旋挖鉆機在采空區干作業施工的研究與應用

王旭

(山西二建集團有限公司，山西 太原 030000)

隨著礦產資源的開采和利用，采空區的治理問題日益凸顯。采空區是指礦山中被開采完畢或被放棄的礦體空間，其地質結構發生了嚴重變化，存在著塌陷、地面沉降、水土流失等環境問題，對礦山安全和環境保護造成威脅。因此，采空區的治理成為礦山開采活動的重要環節。傳統的采空區治理方法主要包括填充法、支護法和固化法等。然而，這些方法在實際應用中存在一些問題，如施工困難、效率低下、安全風險高等。隨著工程機械技術的發展和應用，旋挖鉆機作為一種高效、靈活的工程設備，被引入到采空區治理中[1]。

1 旋挖鉆機在采空區干作業的優勢

旋挖鉆機是一種多功能的施工設備，能夠進行鉆孔、注漿、灌漿等多種作業。在采空區干作業中，旋挖鉆機可以靈活應用于地質勘探、支護施工、治理措施的實施等多個環節，提供全方位的施工支持。旋挖鉆機具有較小的施工空間要求，可以適應狹小、復雜的采空區環境。其結構緊湊，可進行旋轉和平移操作，適應不同位置和角度的施工需求。同時，旋挖鉆機配備了各種鉆具和附件，能夠應對不同地質條件和施工要求，提供靈活的解決方案。旋挖鉆機具備較高的施工效率和作業精確性。通過旋轉鉆桿和鉆具的旋轉運動，能夠快速完成鉆孔作業，并確保鉆孔的直徑和深度控制精準。旋挖鉆機配備了自動化控制系統和實時監測設備，能夠對施工過程進行實時監測和調整，提高施工效率和質量。旋挖鉆機在采空區干作業中注重安全和環境保護。其操作員位于駕駛室內，可以遠離施工現場的危險區域，提供安全的工作環境。同時，旋挖鉆機采用液壓傳動和低噪音設計，減少了施工過程中的噪音和振動，對周圍環境和生態系統的影響較小。旋挖鉆機具備較高的經濟性和效益性。它能夠快速完成鉆孔和注漿等作業，節省了施工時間和人力成本。同時，旋挖鉆機的多功能性和靈活性，使其能夠滿足不同采空區治理需求，提供全面的解決方案，提高治理效果和經濟效益[2]。如圖1所示。

圖1 旋挖鉆機

2 旋挖鉆機在采空區干作業施工的關鍵技術

2.1 地質勘探和預測

地質勘探和預測是旋挖鉆機在采空區干作業施工中的關鍵技術之一。在施工前，需要對采空區的地質條件進行詳細的勘探和分析，包括地層結構、地下水位、地質巖性等參數的獲取。通過地質勘探和預測，可以了解采空區的地質情況，為鉆孔設計和施工參數優化提供依據。常用的地質勘探方法包括地質鉆探、地質雷達、地球物理勘探等技術手段。

2.2 鉆孔設計和施工參數優化

鉆孔設計和施工參數優化是確保旋挖鉆機在采空區干作業中高效施工的重要技術環節。鉆孔設計需要考慮鉆孔的位置、深度、直徑等參數，以滿足采空區治理的要求。施工參數優化包括鉆進速度、鉆桿轉速、注漿壓力等參數的合理選擇，以提高施工效率和質量。通過鉆孔設計和施工參數優化，可以確保旋挖鉆機在采空區干作業中的鉆孔質量和施工效果。

2.3 安全防護措施和環境保護

在采空區干作業施工過程中，安全防護和環境保護是至關重要的考慮因素。旋挖鉆機的操作人員需要嚴格遵守安全操作規程，佩戴必要的安全防護裝備，確保施工過程的安全性。應采取適當的環境保護措施，防止施工過程中產生的廢棄物、粉塵和廢水對周圍環境的污染。這包括建立合理的廢棄物處理系統、盡量降低施工過程中的粉塵和噪音排放，并確保施工現場的環境整潔和安全，提高旋挖鉆機在采空區干作業施工中的效率和質量。如圖2所示。

圖2 旋挖鉆機的安全防護措施

3 旋挖鉆機在采空區干作業施工存在的問題

3.1 地質條件復雜

采空區中的地質層存在復雜的變化，如不均勻的土質、巖石和軟土層的交替。這會導致鉆孔過程中遇到不同的地層情況，需要對鉆具和施工參數進行調整和適應。地層變化還引起鉆孔的偏移、不穩定性和崩塌等問題，增加了施工的風險和困難。采空區中地下水的存在對旋挖鉆機的施工造成影響。地下水的流動和壓力會對鉆孔和土壤穩定性產生影響，導致鉆孔塌方、孔壁坍塌等問題。地下水的排泄和處理也需要額外的工作和措施來確保施工安全和環境保護。采空區中存在大面積的軟土地質，軟土的強度和穩定性較差，容易發生沉降和塌陷。在旋挖鉆機的鉆孔和挖掘過程中，軟土地質導致鉆具卡阻、孔壁坍塌、孔底變形等問題，影響施工的順利進行。對于軟土地質，需要采取相應的加固和處理措施，確保施工的安全和穩定性。

3.2 施工空間狹小

采空區的狹小空間限制了旋挖鉆機的操作范圍和靈活性。鉆機的轉動角度受限，無法完全展開或旋轉，從而影響到鉆孔的位置和方向控制。施工空間狹小還導致設備無法順利進入或退出施工區域，增加了施工的復雜性和風險。狹小的施工空間增加了施工過程中的安全隱患。操作人員在有限的空間內作業，會面臨碰撞、夾傷等危險。施工空間狹小還導致設備之間的干擾和交叉作業，增加事故發生的性。因此，保障施工人員和設備的安全成為一個重要的問題。狹小的施工空間限制了旋挖鉆機的操作和移動，導致施工效率低下。操作人員需要更多的時間和精力來調整鉆機位置、調整操作方式，以適應狹小的施工空間。這會增加施工的時間成本，降低施工效率。施工空間狹小使得旋挖鉆機的維護和維修變得困難。狹小的空間限制了維修人員的操作空間，導致無法方便地進行設備的檢修和維護工作。這會影響設備的正常運行和維護周期，增加設備故障的風險[3]。

3.3 施工安全風險

采空區的地質條件復雜，地層不穩定，存在地面塌陷、巖層崩落等地質災害的風險。這導致旋挖鉆機和施工人員受到威脅，甚至引發嚴重的事故。旋挖鉆機是一種大型機械設備，其操作需要專業的技能和經驗。如果施工人員缺乏必要的培訓和安全意識，存在操作不當、違反操作規程等行為，就會增加施工過程中的安全風險。采空區干作業施工現場通常狹小、復雜，存在許多潛在的危險因素，如高邊坡、坍塌風險、地下水涌入等。這些因素增加了施工人員受傷和設備損壞的風險。旋挖鉆機在施工過程中產生噪音、振動和廢棄物等，對周圍環境造成污染。如果沒有有效的環境保護措施，就會對生態環境和周邊居民造成不良影響。

3.4 施工參數選擇困難

采空區的地質條件多樣，包括不同類型的地層、地下水情況、土質性質等。這導致在選擇施工參數時需要考慮多個因素的影響，如鉆孔直徑、注漿材料的粘度、注漿濃度等。不同的地質條件對參數的選擇和調整提出了挑戰。采空區的治理目標各不相同，有些需要加固支護，有些需要注漿填充。每種目標對施工參數的要求不同，需要根據具體情況選擇合適的參數。然而，確定適當的參數往往需要對采空區的實際情況進行詳細了解和分析，這對工程師提出了要求。注漿材料的性能對施工參數的選擇有著直接的影響。例如，注漿材料的粘度、漿液流變性質、凝結時間等，會影響到施工的效果和質量。因此，在選擇施工參數時需要充分考慮注漿材料的性能，并進行合理的調整。

3.5 施工效率和成本控制

采空區內存在著各種地質障礙物、坍塌風險區域和混凝土結構等復雜工況。這些因素增加了施工的難度和風險，導致施工速度受限，從而影響施工效率。旋挖鉆機作為一種大型工程機械，其尺寸和操作要求會受到采空區空間的限制。狹小的施工空間限制了旋挖鉆機的靈活性和操作范圍，進而影響施工效率。旋挖鉆機施工采用的工藝和操作技術對施工效率和成本控制具有重要影響。不合理的施工工藝、操作不當或者技術不熟練都導致施工速度下降和成本增加。旋挖鉆機施工過程中需要大量的人力、物力和材料支持。合理的資源調配和物資供應是確保施工效率和成本控制的關鍵。然而，采空區施工的特殊性和復雜性給資源調配和物資供應帶來一定的困難[4]。如圖3所示。

圖3 旋挖鉆機采空區施工

4 旋挖鉆機在采空區干作業施工優化策略

4.1 進行地質勘探和預測

在施工前進行充分的地質勘探和預測工作，獲取準確的地質信息。通過地質勘探技術，如鉆探、地質雷達等手段，了解地層變化、地下水分布以及軟土區域等情況。這可以幫助施工方制定合理的施工方案和參數，并提前采取相應的措施應對地質條件的復雜性。根據地質勘探結果，合理設計鉆孔位置和布置，以避開或克服復雜的地層變化和軟土地質。在施工中，根據實際情況和地質變化調整鉆具和施工參數，確保鉆孔的穩定性和質量。根據不同地質條件選擇合適的鉆具類型和規格，提高施工效率和質量。針對地下水問題，采取相應的安全防護措施，如設立防水層、加裝套管等，確保施工過程中地下水的控制和處理。加強環境保護意識，合理處理和排放地下水，避免對周邊環境造成污染和破壞。持續推進技術創新，研發適應復雜地質條件的新型鉆具和施工工藝。通過引入先進的地質勘探技術、施工監測系統等，提高施工的精準性和可控性。加強經驗總結和教育培訓，提高施工人員的地質認知和應對能力。在采空區干作業施工中，加強與地質工程師、設計師、監理等相關人員的溝通與合作，共同研究解決方案，并根據實際情況進行調整和改進。有效的溝通與合作能夠及時發現和解決地質問題，提高施工的效率和質量。

4.2 制定合理的施工方案

在施工前進行充分的施工路徑規劃，確定最佳的鉆孔位置和操作路徑。通過優化鉆孔布置和施工順序，合理利用有限的空間，最大程度地減少設備操作的受限情況。選擇適應狹小空間施工的旋挖鉆機型號和規格。根據具體的施工環境和空間限制，選擇尺寸較小、機動性好的鉆機，以提高施工的靈活性和效率。加強施工現場的安全管理，確保施工人員遵守相關安全規范和操作規程。提供必要的安全培訓，使施工人員具備在狹小空間下安全操作的技能和意識。制定詳細的安全操作指南，包括安全距離、避讓規則等，保障施工人員和設備的安全。加強施工現場的監控和協調，通過實時監控設備的位置和狀態，確保施工過程的安全和順利進行。設立合理的通訊機制，加強各施工環節的協調與配合，避免設備之間的干擾和沖突。制定合理的設備維護計劃，定期對旋挖鉆機進行檢修和維護，以保證設備的正常運行和可靠性。同時，進行預防性維修，及時發現和處理設備的潛在問題，避免突發故障對施工進度的影響。借助科技創新，探索使用先進的無人駕駛技術和智能控制系統，提高旋挖鉆機在狹小空間下的操作性能和自動化水平。通過引入遙感技術和虛擬現實技術等，進行實時監測和仿真模擬，提前發現潛在的問題并進行優化設計。加強施工經驗的總結和分享，建立知識庫和案例庫，為后續類似工程提供參考和借鑒。通過分享成功的施工實踐和解決方案，推動行業的技術進步和施工質量的提升[5]。

4.3 加強安全教育培訓

加強施工現場的安全管理，制定明確的安全規章制度，并進行培訓，提高施工人員的安全意識和技能，確保他們能夠正確操作設備并應對突發情況。在施工現場設置必要的安全防護設施，如警示標志、防護欄桿、安全網等，以保護施工人員的安全。同時，對危險區域進行明確標識和限制，避免人員和設備進入危險區域。定期進行安全檢查，及時發現并排除潛在的安全隱患。利用監測設備對地質條件、地下水位等進行實時監測，提前預警并采取措施應對安全風險。制定完善的應急預案，明確應對各類安全風險的應急措施和責任分工。培訓施工人員應急處理的技能，確保在意外事件發生時能夠迅速有效地應對，最大程度減少損失。在施工過程中采取必要的環境保護措施，如降低噪音和振動水平、合理處理廢棄物等。遵守環境保護法律法規，確保施工對周邊環境的影響在可控范圍內，減少環境污染風險。根據采空區的地質條件和現場特點，制定合理的施工計劃和工藝。通過科學的工程設計和參數選擇，減少地質災害風險，并確保施工過程中的安全和穩定性。加強與相關部門和專業機構的合作與溝通，獲取專業的技術支持和建議。通過與地質勘探、環境保護等專業團隊的合作，共同解決施工安全風險問題。

4.4 制定詳細的施工方案和參數選擇準則

進行充分的地質勘探和實地調查，獲取準確的地質數據。通過地質勘探可以了解采空區的地層情況、地下水位和水質等信息，從而為施工參數的選擇提供依據。進行鉆孔試驗、注漿試驗和材料性能測試等，對不同參數下的工程效果進行評估和比較。通過實驗數據和實驗室分析，可以為施工參數的選擇提供科學依據?？偨Y前期類似項目的經驗和教訓，借鑒專家的意見和建議。與經驗豐富的工程師和專家進行交流和咨詢，獲取他們在類似項目中的經驗，并根據實際情況進行參數調整和優化。在施工過程中進行實時監測和評估，根據監測數據對施工參數進行調整。及時調整參數可以更好地適應采空區的實際情況，提高施工效果和質量。

4.5 優化施工流程

制定合理的施工計劃，充分考慮地質條件、施工工藝和設備特點等因素。通過合理的施工調度，提高工作效率，優化資源利用。加強旋挖鉆機操作人員的培訓與技能提升，提高他們對設備的熟悉度和操作技術水平。熟練的操作人員可以更好地應對復雜工況和工程難題，提高施工效率。定期進行旋挖鉆機的設備維護和檢修，確保其在良好的工作狀態下進行施工。同時，根據實際需要，適時進行設備的更新和升級，提高設備的性能和效率。加強與供應商和合作方的合作與協調，確保施工所需的物資供應及時可靠。建立健全供應鏈管理機制，包括與材料供應商的長期合作關系、定期評估供應商績效、合理規劃物資儲備等措施，以確保物資的及時供應和質量保障。通過工藝優化和創新，尋求更高效、更節約資源的施工方式。可以探索采用先進的鉆孔技術、注漿材料的優化選擇、施工流程的優化等，以提升施工效率和降低成本。建立科學有效的項目管理和監督機制，確保施工過程的順利進行。包括項目進度的及時跟蹤與調整、質量控制與驗收、成本預算與控制等方面的管理措施，以保證施工的高效率和成本控制。引入信息化管理系統，對施工過程進行全面監控和數據分析，提供決策支持和優化建議。通過信息化管理，可以實時掌握施工進度、資源利用情況等關鍵信息，以便及時調整和優化施工策略。

5 結語

旋挖鉆機具有多功能性和高效性的特點，可以在采空區進行土方開挖、鉆孔和注漿等工作。它采用旋轉鉆桿和鉆頭進行鉆孔作業，可以適應不同的地質環境和施工需求。旋挖鉆機在采空區干作業施工中的應用已經取得了一定的成果，能夠有效提高施工效率、降低工作強度，并減少對環境的影響。然而，目前對于旋挖鉆機在采空區治理中的研究還相對較少，存在著許多需要深入探究的問題。針對旋挖鉆機在采空區干作業施工中的研究與應用展開深入探究。通過對旋挖鉆機的特點和功能進行分析，研究其在采空區治理方面的作用和潛力，可以提升旋挖鉆機在采空區干作業施工水平。