反井鉆井技術在硬巖條件下礦山豎向開拓中的應用

劉克安

（中國有色金屬建設股份有限公司，北京 100029）

反井鉆井施工技術近年來得到長足的發展，在煤礦、金屬礦山、水利水電和交通運輸等諸多行業得到成功的應用，有效解決各類工程建設中豎向通道的工程施工[1-3]。在水電工程中成功應用反井鉆井施工技術完成大直徑引水井的一次成井[4-5]，在隧道工程中成功應用反井鉆機施工技術完成通風豎井的施工[6-7]，在礦山工程中，反井鉆機施工技術分別被用于大直徑通風井、進回風井、溜井施工、人行天井和暗立井掘進[8-10]工程中，都能有效解決這些工程的施工建設。反井鉆機施工利用機械破巖，在人員安全方面有巨大優勢，隨著大型反井鉆機設備、刀具、控制系統的研發，應用的范圍將會越來越廣泛。印度豎井工程建設過程中，涉及大量的豎向開拓工程，在硬巖條件下利用反井鉆機完成豎向開拓工程，取得良好的應用效果。

1 工程概況

印度豎井項目位于印度拉賈斯坦邦，工程主體為一條千米混合井及井下溜破系統，地表高程為511.5 m，井筒凈直徑7.5 m，井深1 051.5 m。項目區域內地質環境為前寒武紀帶狀片麻巖復合群巖層，主要巖石為片麻巖和片巖及其帶狀片麻巖復合體，豎向開拓工程主要位于石黑云母片麻巖、鈣質硅酸鹽、白云巖和黑云母片巖等巖層。工程范圍內巖石硬度較大，巖石質量較好，水文地質條件簡單。工程范圍內的豎向開拓工程包括回風天井、人行天井、原礦倉、成品礦倉、礦石溜井、廢石溜井和采區通風井等。豎向工程技術特征及工程量清單見表1。

2 施工工藝

在反井施工過程中，除了2 條直徑3 m 的長反井采用國外Robbins 反井鉆機施工外，其余反井均由國產鉆機完成，根據井筒擔負的功能及支護形式不同，分別采用反井鉆機一次擴孔成井及二次鉆爆法擴孔成井，下面對施工應用范圍最廣泛，完成工程量最大的直徑為2.4 m 的采區通風反井施工工藝進行介紹。

2.1 設備選型及參數

采區通風反井的反井鉆機施工，由于受到分段巷道尺寸的限制，采用ZFY-2.5/100D 系列低矮型反井鉆機進行施工。由上至下導孔施工時配直徑為270 mm三牙球齒合金鉆頭；導向孔透孔后，由下至上擴孔施工時配直徑為2 400 mm 鑲齒盤式滾刀反孔鉆頭。由鉆機提升鉆頭擴孔，最后成井尺寸為2 400 mm。鉆桿直徑為210 mm，單根鉆桿長度為1 000 mm。

2.2 施工準備

反井鉆機施工硐室斷面為L10 m×B4.5 m×H4.0 m（鉆機高度5 m，硐室高度不夠需挑頂，挑頂面積不少于2.5 m2，位置在鉆孔的正上方，以基礎表面為基準），獨頭巷道設備擺放長度不少于19 m，寬度不少于4.5 m，可滿足反井鉆機施工需要。對反井鉆機施工硐室進行錨網噴臨時支護，支護技術參數：錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm，網片搭接100 mm，噴漿厚度50 mm，噴射砼強度C20。

復核礦區巷道布置圖等技術資料，確定反井的上、下口坐標，進行測量定位。提前按照導孔的上口坐標澆筑好反井鉆機基礎，以反井導孔中心線為中心，澆筑基礎尺寸L5 m×B3 m×H0.6 m，混凝土強度M20，澆筑過程中預留出排渣溝槽，反井鉆機主機基礎如圖1 所示。壓風、水、電源等連接至施工現場，確保反井上下口具備施工條件。風筒連接至施工現場，距工作面距離不大于6 m。施工現場準備低壓配電柜，以備鉆機主泵、副泵、水泵等設備搭接電源，另在工作面安裝一臺污水泵便于排水。

圖1 反井鉆機主機基礎圖

2.3 施工方案

2.3.1 測量放線

根據礦區巷道布置圖等技術資料確定的反井上、下口坐標，在反井鉆機施工硐室頂部放樣出上口中心點，在下口巷道頂板放樣出下口中心點，下口若無放樣條件，可放出下口中心點的十字方向。上、下2 點確保打鉆時不傾斜。

2.3.2 設備運輸

反井鉆機技術參數：鉆機型號為ZFY-2.5/100D，鉆機主要分為6 大部分，即主機，主，副泵站，鉆具，主機基礎梁，液壓控制臺和一些零散小部件，以及電控箱，工具箱，其中最重和外形尺寸最大部分為擴孔鉆頭部分5.3 t。礦井能夠提供的箕斗大小為4.0 m×1.9 m×2.6 m，提升重量不大于6 t，拆解后的鉆機各部件符合罐籠下放條件。礦井運輸巷道斷面為3.5 m×3 m，鉆機部件的拆卸需滿足運輸要求，井下運輸采用鏟運車將鉆機主機運輸至施工現場。

2.3.3 直徑270 mm 導孔施工

導孔先用低鉆壓鉆進，以防打偏或震壞孔口，鉆進5 m 后，即可以正常壓力鉆進，ZFY-2.5/100D 反井鉆機的推進油缸為3 只直徑為200 mm 的油缸，每個油缸的下推力都很大，而鉆進所使用的三牙輪鉆頭許用最大推力只有222.5 kN（23 t）。因此，工作時鉆孔推進壓力不宜超過10 MPa，否則將造成三牙輪鉆頭的提前損壞。每鉆進10 m，加1 根穩定鉆桿，以防鉆桿擰的過緊和銹蝕，應該在鉆桿絲扣上涂抹黃油，鉆孔要及時清除至井口的巖渣。并隨時觀察排量和粒度，發現排渣不暢時，應加大水量，降低轉速。

2.3.4 直徑2 400 mm 反向擴孔施工

當導孔施工完畢時，將大鉆頭運至溜井下口位置，利用人工將導孔鉆頭卸掉，電話通知鉆機操作手，放下動力水龍頭，電機正轉旋接絲扣，旋緊鉆機后，提出動力水龍頭，取出上卡瓦，進行擴孔鉆進。擴孔開始時，要特別注意壓力，不要連續推進，一般每推進一次，待刀具無碰撞后再行推進，每次推進距離不大于10 mm，待整個刀盤全斷面鉆進后，方可按正常壓力擴孔。擴孔發生卡鉆時，應立即反向推進，使刀具遠離巖石，再緩緩推進，不得在刀具接觸巖石時使電機反轉。反井快擴通時，應低壓順序或間斷推進。

2.3.5 反井下口排渣

在擴孔鉆進過程中，每完成兩班擴孔鉆進，必須停止擴孔，在反井下口完成排渣，排渣使用鏟運機完成，排除的廢渣用于井下采空區回填。排渣過程中需要檢查廢渣的顆粒大小，如果顆粒較大說明所鉆地層巖性較軟，鑲齒滾刀能夠摳落圍巖，此時擴孔鉆進速度較快；但如果廢渣顆粒較小并大部分呈粉末狀，則說明所鉆地層圍巖較硬，擴孔時需要保持高鉆壓、低扭矩鉆進，控制鉆進壓力及擴孔速度。

3 故障分析

由于反井鉆機施工過程中受地質條件因素影響，可能遇到的施工故障多變，這就需要操作過程中不斷總結施工經驗，針對不同故障采取相應補救措施。

3.1 遇破碎帶的施工措施

反井鉆機在導孔鉆進過程中，一旦遇到巖石斷層、破碎帶，就會出現洗井液（排渣水）漏損，不返水或水流量不足、排渣不暢現象，如不及時處理，將造成因巖粉抱死鉆桿，所有鉆桿都無法取出的重大事故。因此，一旦發現不向外出水或水流量不足、排渣不暢現象，及時停止繼續往下鉆進，將鉆桿往上提0.5～1 m，繼續用洗井液沖洗小孔，如果洗井液回流量能夠逐漸加大直到正常，說明巖粉能夠將裂隙或破碎帶慢慢填滿，這樣就可以繼續慢速鉆進，觀察施工情況，鉆進2～3 m 后才可以正常鉆進；如果洗井液回流量一直很小或繼續變小就必須立即將所有鉆桿從導孔中取出，往孔內灌注水泥漿，將裂隙或破碎帶堵死，待水泥漿完全凝固后才能重新開孔鉆進。

3.2 急傾斜巖層導孔鉆進方法

鉆孔偏斜率是反井鉆機施工成敗的關鍵考核指標，鉆頭鉆進的方向在很大程度上取決于鉆頭與硬度變化的巖石表面相遇時的角度，如果角度小，由于鉆頭受到巖石表面對鉆頭的水平分力較大，因而鉆頭一般朝著與變化的巖石平面平行的方向鉆進；如果角度大，由于鉆桿受到偏心載荷，使得鉆桿朝著受力較大的一側彎曲，因而鉆孔的偏斜將趨向與變化的巖石平面成垂直的方向鉆進。因此在施工前必須了解施工段巖層的結構變化情況，深孔施工時根據施工前勘探所得到的地質柱狀圖在遇到軟硬巖層交接處提前1 m 左右就做好防偏斜措施，將鉆壓盡量降低，待三牙輪鉆頭（導孔鉆頭）完全進入交接巖層并超過1 m 以上再開始正常鉆進。

3.3 硬巖條件下擴孔鉆進方法

相比于常規的地質巖層條件，硬巖條件下擴孔鉆進需要采取措施，巖石較硬時，要高鉆壓、低扭矩，經常憋鉆時，要降低鉆壓，在將擴透時，必須降低鉆壓和扭矩，直到擴孔鉆頭露出。擴孔鉆進時，發現排渣不暢，鉆頭激烈晃動，壓力不穩，鉆進困難時，可能是有大塊矸石落在刀具上擠壓刀具所致，此時將刀具下放一定距離，多次高速旋轉，將矸石甩掉，若無效果時，把鉆頭下放到底進行處理。在擴孔鉆進過程中，由于巖石硬度較大，會導致鑲齒滾刀的合金刀頭磨損嚴重，甚至造成滾刀的直接脫落，施工中出現的鑲齒滾刀損壞及脫落現象如圖2 所示。因此，硬巖條件下擴孔施工，一是要確定合理的擴孔刀盤滾刀布置形式，選擇適用于硬巖條件的鑲齒滾刀；二是要采用一體式擴孔鉆頭，加固滾刀底座，加密擴孔鉆頭邊刀；三是要根據地質情況動態調整鉆進參數，通過試驗獲得合適的鉆壓及扭矩。對于擴孔鉆頭的滾刀布置方式改進如圖3 所示。

圖2 擴孔鉆進過程中滾刀出現的問題

圖3 改進后的擴孔鉆頭

4 應用效果

4.1 質量控制

鉆機豎立安裝時，為確保垂直，必須將主機水平找正并加固，確認無誤后方可開鉆。反井鉆機在導孔鉆進期間，應根據巖石硬度靈活調整油壓，以防止鉆進時主機移位，出現導孔偏斜。擴孔期間應對各部油壓表細致觀察，根據巖石的硬度隨時調整油壓操作，當擴孔鉆頭至上部時，應緩慢轉至上口，停鉆后將大鉆頭用鋼絲繩提起，方可拆除主機。反井鉆機施工滿足成孔直徑2.4 m，反井孔壁平滑，偏差率不超過1%。反井施工質量與地質條件和施工操作密不可分，本工程在硬巖中完成反井施工，成井效果較好，擴孔后反井井壁光滑，裸巷無需進行支護，成井后效果如圖4 所示。

圖4 反井成井后效果圖

4.2 工程進度

根據本工程中近30 條反井施工的進度統計，施工過程中主機基礎澆筑，以及風水電等輔助設施的準備需要約15 d，設備的運輸、組裝及找正需要約12 d，導孔鉆進過程中每班完成4～5 m，每天3 個班可以完成約14 m 導孔，擴孔鉆進過程中每個班完成3～4 m 擴孔，每天安排兩個班擴孔一個班排渣，每天可以完成約8 m擴孔，完成一條百米反井需要約45 d。

4.3 應用范圍

結合本工程實施情況，反井鉆井技術在硬巖條件下礦山豎向開拓中，可以應用于主通風井、采區通風井、原礦倉、采區溜井、廢石倉及廢石溜井、人行天井、管道及電纜井、采場切割槽等豎向開拓工程。

5 結束語

對于硬巖條件下礦山豎向開拓工程的施工，結合本工程近30 條不同功能的反井施工經驗，取得了較好的應用效果。因此，在礦山豎向開拓中采用反井鉆井技術可減少工程成本，改善施工條件，提高施工效率，以期為類似工程施工提供參考。