铁矿井下近300m深立井反井施工技术研究

2014-04-02程守业

中国矿业 2014年7期

程守业

(中国煤炭科工集团建井研究院，北京 100013)

在我国，采用反井法及反井钻机(也称天井钻机)在铁矿井下施工立井工程已有近40年的历史，但多以100m以内的浅立井为主[1-4]。近年来，随着一些大型露天矿陆续转入地下开采以及原有地下开采矿井逐步进入深部开采，井下立井设计深度不断增长，深立井施工无论在质量控制还是安全保障方面都对业主、设计及施工单位提出了更高的要求[5]。由于具备全机械化作业、安全系数高、井壁质量好等特点，使得反井法较普通人工钻爆法等其他工艺在井下深立井施工中的优势比在浅井中更加明显[6]。

迁安黑龙山铁矿采用国内自主研发生产的BMC300型反井钻机在井下施工3条近300m深立井，其中最深井达到297m，为目前国内铁矿井下采用反井法完成最深立井，井筒施工安全高效，钻进精度控制良好，实现了反井法施工技术的突破，为我国今后铁矿井下深立井反井施工提供了宝贵的经验。

1 工程概况

黑龙山铁矿地处河北省迁安市蔡园镇，位于华北地台北缘燕山沉降带中段，马兰峪-山海关复背斜的中部，迁安隆起的西部边缘褶皱带中，矿床赋存于太古代迁西群三屯营组黑云变粒岩及紫苏黑云变粒岩中，属于“鞍山式”沉积变质铁矿床。原为完全露天开采矿井，主要开采Ⅰ号矿体和Ⅲ号矿体，目前在继续露天开采的基础上，转入地下开采，一期设计范围为1500～2000勘探线之间-400m以上的矿体，开采地质储量为3979.33万t，依据开采范围内地质储量、矿体形态，地下开采建设规模为年产铁矿石100万t，产品为单一贫磁铁矿。

矿井设计井下施工立井3条，井筒具体规格见表1。

表1 黑龙山铁矿井下深立井井筒规格表

2 反井钻机的选型

反井法施工主要分为导孔钻进和扩孔钻机两个阶段，施工前需要对井筒岩石柱状图进行分析，获取岩石力学数据，计算出反井钻机施工所需导孔推力、导孔扭矩、扩孔拉力以及扩孔扭矩的最大值，通过这些数据选取适合的反井设备。下面以最深井297m井筒进行计算选型。

2.1 井筒岩石情况分析

黑龙山铁矿矿床地质构造复杂，褶皱构造以紧密倒转为特点，断裂构造以韧性断层呈带状展布为特征。

依据ZK1钻孔柱状图可知，反井施工范围内主要地层由上到下依次为：花岗质混合岩、混合片麻岩、黑云混合片麻岩。

花岗质混合岩：肉红色、花岗中粗粒变晶结构，块状构造。主要矿物钾长石、石英、少量斜长石、角闪石。岩芯呈短柱状，局部为长柱状，岩芯最长0.4m，采取率87.6%。

混合片麻岩：浅肉红色-灰绿色，细粒变晶结构，似片麻状构造。主要矿物为角闪石、斜长石。岩芯以短柱状为主，局部地段少量呈碎块状。岩芯采取率73.0%。

黑云混合片麻岩：浅灰色、中粒变晶结构，片麻状构造。主要矿物成分斜长石、角闪石、石英。岩芯呈短柱状，岩芯较完整。岩芯采取率83.8%。

岩石抗压强度：矿石R=120～210MPa，岩石R=80～160MPa；松散系数：矿石K=1.5，岩石K=1.5[7]。

2.2 钻进参数计算[8]

2.2.1 导孔推力P1

反井钻机采用牙轮钻头进行导孔钻进，前苏联学者以直径Φ214mm钻头为标准进行大量实验后得出导孔推力的计算公式，见式(1)。

(1)

式中：f为固定系数，岩石硬度大于150 MPa时取20；K为岩石松散系数，K=1.5；D1为导孔直径,D1=241mm；D0=214mm，将以上数值代入式(1)求得导孔推力P1=337.9kN。

2.2.2 导孔扭矩M1

(2)

式中：k为岩石特性系数，k=16×10-5；D1=241mm；P1=337.9kN；将以上数值代入式(2)求得导孔扭矩M1=7089N·m=7.1kN·m。

2.2.3 扩孔拉力P2

扩孔施工时钻机需要克服所有钻具的总重量及岩石作用在滚刀上的垂直载荷，可由式(3)计算

P2=mg+F

(3)

式中：m为所有钻具的总重量，包括297m钻杆、扩孔钻头及钻机动力头，m=68885kg；F为岩石作用在滚刀上的总垂直载荷，其可由式(4)计算

F=(6.6D1+η)R

(4)

式中：D1=241mm；η=2～20，为经验系数，此处取最大值20；R为岩石抗压强度，此处取最大值210MPa，将以上数值代入式(3)求得扩孔拉力P2=1027076N=1027kN。

2.2.4 扩孔扭矩M2

(5)

式中：k=16×10-5；D1=241mm；P2=1027kN；将以上数值代入式(5)求得扩孔扭矩M2=37564N·m=37.6kN·m。

2.3 钻机选型

结合计算数据以及以往施工经验，决定采用北京中煤矿山工程有限公司BMC300型反井钻机进行施工，该型号反井钻机技术参数见表2。

表2 BMC300型反井钻机技术参数表

由表2可知，该型号反井钻机技术参数均满足该矿井施工要求，4项技术指标均大于施工所需最大值且有一定余量可用于应对突发情况[9]。

3 反井法施工

3.1 施工准备

1)场地。在施工水平巷道内完成一条支洞以满足反井施工，要求洞高不小于5m,宽度不小于5m，长度不小于6m，反井钻机主机以开孔点为中心沿支洞轴线居中布置，布置图见图1。钻机施工时对地层产生较大的作用力，需要在支洞内施工钻机基础，将钻机固定在基础上。

2)供电。反井法施工用电设备主要有反井钻机、泥浆泵、冷却水泵及照明等，现场需要配备满足施工所需的总负荷的供电系统。反井钻机额定功率为128.5kW,水泵功率为90kW,其他用电负荷约10kW，所需供电总负荷不小于230kW，电压等级为380V，电源频率为50Hz。

图1 钻机布置(单位：mm)

3)供水。现场需架设50mm供水管路，有专用泵供水。导孔施工时水量不小于10m3/h，用于循环水排渣及冷却钻机系统。扩孔时水量不小于5m3/h，用于冷却钻机系统及扩孔钻头。

4)通信。导孔结束后接扩孔钻头时需要上下水平随时沟通，扩孔过程中下水平安全警戒范围内也需要具备随时向上水平钻机操作人员通报情况，需要在上水平操作台及下水平透孔点附近建立通信系统。

5)照明。反井钻机为连续作业，为保证井下施工，在钻机、开关柜、循环池等位置分别设置不小于200W的照明灯，并作防水保护。

3.2 导孔施工及偏斜控制

导孔施工是反井法施工的关键，要求在安全快速施工的同时保证井筒的精度，偏斜率必须控制在1%以内，同时需要随时注意返渣岩石性质及数量的变化，以免发生塌孔、埋钻等事故，反井法施工虽然不是取芯钻进，但根据对钻进过程观测以及返出岩屑的分析，可以对地层有初步定性和了解，为Φ1.4m扩孔钻进、孔壁支护以及后期刷大提供必要的参考[10-11]。

1)开孔。钻机安装完成后，对钻机进行超平找正，保证开孔垂直度。二次浇注混凝土，井下需要7天的养护时间，待混凝土达到强度既可开孔。将Φ241mm导孔钻头与开孔扶正器以丝扣连接在一起进行开孔作业，采用低钻压、低扭矩，保证开孔垂直度。

2)导孔推力的控制。导孔推力随岩性及钻进深度的变化而调整，推力过大会导致偏斜率的增大及导孔钻头的损坏，推力过小则会影响钻进效率，所以应采用低于最佳钻进速度的钻压进行施工。

3)转速的控制。转速可以通过实验和计算确定，但大多采用厂家出厂时提供的推荐值，且随着导孔推力的增大，转速应减少，反之，导孔推力减小时，转速应增加。本项目转速基本控制在10～15r/min之间。

4)稳定钻杆的合理选择及布置。稳定钻杆是保证导孔偏斜率最有效的工具，稳定钻杆的合理选择主要是对其直径的选择，直径与导孔钻头相比过小容易使钻杆在钻孔内产生晃动从而失去作用，过大则会增大钻进摩擦阻力降低钻进效率。稳定钻杆的合理布置也很关键，通常将两个或更多的稳定钻杆连在一起，形成一段刚性的钻具组保证钻进垂直度，还要考虑全部钻具的重力分配，在合适的位置布置稳定钻杆。本项目选用直径Φ241mm三合金翅稳定钻杆，分别布置在1、2、3、7、30、80根的位置上。

5)导孔偏斜控制情况。导孔完成后经过测量，3条井筒的偏斜率均控制在1%以内，其中297m回风井终孔偏斜1.8m，偏斜率0.47%。偏斜率见表3。

表3 井筒偏斜率统计表

3.3 扩孔施工

导孔钻进与下水平巷道贯通后，在下水安装Φ1.4m扩孔钻头，安装时确保上下水平通信通畅，连接时上下呼应。扩孔钻头接好后，慢速上提钻具，直到滚刀开始接触岩石后停止上提，用最低转速(5～8r/min)旋转，并慢慢给进保证钻头滚刀不受过大的冲击而破坏，等刀齿把凸出的岩石破碎掉后正常扩孔。在扩孔过程中，岩石硬度较大时可适当增加钻压，反之可以减少钻压。下水平需要及时出渣，防止堵孔。