LM150 反井鉆機在礦井回風豎井施工中的應用

金志秀

（西山煤電建筑工程集團礦建第二分公司， 山西 太原 030022）

引言

20 世紀80 年代以來，反井鉆孔在煤礦生產中開始逐漸廣泛應用，采用反井鉆機可從地面向井下或井下各巷道間、煤層間施工暗立井[1-3]。采用反井鉆機施工相對于傳統的吊罐反井法具有效率高、成本低等優點[4-6]。以山西某礦水平軌道下山通風孔施工為例，對采用的LM150 反井鉆機現場技術方案以及應用效果進行探討。

1 工程概況

山西某礦掘進的通風孔主要為+450 m 水平軌道下山回風用，通風孔下口與8 號煤層頂板相距10.5 m，8 號煤層平均厚 5.3 m，傾角 8°～15°，煤層結構較為簡單。施工的通風孔與垂向方向有11°42′的夾角，長度總計30.3m，圓形斷面，凈直徑d 為1.0m，凈斷面積S凈=0.785 m2；掘進直徑為1.2 m、掘進斷面積 S掘=1.13 m2，選用圓鋼筒（用 5 mm 鋼板制作）對圍巖進行控制，在圓鋼筒與圍巖間充填厚度約100 mm 水泥漿，具體需要掘進的通風孔剖面見圖1所示。

2 反井鉆施工技術方案

2.1 總體技術方案

圖1 通風孔剖面示意圖（未標單位：mm）

1）鉆孔卸壓。根據通風孔施工技術條件，在通風孔上口布置卸壓鉆孔，鉆孔控制通風孔施工外輪廓線3 m 并穿越8 號煤層底板1 m 以上；

2）圍巖加固。待卸壓鉆孔施工完畢后，采用卸壓孔對8 號煤體進行加固，避免導向孔或通風孔施工過程中煤壁出現片幫、垮落等問題。注漿加固范圍為通風孔外輪廓線3 m。

3）反井鉆機鉆進施工。注漿加固完成后，采用型號為LM150 反井鉆機施工施工導向孔。將反井鉆機布置在混凝土層上，從上向下開始施工導向孔，待導向孔與巷道貫通后將導向鉆頭更換為擴孔鉆頭并從下到上依次完成擴孔。LM150 型反井鉆機技術參數如表1 所示。

表1 LM150 型反井鉆機技術參數

2.2 鉆孔卸壓

在通風孔上口位置布置5 排卸壓孔，其中第1排、第 5 排布置 3 個卸壓鉆孔，2、3、4 排均布置 5 個鉆孔，鉆孔孔徑均為90 mm，終孔位置需穿過8 號煤層頂板1 m 以上。鉆孔從第1 排依次向第5 排施工，具體卸壓鉆孔布置參數下見表2，布置圖見下頁圖2。鉆孔施工時應根據現場煤、巖層賦存條件進行調整。

2.3 注漿加固

為避免反井施工時煤巖體出現垮塌或者片幫，利用已經施工的卸壓孔對施工區域內的煤巖體進行注漿加固。注漿加固控制通風孔輪廓線外3 m 范圍，所有的卸壓孔均進行注漿，注漿壓力約5 MPa，注漿漿液為水灰質量比為1∶0.8 的水泥單液漿。為便于注漿泵布置在距通風孔上口5 m 位置處，在注漿泵布置兩個容量為0.3 m3的鐵桶并在現場按照預先設計比例制作注漿漿液。

表2 卸壓孔布置參數

圖2 卸壓孔布置示意圖

2.4 反井鉆機施工

2.4.1 施工前準備

首選需要布置反井鉆機、通風孔施工基礎（強度C20 的混凝土層）及其他配套的水池等，要求基礎、水池等布置在穩定、風化程度較低的巖層上[7-8]。通風孔、反井鉆機以及操作臺基礎規格（長×寬）分別為1.6 m×1.6 m、3.0 m×3.0 m、7.0 m×1.5 m，布置的水池池體長×寬×深=3 m×2 m×寬1.8 m。待基礎施工完畢后，應立即進行硬化。硬化后的基礎應平整，以便反井鉆機安裝以及正常運行。

2.4.2 導向孔施工

在導向孔施工鉆進過程中應對8 號煤層進行必要的處理。并對鉆進過程中返渣進行觀察。待導向孔施工至8 號煤層時降低鉆孔施工速度并增加循環量，將導向孔鉆進時片落的煤體沖洗干凈，方可繼續鉆進。整個過程持續到導向孔與下方軌道下山回貫通。導向孔鉆進時破碎煤巖體通過循環鉆井液攜帶出鉆孔。

導向孔施工施工時應重點做好以下安全措施：

1）鉆機司機必須注意力高度集中，正常運轉下嚴禁將鉆機反轉隨時觀察鉆機的運行情況，如有異常則必須停機檢查。

2）鉆機操作工經常觀察液位計，液面高度不足油箱的80%時，應向油箱內加油。鉆機開鉆前對使用過的鉆桿均應進行探傷檢驗和螺紋檢測，發現磨損嚴重應嚴禁使用，以防發生鉆桿斷裂事故。

3）施工時在延接鉆桿前必須清洗連接螺紋，并均勻涂抹專用螺紋油，拆卸下的鉆桿應及時戴上螺紋防護帽。

4）鉆機施工到煤層時，先導孔采用高壓水排渣，擴孔采用噴淋降塵，當鉆進到煤層時，密切注意便攜瓦檢儀的讀數，一但瓦斯濃度達到0.8%，人員立即撤出，停機停電并向礦調度報告。

5）開孔鉆進剩10 m 時，鉆機組施工人員需在導孔下口距導通點10 m 范圍以外設好警戒，禁止任何人進入。

2.4.3 導向孔擴孔

導向孔與軌道下山回貫通后，將導向鉆頭更換成擴孔鉆頭，擴孔鉆頭可一次性完成1 200 mm 通風孔鉆進。導孔鉆透安裝擴孔鉆頭前，必須檢查并撬除下口巷道頂部的浮巖活石，以防頂板落石傷人。當安裝好擴孔鉆頭后，應緩慢提升鉆具，當滾刀與巖石接觸時開始停止鉆具提升并以5～9 r/min 鉆速旋轉，從而確保反井鉆機刀頭不會由于受到較大沖擊而出現損壞并確保擴孔口附近巖體穩定，待刀齒將周邊巖層完全破碎掉后方可繼續緩慢鉆進。在導向孔擴孔初期，在擴孔周邊安全位置應安排專人進行觀察，發現異常后立即向操作臺匯報停止擴孔。為了提升反井鉆機機體及滾刀使用壽命，一般將給進壓力控制在15 MPa 以內。

導向孔擴孔時從下到上進行，當擴孔至8 號煤層及煤層影響帶附近時應降低鉆進速度，待通過煤層后再提升至正常鉆進速度。當擴孔鉆頭擴孔深度達到27.3 m 位置即鉆頭與反向鉆機基礎間距3.0 m時，應降低擴孔鉆進壓力以及速度，并認真觀察反向鉆機基礎及周邊是否出現異常，若有異常應立刻停止施工并采取應對措施；若無異常時則緩慢擴孔直至擴孔出底板巖層。

導向孔擴孔時破碎的煤巖體靠自重直接落到軌道下山內，將掉落的煤巖體采用耙斗機、配合礦車通過軌道運輸系統運送到地面。

2.4.4 圍巖控制

采用圓筒對通風孔圍巖進行控制，如圖1 所示，圓筒采用直徑5 mm 鋼板加工制作而成，每節圓筒凈直徑為1 m、長度為1.5 m。當反井鉆機完成對導向孔擴孔后，采用4 個規格為Φ22 mm×2 600 mm 高強鋼錨桿將下鎖口框固定到通風孔位置，并在通風孔鎖口框位置安裝安裝天輪用于圓筒下防。每節圓筒間采用插接連接，待圓筒安裝完畢后采用水泥漿進行加固填充、填充層厚度在100 mm 左右。

圖3 支護用圓筒示意圖（單位：mm）

3 應用效果分析

3.1 節省排水及通風設備

在反井鉆機施工過程中不需要布置臨時通風系統，采用原有的通風系統即可實現通風孔施工用風需要。同時通風孔施工過程中的涌水經過下部的軌道下山可直接排出，不需要布置專用的排水設備。

3.2 施工效率高

傳統的施工中破巖、裝巖以及支護等各工序耗時長，從而制約了整個施工效率。在通風孔施工過程中采用反井鉆機施工，導向孔鉆進時產生的煤巖屑通過循環液排出，擴孔時產生的巖屑則通過耙矸機轉運至礦車中直接運輸。反井鉆機施工中有效解決了傳統立井掘進排矸困難問題，同時采用圓筒+注漿方式提高圍巖支護效率。整個通風孔施工耗時15 d完成，較傳統的立井掘進技術縮短了約20 d。

3.3 圍巖支護強度高

采用反井鉆機施工通風孔時對井壁圍巖擾動、破壞較小，從而有利于提升通風孔井壁質量。同時采用鋼板制作的圓筒+注漿形成的鋼板混凝土井壁可顯著提升井壁承載能力及防水能力。

4 結論

1）施工卸壓孔可在一定程度上釋放圍巖應力，降低反井鉆機施工難度；

2）將卸壓孔兼作注漿孔對圍巖進行加固，可避免反井鉆施工中井壁塌孔問題；

3）根據通風孔現場條件詳細對反井鉆施工方案、施工工藝進行設計；

4）采用反井鉆施工后，通風孔耗時15 d 掘進完成，較傳統的立井施工技術耗時縮短20 d 以上。