國Wirth公司于20世紀80年代中期，率先研制出兩級邁步式擴孔刀頭，分別在南非和澳大利亞礦山投入使用。用擴孔能力4000mm的HG330型天井鉆機一次鉆出6000mm的天井，取得較好的效果。我國20世紀90年代中期開始研制兩級邁步式擴孔刀頭，現已取得階段性成果。

（8）無軌自行式天井鉆機運輸車。我國大、中型現代化礦山正朝著無軌化方向發展。鏟運機、鑿巖臺車、錨桿臺車、服務臺車、井下運輸車、拋石充填車和裝藥車等等均已實現無軌化。目前國內各種天井鉆機基本上為軌輪式運輸或靠其他輔助設備運輸。因此，需要發展履帶式和輪胎式天井鉆機自行運輸車，以適應現代化礦山的發展方向。

4.2 在大紅山鐵礦應用前景

即將建設的二道河工程井下兩條220m長的回風井、3條回風斜井、12條溜井，部分溜井高度達到300m以上。二期、二道河溜井施工，可采用直接鉆進成3m溜井，人員無需進入溜井作業，保證施工安全，提高了掘進效率，且鉆井對于圍巖穩定性基本無破壞，可以減少溜井的支護工程量，減少支護費用，降低成本。

隨著工業的進步和技術的不斷創新，大直徑天井鉆機的研究和發展，大直徑天井鉆機制造技術得到提供，設備成本有所降低，在掘進天溜井應用必將越來越廣泛。國內大直徑天井鉆機研究和開發，其它礦山的應用和實踐經驗的積累，必將能使國內大直徑天井鉆機掘進天溜井技術得到長足的進步。因此，大直徑天井鉆機在大紅山鐵礦應用是必然的，這也是發展趨勢。

[1]謝長標、汪炳昌.國外大直徑天井鉆機現狀[J].采礦技術，2010（09）.

[2]采礦手冊編委會.《采礦手冊》（第二卷）[M].工業出版社出版，1990（12）.

李雪明（1972.4-），男，采礦高級工程師，研究生，主要從事礦山管理工作。

P634.3+1

A

1004-7344（2016）16-0151-02

2016-4-10

梁琨鋒（1987-），男，助理工程師，本科，主要從事采礦生產技術管理工作。