豎井反向開挖專利技術分析

許杰

摘 要：文章利用中外文專利摘要和專利全文數據庫，通過檢索、統計、整理和分析國內外反井技術的專利文獻，整理了該領域技術路線的發展脈絡，并基于對相關專利的時空特性、技術領域以及市場布局等方面信息的分析，總結歸納出重點申請人的研發方向和核心專利等結論。

關鍵詞：豎井；開挖；反向；鑿巖；鉆爆；專利分析

中圖分類號：U455.8 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）17-0016-02

Abstract： Using the Chinese and foreign patent abstracts and full-text patent databases， this paper collates the development of the technical route in this field by searching， statistics， collating and analyzing the patent documents of anti-well technology at home and abroad. Based on the analysis of the temporal and spatial characteristics， technical fields and market layout of relevant patents， the author summarizes the research and development direction and core patents of key applicants.

Keywords： shaft； excavation； reverse； drilling； drilling and blasting； patent analysis

1 基本概念

豎井反向開挖，簡稱反井法（也稱反向鑿井法），是指在地下工程建設中，由下向上掘進豎井或大傾角斜井的施工方法。過去常用的反向鑿井方法有普通法、吊罐法及爬罐法[1-3]。隨行業的不同反井的方法也不同，在煤炭系統過去多采用木垛法，冶金系統多采用吊罐法，而水電系統則多采用爬罐法，它們共同的缺點是工作人員必須進入工作面進行打眼放炮作業，受有害氣體、塌方、落石、淋水的危脅，安全很難保證，傷亡事故經常發生。為此，從60年代開始，全球范圍內開始探討用機械方法施工反井，經過多年努力，研制成功反井鉆機[4]。采用反井鉆機進行豎井開挖，工人可以在安全地帶操作，也可實現電腦遙控，從根本上解決了反井施工的安全問題，因此，利用反井鉆機擴孔開挖豎井技術自誕生以來就一直是一項重要的反井技術[5-7]。

2 數據統計與分析

2.1 申請量年度分布及變化

本文在DWPI、SIPOABS、JPABS和CNABS中根據前文所述檢索詞以及分類號進行了檢索并對檢索結果進行分析，豎井反向開挖技術申請量的年度分布及變化見圖1。

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，隨之而來的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。

2.2 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%，如圖2所示。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。

2.3 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，申請量排名如圖3所示。可見，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（HUGHES TOOL）公司、山特維克（SANDVIK）公司、史密斯國際（SMITH INTERNATIONAL）、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。

2.4 專利技術發展演進

吊罐法是早期反井技術的一個重要分支，由于其簡單易行而廣為使用，其技術演進路線上的主要的改進點在于吊罐形式的變化（例如由吊罐改進為吊盤、由簡單剛性吊盤改進為可折疊易運輸的吊盤等）和提升方式的變化（例如由簡單卷揚機懸吊改進為鏈條或拖拉繩的張緊拖拽）。但是，由于吊罐或吊盤是由纜繩懸吊，在吊罐或吊盤上進行施工的穩定性問題一直難以解決。因此，吊罐法的另一項重要改進點就是用軌道來承載工作平臺，纜繩只起牽引作用而不起懸吊作用。由此，吊罐法逐漸向爬罐法靠攏并被爬罐法取代。

爬罐法與吊罐法相比，其主要優勢在于，第一，不需要開鑿上部懸吊空間，節省了大量開挖工程，第二，用軌道代替纜繩來承載工作平臺，操作人員在平臺上工作的安全性和效率都得到了提高。然而，爬罐法與吊罐法的操作人員同樣面臨著冒頂、跌落、有毒有害氣體等諸多風險。隨著鑿巖機械的不斷發展，自動化操作設備逐漸替代了工作平臺上的操作人員，也就是說，在爬罐法的技術演進路線上，鑿巖工序逐漸實現了無人化、自動化。但是，裝藥工序卻還是不得不依靠人工完成。因此，爬罐法逐漸被機械化程度更高的上向鑿巖臺車或豎井掘進機取代。

早期的普通法采用搭建梯子間的方式向上鉆爆，這樣的施工方式是極為繁瑣和危險。以底板為支撐、無需爬軌的上向式鑿巖臺車很快淘汰了這種傳統施工方式，即便如此，炸藥的裝填仍然難以實現自動化。而隨著TBM機的出現，豎井掘進機應運而生，這使得反井技術有了革命性的進步。與鉆爆法不同，切削式的豎井掘進機，沒有裝藥工序，操作人員不需要長期暴露在工作面，其安全性和自動化程度是吊罐法、爬罐法以及傳統普通法所不能企及的。其缺點是成本較高，無法掘進超大斷面的豎井。

擴孔法早在20世紀70年代初就已經出現，發展至今，擴孔法仍然是是反井技術中的一個重要分支。擴孔法主要受限于擴孔鉆頭斷面大小，當需要鉆鑿大斷面豎井時，擴孔鉆頭的斷面尺寸往往無法達到全斷面開挖的要求。于此同時，乳化炸藥的發明使得裝藥自動化得以實現。于是，出現了擴孔與鉆爆相結合的大斷面豎井開挖方法。首先自上而下施工導孔，然后自下而上擴孔成井，再在導井中自下而上鉆爆擴徑，最終成井。正反向擴孔鉆爆綜合鑿井方法，其擴孔工序和鉆爆工序均可實現高度機械化，安全性好，施工效率高，成本相較于豎井掘進機低，是大斷面豎井開掘技術的重要發展方向。

3 結束語

本文通過對豎井反向開挖技術領域專利技術的分析整理和統計，為相關企業根據現有的專利資源制定專利戰略、集中研發力量對該領域的關鍵技術領域進行攻關提供了參考，有助于相關企業和科研院所構建自己的核心專利和外圍專利。

參考文獻：

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[3]王彥龍，米麗平.爬罐法掘進斜井在中東地區某礦山的應用[J].中國礦業，2012，21（4）：94-97.

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[6]姜玉松，等.地下施工技術[M].武漢理工大學出版社，2015：105-110.

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