LM-200型反井鉆機在某錳礦天井掘進(jìn)工程中的實踐

韋勇明，韋志興，段志偉，肖體群

（1.南方錳業(yè)集團有限責(zé)任公司 大新錳礦分公司，廣西 崇左 532315；2.南方錳業(yè)集團有限責(zé)任公司 天等錳礦分公司，廣西 崇左 532312）

0 引言

天井是地采礦山中常見的巷道之一，根據(jù)天井的用途，可劃分為溜井、人行井、通風(fēng)井、設(shè)備材料井、切割井等［1-2］。相關(guān)資料顯示，在金屬礦山基建工程中，天井掘進(jìn)工程量至少占10%；在金屬礦山生產(chǎn)期間，天井掘進(jìn)工程量至少占30%［3］。由此可見，天井施工是礦塊回采過程中一項重要的施工環(huán)節(jié)，其施工的進(jìn)度和質(zhì)量直接影響礦塊回采的技術(shù)和經(jīng)濟指標(biāo)。

按照施工地點的不同，天井施工方法可分為井內(nèi)施工和井外施工。井內(nèi)施工主要包括普通法、吊罐法、掛梁法、爬罐法；井外施工包括鉆井法和深孔法［4］。天井施工方法不同，表現(xiàn)出的優(yōu)點和缺點也不同，例如井外施工避免了人員直接進(jìn)入井筒內(nèi)操作，故井外施工的安全性明顯優(yōu)于井內(nèi)施工；井內(nèi)施工的技術(shù)難度低于井外施工；普通法、掛梁法的直接成本低于鉆井法；井外施工的作業(yè)環(huán)境優(yōu)于井內(nèi)施工。因此，礦山工程技術(shù)人員需要綜合考慮施工天井的功能用途、地質(zhì)條件、施工方法的優(yōu)點和缺點等，選擇適宜的天井施工方法，保證施工的安全性和經(jīng)濟性。

LM-200型反井鉆機主要用于礦產(chǎn)資源開采、水電站建設(shè)等涉及巖體的巷道工程，根據(jù)巷道設(shè)計的規(guī)模，需要在巖層正向掘進(jìn)小直徑的導(dǎo)向孔，然后以導(dǎo)向孔為中心，將導(dǎo)向孔反向擴展至設(shè)計直徑的豎井或斜井。與其他天井的普通鑿巖法相比，LM-200型反井鉆機具有掘進(jìn)速度快、鉆進(jìn)平穩(wěn)、成井質(zhì)量好、安全等優(yōu)點，不僅能改善作業(yè)環(huán)境，還能極大地降低工人的勞動強度。目前，LM-200型反井鉆機建井技術(shù)已在地采礦山和水電站的建設(shè)中得到逐步推廣及改進(jìn)。例如，周勇剛［7］應(yīng)用LM200型反井鉆機在汶南煤礦進(jìn)行工業(yè)性試驗，成功鉆成直徑為1.4m、深度為316m的天井，并通過了部級鑒定；劉剛［8］介紹某大型水利樞紐工程采用反井鉆機成功掘進(jìn)深110 m的引水隧洞；羅曜起等［9］在江西洪屏抽水蓄能電站采用反井鉆機成功開鑿深度為231.1m的導(dǎo)向孔。本文以某錳礦礦房天井工程為例，引入LM-200型反井鉆機設(shè)備，開展鉆井法技術(shù)的實踐，總結(jié)鉆井法應(yīng)用的優(yōu)點和缺點及適用性，旨在為錳礦鉆井法的優(yōu)化和推廣提供參考。

1 工程概況

某錳礦屬于超大型錳礦，地采開拓的礦段主要為原生沉積的碳酸錳礦，共有3個錳礦層，分別為I礦、II礦、III礦，錳礦層之間的夾層分別為夾一、夾二，各錳礦層的產(chǎn)狀與圍巖一致。在本次施工的礦塊中，I礦層平均厚度約為1.8m，II礦層平均厚度約為2.5m，III礦層與I礦層的平均厚度一樣，夾一平均厚度約為1.2m，夾二厚度極薄甚至局部出現(xiàn)尖滅，由于夾層均較薄，所以礦層與夾層采用合采的方式。該礦塊區(qū)域的礦巖松散系數(shù)均為1.5，礦巖的堅固性系數(shù)f為12～15，水文地質(zhì)條件簡單。

近年來，地采礦山工人隊伍整體呈現(xiàn)工人數(shù)量減少、平均年齡增大的趨勢。某錳礦地采工作面較多、生產(chǎn)任務(wù)重，為應(yīng)對工人數(shù)量減少且老齡化的危機，必須大力開展地采機械化作業(yè)。隨著機械化設(shè)備在便捷、簡化、精細(xì)等方面取得進(jìn)步，鉆機在基坑、道路等工程中的應(yīng)用范圍越來越廣泛，例如旋挖鉆機成功應(yīng)用于樁基施工中［5-6］。新的鉆井法的引入既是機械化作業(yè)建設(shè)內(nèi)容中的一部分，也是推進(jìn)錳礦鉆井技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

本次設(shè)計的某礦房天井布置在礦塊間柱中，無斷層和褶皺構(gòu)造，礦體傾角將近90°，巖層較穩(wěn)固，III礦層頂板穩(wěn)固性較差。該天井設(shè)計的角度為81°，連通上、下段的采準(zhǔn)運輸巷，天井上口處為I礦底板圍巖，天井下口處為II-III礦層，天井布置剖面如圖1所示。該天井主要用于行人、設(shè)備材料運送及通風(fēng)，后續(xù)根據(jù)生產(chǎn)需求可能調(diào)整為階段間的主要回風(fēng)天井。

圖1 天井布置位置剖面示意圖

2 LM-200型反井鉆機簡介

LM-200型反井鉆機采用雙馬達(dá)、全液壓驅(qū)動技術(shù)，主體包括操作臺、泵站和主機，可以根據(jù)工程需求選擇需要的配件，如鉆桿、刀盤、鉆頭等。LM-200型天井鉆機的結(jié)構(gòu)如圖2所示，鉆桿的旋轉(zhuǎn)和上下運動都離不開減速箱，鉆桿的旋轉(zhuǎn)是通過主泵電動機帶動軸向柱塞泵，再帶動2個內(nèi)曲線徑向液壓馬達(dá)，通過減速箱實現(xiàn)鉆桿旋轉(zhuǎn)；鉆桿的上、下運動是通過軸向柱塞泵將壓力油傳送至2個推進(jìn)缸，然后通過減速箱實現(xiàn)鉆桿的上、下運動。通過選用鉆桿和鉆頭2個可選件完成導(dǎo)向孔作業(yè)，導(dǎo)向孔鉆進(jìn)的過程中產(chǎn)生的巖渣通過水壓排出；在導(dǎo)向孔施工完后選用擴孔刀盤進(jìn)行擴孔作業(yè)，擴孔過程中產(chǎn)生的巖渣通過自身重力掉落。

圖2 LM-200反井鉆機結(jié)構(gòu)示意圖

3 天井掘進(jìn)施工設(shè)計

3.1 施工方案

本次施工的天井總斜長為62.24m，安排2人同時操作設(shè)備、2人輔助排渣，具體施工內(nèi)容如下。

（1）硐室的開鑿及施工準(zhǔn)備工作。在上階段的穿脈中開鑿反井鉆機基礎(chǔ)及作業(yè)硐室，基礎(chǔ)規(guī)格為3m×3m×1m，硐室中心最高點高于巷道底板4.5m，刷幫工程量約30m3。開鑿的硐室需及時掛好安全防護(hù)網(wǎng)；安裝水管，確保水管供水量不小于30m3/h；安裝風(fēng)機，確保通風(fēng)順暢；在孔位中心點澆筑工作平臺的混凝土基礎(chǔ)，在混凝土基礎(chǔ)上預(yù)留地腳螺栓孔位，然后沿鉆孔方位線鋪設(shè)軌道。

（2）鉆機的安裝和調(diào)試。在預(yù)先設(shè)置的導(dǎo)軌上安裝鉆機，用連接爪將鉆機固定好后安裝調(diào)角靴板；連接鉆機的各個油管，打開電源檢驗各處的連接方式是否有誤；檢查供水系統(tǒng)，將冷卻水開通，務(wù)必保證供水的正常；對照操作規(guī)程，檢查油泵的安裝是否正確，確定無誤根據(jù)工程設(shè)計的角度安裝鉆機并校準(zhǔn)傾角，調(diào)整好后固定鉆機的地腳螺栓，并再次校準(zhǔn)鉆機的傾角，以防鉆機傾角出現(xiàn)移動；確保上頂油缸與硐室頂板緊貼，調(diào)整油缸油壓，鎖緊螺母；再次緊固鉆機地腳螺栓，重新校準(zhǔn)鉆機傾角。

（3）鉆導(dǎo)向孔。連接好鉆頭，將鉆頭下放到指定位置，務(wù)必將扶釬半卡環(huán)安裝到機架的底座，防止鉆頭出現(xiàn)擺動；提前打開冷卻水和循環(huán)水的功能，開孔時的轉(zhuǎn)速不能過高，在鉆進(jìn)過程中需要時常上、下提動鉆頭，以便孔內(nèi)的巖渣排出；鉆頭后的第1根、第3根和第10根鉆桿必須使用穩(wěn)定桿，以降低鉆孔的偏斜率，之后每10m加1根穩(wěn)定桿；鉆距超過3m后，可適當(dāng)提高鉆壓和轉(zhuǎn)速；鉆距超過10m后，需要校驗鉆孔傾角，如果偏斜率過大，則需重新開孔；鉆進(jìn)20m后，每打完1根鉆桿，需要暫停，進(jìn)行排渣后再接上鉆桿繼續(xù)鉆進(jìn)；當(dāng)導(dǎo)向孔鉆通后，立即測量鉆孔的彎曲度，并根據(jù)鉆孔的彎曲度判定是否為廢孔，彎曲度大于2%的導(dǎo)向孔為廢孔，廢孔禁止擴孔作業(yè)，以免損害鉆具。在任何情況下，機頭、鉆桿和鉆頭必須保持在一條直線上，以免鉆機損壞。

（4）擴孔鉆進(jìn)。將擴孔刀盤與鉆桿對正擺放，固定刀盤并保證刀盤距離擴孔面約30 cm，正轉(zhuǎn)鉆桿將擴孔刀盤裝上；擴孔開鉆和導(dǎo)向孔開鉆一樣，保持低轉(zhuǎn)速、低鉆壓開鉆，直至擴孔刀盤整個鉆入巖體后才可以適當(dāng)增加鉆壓，增速保持不變；當(dāng)?shù)侗P即將鉆通時，立即減小提升壓力，進(jìn)入低速鉆進(jìn)；出于安全考慮，在鉆通前的50 cm處立即停止擴孔作業(yè)，開始進(jìn)入拆卸刀盤階段；當(dāng)?shù)侗P拆卸完畢后，剩下的50 cm采取爆破的方式貫通。

3.2 施工注意事項

（1）開鑿反井鉆機作業(yè)硐室時，硐室應(yīng)盡可能地平整，需考慮主機、泵站和鉆桿的擺放位置，保證操作的安全性和鉆孔排渣的方便性；澆筑的機臺基礎(chǔ)一定要堅固，否則導(dǎo)向孔和擴孔會發(fā)生移位，損壞鉆機和鉆具。

（2）為避免偏斜率增大，導(dǎo)向孔的鉆進(jìn)速度不能過快，同時還要注意轉(zhuǎn)速和鉆壓的配合；在碰到裂隙發(fā)育的巖層時，需調(diào)小推進(jìn)壓力，將鉆進(jìn)速度控制在0.4m/h以下；當(dāng)導(dǎo)向孔即將貫通時，推進(jìn)壓力也要調(diào)小，避免鉆具在貫通的一瞬間對鉆機產(chǎn)生沖擊力；必須保護(hù)好鉆孔孔口，避免堅硬物體掉入而損壞鉆具或發(fā)生其他事故。

（3）保證工作斷面平整是擴孔作業(yè)前的必要條件，工作面與擴孔刀盤面之間的夾角不能過大，以免擴孔刀盤和鉆機出現(xiàn)損壞；如果出現(xiàn)擴孔速度陡減、導(dǎo)向孔或井筒內(nèi)異響、鉆桿擺動幅度較大的情況，應(yīng)立即停止擴孔作業(yè)并將刀盤放下，檢查故障原因。

（4）隨時關(guān)注設(shè)備的濕度和溫度，當(dāng)濕度和溫度較高時，必須采取相應(yīng)的保護(hù)措施；當(dāng)濕度和溫度超過額定值時，立即停止作業(yè)，改善工作環(huán)境。

（5）檢查各部件之間的潤滑。檢查減速箱中的潤滑油量是否足夠保護(hù)減速箱中的齒輪和軸承；作業(yè)前必須檢查潤滑供油系統(tǒng)是否能將潤滑油供到所有需要潤滑的部件上；鉆桿螺紋需要涂滿高溫螺紋潤滑脂。

（6）每班作業(yè)前，需要檢查各部件連接處是否緊固，避免鉆機發(fā)生搖晃；同時，檢查設(shè)備所有的油管連接處是否存在滴漏的隱患。

（7）鉆孔或擴孔作業(yè)過程中如果發(fā)生故障，必須向相關(guān)管理人員如實匯報，召開事故分析會并設(shè)計出合理的解決方案。

4 應(yīng)用效果分析

采用LM-200反井鉆機掘進(jìn)天井，掘進(jìn)速度約18m/d，相當(dāng)于普通法掘進(jìn)速度的4倍。鉆井法的安全性遠(yuǎn)超過普通法，作業(yè)人員不需要進(jìn)入井筒中作業(yè)，沒有高空墜落和冒頂?shù)陌踩L(fēng)險。鉆井法施工的天井成形質(zhì)量好，井筒壁光滑，提高了通風(fēng)質(zhì)量，普通法與鉆井法天井成形效果對比如圖3所示。采用鉆井法作業(yè)的工人勞動強度低，普通法要求工人上下反復(fù)搭建平臺和搬運設(shè)備；相比普通法，鉆井法的作業(yè)環(huán)境得到極大改善，工人無需在井筒內(nèi)施工炮孔，只需在作業(yè)硐室內(nèi)操縱機器，避免了粉塵的危害。雖然鉆井法有諸多優(yōu)點，但是鉆井法從偏斜率控制、設(shè)備安裝、工藝細(xì)節(jié)、事故處理等方面對工人的技術(shù)水平要求更高，而且反井鉆機對各部件的安裝及調(diào)試有嚴(yán)格要求，導(dǎo)致反井鉆機前期準(zhǔn)備工作投入的時間較長。盡管鉆井法存在直接成本較高、技術(shù)操作難度較大和前期準(zhǔn)備工作時間較長的不足，但鉆井法從安全、職業(yè)健康、機械化等方面帶來的綜合效益要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通法。綜合考慮鉆井法的優(yōu)劣性、天井施工概況等因素，鉆井法更適用于掘進(jìn)階段天井、盲豎井、主要回風(fēng)井等深度較大且圍巖較穩(wěn)固的天井，產(chǎn)生的綜合效益也更明顯。

圖3 普通法與鉆井法天井成形效果對比

5 結(jié)語

隨著社會的發(fā)展，為應(yīng)對地采礦山工人隊伍人數(shù)越來越少、平均年齡越來越大的危機，地采機械化建設(shè)已成為礦山發(fā)展的必然趨勢。為提高地采天井施工的機械化水平，本文介紹了LM-200型反井鉆機在某錳礦的應(yīng)用情況并進(jìn)行深入的分析總結(jié)，實踐證明鉆井法是提高建井技術(shù)機械化水平的有效方法，它具有效率高、天井成形質(zhì)量好、施工安全性高、工人勞動強度低等優(yōu)點。但是，鉆井法在前期準(zhǔn)備時間、設(shè)備搬運便利性等方面還需要做進(jìn)一步的優(yōu)化調(diào)整，以便推廣應(yīng)用于更多的天井工程施工。