反井钻机在开磷矿山立井施工中的应用

蹇明星,李 忠

(贵州开磷矿业总公司， 贵州 贵阳 550302)

开磷集团拥有得天独厚的磷矿资源，开磷矿区探明磷矿石储量达10亿t， P2O5平均含量33.67%，且有害杂质少、重金属元素镉含量低。目前公司年生产能力已达坑采600万t，计划年生产能力将达到800～1000万t。

随着开磷采矿工艺的革新和采掘设备的大量引进，矿山生产能力、工效大幅提升，矿山现代化建设已取得重大突破，目前矿山井下主要生产工艺都采用了进口大型无轨采掘设备，而且部分凿岩设备已采用了智能化，固定设备设施已全面实现远程操控，其矿山现代化程度已达到了国内一流。

1 矿区地质概况

矿区出露地层为南华系上统南沱组冰碛砾岩、紫红色砂质页(泥)岩，震旦系上统陡山沱组砂岩、磷矿层及灯影组白云岩、寒武系下统牛蹄塘组碳质页岩及明心寺组灰绿色砂页岩等。矿层底板为灰绿色细砂岩，呈中厚层状产出，致密坚硬，普氏系数f=7.3～15.9。矿层的直接底板为厚0～0.5 m的黄、灰白色硅质页岩，呈强风化状态，易产生滑动。磷矿层由呈粒状结构，致密块状，条带状构造的磷块岩构成，菱形节理发育，厚5～7 m，f=6.2～22.2。矿层的直接顶板为棕褐色，黄褐色泥质页岩，呈强风化状态，厚0～0.3 m，极不稳固，f=2～3。上面为含锰白云岩，性脆，较破碎，厚0～2 m，f=8～10。再上为鮞状白云岩及细晶白云岩，致密坚硬，较稳固，f=5.6～18.3，但局部地段存在构造破碎带，节理裂隙发育，甚至发育溶洞，赋存地下水及溶洞裂隙填充物。白云岩以上的为碳质页岩，易风化，较软，f=8～14.5。

2 原立井施工工艺

开磷矿山井下主要生产工艺都采用了进口大型无轨设备，但其风井、溜井等立井或斜井工程的施工，仍采用传统手持式凿岩机施工的钻爆法自下而上(或自上而下)进行掘进，该方法的施工劳动强度大、作业安全性差，施工进度慢等，该施工工艺机械化程度低，与矿山现代化建设要求不相匹配。

3 设备选型及施工工艺

目前国内煤矿山、水利工程在井筒、导水孔的施工中，大量采用了反井钻机，采取一次成井或预先施工导井后刷扩的施工工艺。该施工工艺具有一次成井、井壁光滑、对围岩破坏小、施工人员无需进入井筒作业因而施工安全、劳动组织简单、工效高，劳动强度低等。根据开磷矿山现代化建设的需要，结合矿山的地质特点，开磷决定引进反井钻机进行试验和探索。

(1) 设备选型。经过查询，进口与国产同类型的反井钻机其价格相差近五倍，根据开磷矿区地质特征，考虑先进行试验性应用，选取了适合开磷矿区最坚硬岩层施工的ZFY1.8/40/250型和ZFY2.5/200型反井钻机。该型钻机目前主要用于煤矿山和水电系统竖井和斜井施工，其主要技术参数见表1。

(2) 工作原理。由主机通过钻杆给钻具部分的破岩刀具提供强大的工作扭矩和有效工作压力，使破岩刀具作用于岩石上，对岩石进行冲击，挤压和剪切，从而破碎岩石。钻进导孔时，破碎的岩渣被正循环的洗井液排出钻孔；扩孔破岩石时，产生的岩渣在重力作用下落入下水平巷道或硐室，被及时清理(见图1)。

(3) 工艺流程。先从竖井上水平面由上向下钻进Φ250 mm导孔，贯通后，再在下水平面接扩孔钻头，由下向上扩孔，扩孔直径1.4～2.0 m。施工步骤为：作业平台的施工→ 反井钻机基础及循环水池的施工→ 安放干净油桶配小潜水泵做主机冷却循环水→ 安装反井钻机，并进行调试→ 由上向下钻进Φ250 mm导孔→ 导孔贯通后，拆掉导孔钻头，接上Φ1.4 m/Φ2.0 m扩孔钻头，由下向上进行扩孔施工→拆除钻机并做好防护。

表1 ZFY系列反井钻机主要技术参数

图1 反井钻机工作原理示意

4 反井钻机在开磷矿山的应用

4.1 应用情况总结

应用反井钻机分别在开磷青菜冲矿、马路坪矿、用沙坝矿井下进行了不同深度的溜井或风井掘进试验，涉及的岩层有不同硬度的白云岩、红页岩、磷矿岩、碳质页岩、砂岩；井筒角度大部分为90°，其中有60°和79°。在进行1.4 m直径井筒扩孔试验成功后，进行了2.0 m直径井筒扩孔试验，并取得了成功，现都按2.0 m井筒直径进行施工。到2013年底，共计施工竖井24条，斜井2条，完成工程量1650 m，其中最深的井筒为257 m。导孔施工工效平均为1.48 m/h，扩孔施工工效平均为0.57 m/h，平均偏斜率0.49%，最大偏斜率0.7%。

4.2 应用效果评价

(1) 社会效益。反井钻机立井施工在开磷矿山的应用取得了成功，该施工工艺体现了本质安全和施工高效的特点，彻底改变了传统作业方式的不安全性，并提高了矿山工程建设的工效，对企业的生产发展起到了积极的促进作用。

(2) 可行性评价。从试验状况来看，目前ZFY1.8/40/250型和ZFY2.5/200型反井钻机适用于开磷矿山各类地质条件下的井筒施工要求，施工方式连续性较好，工效远高于普通钻爆法，而且井筒施工质量较好。其掘进断面直径目前可达2.0 m，能够满足于采场溜井和通风井的使用需求。由于作业人员不直接进入井筒内作业，安全风险小。

5 结 论

ZFY1.8/40/250型和ZFY2.5/200型反井钻机分别在开磷矿山中硬、硬白云岩、红页岩、磷矿体中进行不同断面、不同深度的竖井、斜井掘进试验取得了成功，该施工工艺具有井壁光滑、对围岩破坏小、施工安全，施工人员劳动强度低，劳动组织简单、工效高等优点。因此反井钻机立井施工工艺可在开磷矿山推广应用，下一步将进行直径大于2.0 m的井筒的进一步试验。 由于目前的采掘设计，大部分中段高度不大，采场溜井或措施风井总体工程量太小，导致设备有效施工时间短，而转场时间多，因此，该设备和工艺更适宜主通风井或主溜井之类的大工程；同时由于岩层的地质构造对施工制约较大，甚至损伤设备，因此在工程设计时尽量回避大的地质构造。

参考文献：

[1]刘召辉,尚建岗.反井钻机技术在许疃煤矿的应用[J].矿业工程，2005(04).

[2]刘志强.反井钻机技术装备及发展[J].煤炭科学技术，2001(04).

[3]刘志强，杨 红.反井钻井技术应用及发展[A].全国矿山建设学术会议论文选集(上册)[C].2004.