反井鉆機在通風行人井掘進中的應用

孫杰

摘要：反井鉆機具有對圍巖破壞小、安全高效、勞動強度低等優點，被廣泛應用于高度大于60 m的天井掘進中。針對蘇尼特金曦礦業公司畢力赫礦提升和運輸系統具備運輸大直徑刀盤的條件，采用反井鉆機施工通風行人井。詳細介紹了鉆機的選型和施工工藝過程。工程應用表明：采用反井鉆機施工高度超過60 m，直徑大于2.0 m的通風行人井具有快速高效、安全可靠等優點，降低了勞動強度，且對圍巖影響較小。施工效果較好，可在同類型礦山豎井掘進中推廣應用。

關鍵詞：大直徑;反井鉆機;通風行人井;設備選型;施工工藝

中圖分類號：TD26文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2021）12-0042-04doi：10.11792/hj20211209

引 言

地下開采礦山的天井、溜井、通風行人井是井巷工程中的關鍵，施工中存在較大的危險性，尤其高度大于60 m的豎井，施工難度非常大。多年來，大部分小型礦山采用上掘法，勞動強度大、效率低、安全風險大、對邊幫圍巖破壞嚴重、掘進的高度受限制，遠遠不能滿足當前現代化礦山建設和國家“機械化換人、自動化減人”的要求。

由于利用反井鉆機施工豎井具有成井質量好、速度快、圍巖受損小且功效高、勞動強度比較低，更為重要的是人身安全有可靠的保障，避免了工人遭受炮煙和冒頂危險，因此反井鉆機在地下開采豎井施工作業中得到了廣泛應用[1-2]。蘇尼特金曦黃金礦業有限責任公司（下稱“蘇尼特金曦礦業公司”）畢力赫礦為露天轉地下開采的礦山，其提升和運輸系統具備運輸大直徑刀盤的條件。因此，其通風行人井掘進過程采用反井鉆機施工，取得了較好效果。

1 工程概況

蘇尼特金曦礦業公司畢力赫礦屬露天轉地下開采建設項目，通風行人井布置在7勘探線附近，地表井口中心坐標x=4 695 660、y=38 463 180、z=1 298，井底標高1 171.48 m，井深126.52 m;井筒掘進斷面=2.5 m，通風行人井內設梯子間兼作第二安全出口。

礦山為加快建設速度，在露天礦1 150 m平臺邊坡施工有措施平硐，1 150 m措施平硐與1 155 m分層用斜坡道相連，1 155 m分層與1 170 m回風平巷相連，1 170 m回風平巷已施工至通風井正下方，措施平硐、斜坡道、分層巷道、回風平巷的斷面規格均為3.16 m×3.60 m。

在通風行人井井口附近施工有勘查鉆孔，經鉆探取樣：0～6.30 m為第四系風成砂土，6.30～34.20 m為晶屑凝灰巖，34.20～72.10 m為褐鐵礦化晶屑凝灰熔巖，72.10～116.80 m為晶屑凝灰熔巖，116.80～151.60 m為硅化蝕變巖。巖性主要為晶屑凝灰巖、晶屑凝灰熔巖。巖石抗壓強度28.57 MPa，抗拉強度1.51 MPa，彈性模量2.82 GPa，泊松比0.27，內聚力0.47 MPa，內摩擦角31°，屬較軟巖。

2 通風行人井施工方案選擇

蘇尼特金曦礦業公司畢力赫礦通風行人井井深126.52 m，整個通風行人井中間無水平巷道橫穿，高度較大，斷面為圓形，屬直立的明豎井。

2.1 施工方案

2.1.1 普通法

普通法是先從通風行人井下端平巷自下而上采用爆破法掘進，期間分層架設梯子間、溜渣間、安全棚和梯子，施工人員在搭設平臺上進行鑿巖、爆破、支護作業，自下而上采用爆破法向上掘進，所有材料均通過梯子間人工搬運。

優點：普通法在60 m以下的盲天井、節理裂隙發育的軟巖中采取“短掘短支”的天井和隨礦脈傾向而變化的沿脈天井施工中占有一定的優勢。

缺點：存在炮煙中毒、高處墜落、浮石打擊、機械傷害、觸電等安全風險;工人上下運送鑿巖機械、爆破器材、支護材料，每班都需要搭設或維修安全棚、梯子間和溜渣間，勞動強度大;通風靠高壓風，通風時間長，掘進速度慢。

2.1.2 吊罐法

先在地表或上水平巷道內鉆鑿吊罐孔和信號操作孔，安裝鑿井絞車和天輪，通過提升鋼絲繩懸掛吊罐，自下而上采用爆破法向上掘進，以吊罐代替普通法的工作平臺，又作為提升人員、設備、工具和爆破器材容器，起爆前為避炮將吊罐下放至天井下部平巷中。爆破通風后，將吊罐提升至工作面進行鑿巖，同時下部裝巖。

優點：掘進高度可達到百余米，污風可通過吊罐孔和信號操作孔排出，通風條件好，節約通風動力源，節省了通風時間;提前掌握巖石的性質，以便采取正確的支護方法和安全措施;形成比較大的自由面，提高了爆破效率;實現了鑿巖、裝巖、運輸、提升等機械設備的配套使用，形成了一條完整的機械化作業線，改善了作業條件，減輕了勞動強度，使掘進速度與工效有了大幅度的提高。

缺點：吊罐只適用于中等以上硬度（f>8）、不需要支護的穩定巖層;不適用于高天井、盲天井和傾角小于65°斜天井的掘進;存在高處墜落、浮石打擊、機械傷害、觸電等安全風險;因巖石比較破碎或炮孔布置、裝藥量等不合理易造成中心孔堵塞。

2.1.3 吊罐法與普通法相結合

吊罐法與普通法相結合。先施工通風行人井下端平巷，然后利用潛孔鉆機將地表與通風平巷貫通，供普通法風井施工通風用，近地表7 m通風孔應加套管，高出底板，防止渣石墜落傷人和堵塞，再按照普通法進行天井施工作業。

優缺點：除不使用高壓風強制通風外，普通法的其他優缺點均存在。

2.1.4 爬罐法

在天井井壁上安裝導軌，爬罐沿導軌用帶齒輪的發動機爬升至工作面，施工人員在爬罐頂部的作業平臺上進行鑿巖、裝藥、支護作業，爆破時將爬罐下放到1 170 m通風平巷內，自下而上采用爆破法向上掘進。

優點：適宜于盲天井上掘和隨礦脈傾向變化而沿脈掘進。勞動強度低，成井速度快。

缺點：設備投資大，掘進前的準備工程量大，維護檢修較復雜;輔助時間長，操作技術要求高，存在炮煙中毒、高處墜落、浮石打擊、機械傷害、觸電等安全風險。

2.1.5 反井鉆機法

反井鉆機是通過鉆機的電動機帶動液壓馬達，液壓馬達驅動水龍頭，并利用液壓動力將扭矩傳遞給鉆具系統，帶動鉆桿及鉆頭旋轉，導孔鉆頭或擴孔鉆頭上的滾刀在鉆壓的作用下，沿井底巖石工作面做純滾動或微量滑移。同時主機油缸產生的軸向拉、壓力也通過動力頭、鉆桿作用在導孔鉆頭或擴孔鉆頭上，使導孔鉆頭的滾刀在鉆壓作用下滾動，產生沖擊荷載，使滾刀齒對巖石產生沖擊、擠壓和剪切作用，破碎巖石。

在地表安裝反井鉆機，采用反井鉆機沿通風行人井中心線從地表向下鉆鑿小直徑超前導孔與1 170 m的通風平巷貫通，采用大型運輸車輛將鉆頭運到1 170 m的通風平巷風井下部，換大直徑擴孔鉆頭自下而上擴孔成井。

優點：不需要鑿巖爆破，工人不進入工作面，作業安全，勞動條件好;作業全部機械化，速度快、工效高;井壁規整穩定，通風阻力小;不受傾角限制，適宜高天井掘進[3]。

缺點：設備投資大，動力消耗大;刀具的磨損大，成本較高;鉆機和刀具的質量大，需要大的提升運輸設備，不便于搬運，安裝工作量大;不適宜盲天井上掘。

2.2 施工方案比選

從施工安全、巖石地質條件、施工質量的角度分析，普通法、吊罐法、吊罐法與普通法相結合、爬罐法均無法滿足此次施工的要求。而1 150 m措施平硐、1 155 m分層巷道、斜坡道、1 170 m回風平巷斷面規格為3.16 m×3.60 m，滿足運輸大直徑設備的條件。因此，依據工程條件、地質條件、施工條件，結合現有設備及市場情況確定選用電驅動液壓反井鉆機施工。

3 鉆機選型

根據鉆孔深度和直徑初步選擇ZFY2.5/105/200型反井鉆機[4]，該反井鉆機的技術參數見表1。

對鉆機的主要技術參數進行驗算：

1）壓力驗算。鉆機輸出拉力主要取決于動力頭自重、擴孔鉆頭重量、鉆桿重量、鉆頭破巖壓力等因素。ZFY2.5/105/200型反井鉆機在該工程中最深處的理論最低拉力計算為：

FW=G1+G2+G3+F（1）

式中：FW為提升力（kN）;G1為動力頭自重，為44.1 kN（動力水龍頭和主液壓油缸的質量約4 500 kg）;G2為擴孔鉆頭重量，為56.9 kN（AT2500型擴孔鉆頭的質量約5 800 kg）;G3為鉆桿重量，為223.4 kN（外徑200 mm的鉆桿每米質量約180 kg）;F為鉆頭壓力，為480 kN（直徑2.5 m的擴孔鉆頭布置16把滾刀，破碎抗壓強度28.57 MPa以內的巖石，每把滾刀上的破巖壓力不小于30 kN）。

經計算，FW=804.4 kN。

2）扭矩驗算。扭矩的大小與鉆頭直徑、巖石性質、鉆壓等有關，根據經驗公式計算：

T= ff1hFD/2（2）

式中：T 為扭矩（kN·m）;f為靜摩擦系數，取f=0.65;f1為動摩擦系數，取f1=0.06;D為鉆頭直徑，取2.5 m;h為破巖刀齒壓入深度，取2 mm（掘進速度按v=1 m/h，刀具壓入系數取β=0.85，刀盤轉速取n=10 r/min，h=v/nβ）。

經計算，T=33.09 kN·m。

ZFY2.5/105/200型反井鉆機工作時最大拉力為2 500 kN，實際工作拉力為804.4 kN，未超過反井鉆機設計最大提升力的60 %;反井鉆機工作時最大扭矩為105 kN·m，實際工作扭矩為33.09 kN·m，未超過鉆機設計最大扭矩的60 %;可有效保證鉆孔效率與施工成本的協調。

4 施工工藝及應用

通風行人井施工內容包括：井口標高1 298～1 291 m段為第四系覆蓋層，深度為7 m，采取反鏟挖掘機配合人工正向土方明挖，鋼筋混凝土砌旋（臨近地表鎖口時與反井鉆機基礎同時澆筑）;標高1 291～1 171.48 m段為基巖，采用反井鉆機先正向鉆出導孔（見圖1-a）），再用大直徑鉆頭反向擴孔（見圖1-b））。

4.1 土方明挖

第四系覆蓋層5 m以上土方采用0.8 m3反鏟挖掘機直接開挖，20 t自卸車運輸至指定渣場分區堆放，開挖過程中，對于穩固性較差地段采用噴射混凝土封閉，然后用組合模板和木板支模;井筒支護厚度300 mm，反井鉆機基礎尺寸長7 m，寬3 m，以鉆孔中心為中心，開挖80 cm，混凝土上平面要平整，平整度在1.5 cm范圍內;再采用C25混凝土澆筑。

第四系覆蓋層5 m以下土方采用人工風鎬開挖，開挖完成后用組合模板和木板支模，C25混凝土澆筑。待混凝土達到強度后進行反井鉆機安裝。

4.2 基巖鉆進

基巖段采用反井鉆機的破巖刀具作用于巖石上，從而破碎巖石。先采用直徑270 mm的三牙鉆頭自上而下鉆進導孔，破碎的巖石碎屑通過鉆桿旋轉作用沿著鉆桿與孔壁間的隨洗井液排出孔外;導孔完畢后，將2 500 mm刀盤用井下運輸車通過1 150 m措施平硐、1 155 m分層巷道、斜坡道、1 170 m回風平巷運輸至通風行人井正下方，將滾刀安裝在刀盤上，刀盤與鉆桿連接，擴孔刀具自下而上破碎的巖石碎屑在重力作用下落入1 170 m回風平巷內，定期用井下運輸車輛清運，用于鋪設路面。

4.3 應用效果

反井鉆機在本次施工中優勢特別明顯，具體效果如下：

1）快速高效。反井鉆機施工為機械化連續作業，速度快，比其他施工方法提高工效5～10倍，為后期施工創造了良好的條件，其綜合效益顯著。畢力赫礦通風行人井采用三班作業方式，施工工期為23 d。鉆機平臺搭設與安裝用時2 d，地表5 m覆蓋層開挖支護用時5 d，導孔作業平均單進8.68 m/班，擴孔作業平均單進3.57 m/班，反井鉆機施工通風行人井綜合單進5.50 m/d（含安拆、鉆進和支護工期），施工效率高。

2）安全可靠。傳統立井鉆爆法施工時，鉆孔、裝藥、支護、設備設施施工環節較多，通風難度大，安全不易保證，而使用反井鉆機工藝施工時作業人員不需要深入立井井筒作業，安全系數較高。

3）工藝簡單，節省人力。反井鉆機采用液壓傳動控制，操作簡單，工人勞動強度低，較鉆爆法施工工序少。每班出勤3人即可進行作業，較使用鉆爆法施工，節省大量人力。

4）對圍巖影響小。反井鉆機采用滾刀機械破巖，避免了爆破作業，對圍巖擾動小，井壁光滑，有利于支護（巖石穩定段不需要支護）和后期維護。

5 結 語

在地下開采礦山提升設備和運輸設備具備運輸大直徑刀盤的條件下，反井鉆機能較好適應高度超出60 m、井筒斷面直徑大于2.0 m、地質條件差等豎井的施工。通過機械化換人降低了人員在作業過程中存在的安全風險，通過減少輔助工作縮短了工期，通過消除爆破震動較好地保持了井壁的完整性。反井鉆機在蘇尼特金曦礦業公司畢力赫礦通風行人井施工具有施工效率高、安全可靠、工藝簡單、節省人力、設備操作簡單等優點，且對圍巖影響小，有利于支護（巖石穩定段不需要支護）和后期維護。

[參 考 文 獻]

[1] 劉志強.機械井筒鉆進技術發展及展望[J].煤炭學報，2013，38（7）：1 116-1 122.

[2] 熊詩強.反井鉆機在喀礦3號風井地下人行通風天井的應用[J].新疆有色金屬，2012（2）：10-12.

[3] 彭先林，李佰存，吳君寧，等.對反井鉆機鉆井工藝的認識和應用[J].江西煤炭科技，2008（2）：94-95.

[4] 王強.ZFY3.5/400電控型反井鉆機的設計研究[J].煤礦機械，2011，32（2）：10-12.

Application of? raise boring machine in the excavation of passageway ventilation shaft

Sun Jie

（Sunite Jinxi Gold Mining Co.，Ltd.）

Abstract：Raise boring machine does little damage to wall rocks，is safe and efficient and requires less labor intensity，so it is widely used in the excavation of raises that are higher than 60 m.Since the hoisting and conveying system in Sunite Jinxi mining company has the capacity to carry large-diameter cutter head，raise boring machine is used to construct passageway ventilation shaft.The paper elaborates the process of the drilling selection and construction.The industrial application shows that in the construction of passageway ventilation shaft higher than 60 m with the diameter over 2.0 m，raise boring machine is fast and efficient，safe and reliable，reduces labor intensity，and has less effect on wall rocks.The construction effect is good and the machine is worth promotion in vertical shaft excavation in similar mines.

Keywords：large diameter;raise boring machine;passageway ventilation shaft;equipment selection;construction process