反井鉆井技術(shù)在黃金礦山中的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

周 興，于中鵬

（1.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；2.天地科技建井研究院，北京 100013；3.山東黃金礦業(yè)（玲瓏）有限公司，山東 煙臺(tái) 265400）

金礦資源作為重要戰(zhàn)略資源的一種，在全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有著十分重要的作用。中國(guó)金礦資源儲(chǔ)量豐富，已有200多年的金礦開采歷史[1]。隨著淺部資源的開采殆盡，黃金礦山開發(fā)已逐步進(jìn)入1000m～2000m的深部開采階段。深部開采面臨高溫高熱，井下溫度達(dá)30°以上。隨著開采深度的增加，地下巖層溫度大約以3℃/100m的梯度上升[2]。為解決深部開采的通風(fēng)降溫和高效開采，急需快速建設(shè)大量的風(fēng)井和溜井等井筒。普通法鑿井建設(shè)井筒，需要投入大量穩(wěn)、絞車等大型設(shè)備，排出大量矸石，臨時(shí)占地面大，且安全風(fēng)險(xiǎn)高。尤其是在金礦井下施工井筒時(shí)，巷道狹窄，井下空間十分逼?，大型設(shè)備的運(yùn)輸、安裝等諸多困難因素，導(dǎo)致井筒施工工效大為降低，建設(shè)工期成倍增加。反井鉆井技術(shù)是采用反井鉆機(jī)鉆井法施工。設(shè)備及人員全部位于上水平作業(yè)平臺(tái)，不需要進(jìn)入井筒，完全采用機(jī)械破巖的施工方法。該方法從根本上改善了作業(yè)條件，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，安全系數(shù)高。且能充分利用井下已有生產(chǎn)系統(tǒng)，施工速度快、井筒質(zhì)量好、臨時(shí)占地少。井筒施工完成后，能迅速恢復(fù)原有生產(chǎn)功能。反井鉆機(jī)機(jī)械破巖掉落的巖石粒徑均勻，基本控制在35mm左右，可以直接作道渣和路渣使用。

1 反井鉆井技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)已生產(chǎn)十幾種型號(hào)的反井鉆機(jī)，在金礦應(yīng)用比較廣泛的包括北京中煤礦山工程有限公司（天地科技建井研究院）研制的LM和BMC系列反井鉆機(jī)、長(zhǎng)沙礦山研究院研制的AT系列天井鉆機(jī)和湖南創(chuàng)遠(yuǎn)高新研制的CY-R系列移動(dòng)式天井鉆機(jī)。目前，國(guó)內(nèi)反井鉆機(jī)鉆井技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀主要體現(xiàn)以下幾方面：

（1）反井鉆機(jī)設(shè)備方面。其中由天地科技建井研究院研制的BMC600大直徑反井鉆機(jī)，采用多油缸推進(jìn)、多馬達(dá)推動(dòng)、雙導(dǎo)向柱、新型可拆卸鉆架結(jié)構(gòu)。鉆孔直徑5.0m，鉆井深度600m，為國(guó)內(nèi)目前最大的反井鉆機(jī)。鉆機(jī)設(shè)備性能的大大提高，不但加大了鉆井直徑和深度，同時(shí)加快了井筒施工速度，擴(kuò)展了反井應(yīng)用范圍。反井鉆機(jī)直接一次成井降低了二次擴(kuò)挖風(fēng)險(xiǎn)。采用BMC600反井鉆機(jī)施工的代表性工程有：山東招金礦業(yè)夏甸金礦井下風(fēng)井，直徑4.0m，井深368m；山西柴溝煤礦風(fēng)井，直徑Φ5.0m，井深310m；甘肅敦格鐵路當(dāng)金山隧道通風(fēng)井，直徑Φ3.0m，井深442m；貴州開陽(yáng)磷礦井下風(fēng)井，直徑5.0m，井深156m。這些反井工程均創(chuàng)國(guó)內(nèi)各行業(yè)的反井施工記錄。

（2）反井鉆機(jī)自動(dòng)化方面。新型BMC600反井鉆機(jī)是基于PLC的電-液自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可完成對(duì)鉆機(jī)各動(dòng)力部分的配電、電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)—停止控制、電液控制和電液比例控制以及對(duì)設(shè)備和工況參數(shù)狀態(tài)的監(jiān)視和保護(hù)。系統(tǒng)尚設(shè)有應(yīng)急控制功能，在緊急狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)主機(jī)、輔機(jī)和電液比例控制功能。基本達(dá)到“機(jī)械化換人，自動(dòng)化減人”的安全生產(chǎn)水平。鉆機(jī)正常運(yùn)行下，每班僅需2人～3人。

（3）反井鉆機(jī)的快速移動(dòng)。傳統(tǒng)反井鉆機(jī)井下運(yùn)輸、轉(zhuǎn)場(chǎng)、組裝占用時(shí)間長(zhǎng)，影響綜合作業(yè)效率。湖南創(chuàng)遠(yuǎn)高新研制的CY-R系列移動(dòng)式反井鉆機(jī)搭載RCS2.0程控操作系統(tǒng)。柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶行走，電動(dòng)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，不需要拆解，轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸方便快捷。該系列鉆機(jī)適用于有斜坡道的地下礦山。

（4）反井鉆井工藝方面。包括先導(dǎo)孔定向鉆工藝、地表土層處理工藝、不穩(wěn)定地層改性加固工藝等。這些工藝的開發(fā)，大大擴(kuò)展了反井鉆井技術(shù)的適用性。尤其是在長(zhǎng)距離，大傾角的深斜井施工，開發(fā)了先導(dǎo)孔定定向鉆+反井鉆的工藝，解決了導(dǎo)井偏斜的問題。例如：在浙江長(zhǎng)龍山抽水蓄能電站，采用“定向鉆（先導(dǎo)孔）+反井鉆”的工藝，成功鉆鑿目前國(guó)內(nèi)最大的斜井。該斜井深415m，傾角58°，鉆孔直徑2.0m。

（5）擴(kuò)孔鉆頭新型結(jié)構(gòu)的研制。根據(jù)大直徑反井需要，為方便鉆頭井下運(yùn)輸及安裝，研制出階梯式分體組裝鉆頭，能夠快速拼裝成直徑2.0m～5.0m的系列大直徑擴(kuò)孔鉆頭。這些分體式鉆頭質(zhì)量可靠，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可快速拆裝，運(yùn)輸方便。大大增加了反井鉆機(jī)在井下狹小空間內(nèi)施工大直徑井筒的適用性。

（6）滾刀破巖效率方面。為提高滾刀高效破巖的使用壽命，研制出人造金剛石涂層碳化鎢硬質(zhì)合金鉆齒、雙金屬?gòu)?fù)合離心鑄造的滾刀刀殼、礦用深井破巖滾刀恒壓復(fù)合密封結(jié)構(gòu)等。這些技術(shù)的應(yīng)用解決了滾刀鉆齒耐磨性、刀殼耐磨性和密封性。提高了滾刀的使用壽命，使?jié)L刀的使用壽命超過1500m，充分保證滾刀滿足深反井施工要求。

2 應(yīng)用實(shí)例

近年來，隨著反井鉆井技術(shù)的發(fā)展，金礦大直徑、深立井施工應(yīng)用反井鉆機(jī)一次鉆鑿成井的技術(shù)得到推廣應(yīng)用（典型工程見表1），從根本上解決了豎井施工的本質(zhì)安全性問題。

表1 金礦采用反井鉆機(jī)施工豎井典型工程統(tǒng)計(jì)（直徑Φ2.0m以上）

2.1 夏甸金礦535線回風(fēng)井工程

招金礦業(yè)股份有限公司夏甸金礦位于山東省招遠(yuǎn)市西芝下村。該礦為國(guó)內(nèi)十大金礦之一。為解決深部開采通風(fēng)問題，設(shè)計(jì)一條專用回風(fēng)井，井深366m，鉆孔直徑3.5m。工程地質(zhì)復(fù)雜，含表土及風(fēng)化層，基巖段巖石堅(jiān)硬（f＞12）。井筒位于礦區(qū)7#井工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)，緊鄰水庫(kù)、空壓機(jī)房和民房，施工場(chǎng)地狹小。該工程采用BMC600反井鉆機(jī)施工、地表土層處理工藝、分體組裝擴(kuò)孔鉆頭結(jié)構(gòu)、新型硬巖滾刀等。由于風(fēng)井表土風(fēng)化層較厚，深度達(dá)9m，采用反井鉆井法施工需要先進(jìn)行預(yù)處理。人工開挖至基巖段，然后綁扎鋼筋，澆筑混凝土，形成鋼筋混凝土井壁。開挖荒井直徑為4.6m，壁厚500mm，開挖后回填素混凝土C10。表土層處理完成后，在上面安裝反井鉆機(jī)。工程自反井鉆機(jī)導(dǎo)孔至擴(kuò)孔結(jié)束，工期僅花4個(gè)月。擴(kuò)孔(Φ3.5m)完成后，井筒井壁光滑，井幫穩(wěn)定，無超欠挖，無需再爆破刷大，直接作為回風(fēng)井使用。

2.2 三山島金礦-960溜井工程

三山島金礦是山東黃金集團(tuán)重要的產(chǎn)金礦區(qū)，是國(guó)內(nèi)機(jī)械化程度最高的地下開采金礦。其西山礦區(qū)開采深度已達(dá)-1140m，為解決深部高效開采，在-960至-1140中段，設(shè)計(jì)三條礦石溜井。工程采用AT-3500反井鉆機(jī)施工，井深180m，一次擴(kuò)孔直徑3.0m。該工程屬于井下深部反井施工的典型工程。井下施工與地面施工相比，施工質(zhì)量和安全要求更高。針對(duì)井下大直徑反井施工，采用鉆機(jī)模塊化拆裝、井下平板大噸位無軌運(yùn)輸、硐室開挖及天錨吊裝技術(shù)、分體組裝式擴(kuò)孔鉆頭結(jié)構(gòu)等。這些措施保證了井下反井施工的高效完成，對(duì)井下深部井筒機(jī)械化施工具有重要參考意義。

3 反井鉆井技術(shù)存在的問題及展望

3.1 偏斜控制問題

反井鉆井施工的技術(shù)關(guān)鍵是導(dǎo)孔偏斜精度的控制，鉆孔精度直接影響工程質(zhì)量和成敗。反井鉆機(jī)作為連續(xù)鉆進(jìn)的機(jī)械設(shè)備，它本身的缺點(diǎn)是不能自動(dòng)糾偏，尤其是在深豎井鉆進(jìn)中，導(dǎo)孔的偏斜率決定了整個(gè)深反井施工的偏斜率。在施工時(shí)，雖然可以通過提高開工精度，優(yōu)化穩(wěn)定鉆桿布置，合理控制鉆進(jìn)參數(shù)等措施提高導(dǎo)孔鉆進(jìn)的偏斜率，但還是達(dá)不到完全有效的精度控制。尤其是在斜井、深井、大傾角巖層等條件下施工，導(dǎo)孔偏斜控制要求更高也更為復(fù)雜。目前采取比較多的方法是定向鉆機(jī)先導(dǎo)孔，再反井鉆機(jī)刷大相結(jié)合的工藝實(shí)現(xiàn)導(dǎo)孔偏斜的控制。

3.2 井幫穩(wěn)定性問題

隨著反井鉆井直徑的增大和鉆井深度的增加，擴(kuò)孔后形成的井幫長(zhǎng)時(shí)間的裸露，而不能及時(shí)支護(hù)。尤其是在巖石復(fù)雜的地質(zhì)條件下，對(duì)于井幫穩(wěn)定性非常不利。尤其是最下部的井幫，在整個(gè)擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)，暴露的時(shí)間最長(zhǎng)。具有井幫圍巖坍塌、被破壞的風(fēng)險(xiǎn)，從而造成井筒堵塞或埋鉆頭的事故，致使擴(kuò)孔鉆進(jìn)無法進(jìn)行，最終鉆頭鉆具損壞或工程報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)。為使反井鉆井技術(shù)滿足大直徑、深井的施工需要，擴(kuò)孔完成后，做好工序間的快速轉(zhuǎn)換，進(jìn)行井幫支護(hù)，不讓井幫長(zhǎng)時(shí)間裸露；或者進(jìn)一步研究反井鉆井隨鉆支護(hù)技術(shù)，擴(kuò)孔和支護(hù)交替作業(yè)，達(dá)到控制井幫穩(wěn)定。解決了井幫穩(wěn)定性，將更好的拓展反井鉆井技術(shù)的應(yīng)用范圍。

3.3 鉆桿無損檢測(cè)技術(shù)。

在反井鉆機(jī)施工過程中，由于失效鉆桿的使用導(dǎo)致鉆桿斷裂掉落井下的嚴(yán)重事故偶有發(fā)生，但因反井鉆桿制造成本較高，鉆具部分占整個(gè)設(shè)備成本的比值較大，一旦出現(xiàn)鉆桿斷裂事故將給反井正常生產(chǎn)和施工帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此在鉆桿使用前，有必要做鉆桿無損檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)失效鉆桿并淘汰，盡最大概率降低鉆桿斷裂風(fēng)險(xiǎn)。通常我們采用超聲波檢測(cè)、液體滲透法檢測(cè)、磁粉法檢測(cè)、交流電磁場(chǎng)檢測(cè)等技術(shù)。但目前這些技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)并未有達(dá)到成熟應(yīng)用。因此，進(jìn)一步加強(qiáng)無損檢測(cè)技術(shù)在反井鉆桿的應(yīng)用研究，有效預(yù)防鉆桿斷裂事故，避免經(jīng)濟(jì)損失及危險(xiǎn)情況發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

反井鉆機(jī)大直徑、深立井成套鉆井技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，對(duì)礦山井筒施工帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。少人化或無人化是反井鉆井技術(shù)發(fā)展的方向。隨著礦山深部開采井筒施工日益增長(zhǎng)的需要，反井鉆井技術(shù)將更好的應(yīng)用于黃金礦山，也必將為我國(guó)綠色礦山、智能礦山建設(shè)起到重要的推動(dòng)作用。