浅析斜巷掘进工艺

张国新　薄海涛　徐忠军　赵东日

摘 要：为了提高新采区开拓巷道的掘进速度，通过利用反井钻机施工，开创了全新的斜巷施工工艺。首先将反井钻机安装在上水平，向下水平导孔钻进，在下水平更换扩孔钻头，再由下至上钻进，形成溜岩孔排矸。反井钻机施工结束后，采用钻眼爆破法由上至下掘进。此种斜巷施工工艺是以反井钻机导孔为主要环节，通过对现有设备的改进，大大扩展了其在斜巷掘进中的应用。解决了传统大倾角斜巷掘进中存在的危险性大、容易出现顶板事故、材料运输较困难、工人劳动强度大、施工时间长等问题。

关键词：反井钻机；44°斜孔；掘进

在煤矿生产过程中，及时快速地为回采开拓出采煤工作面是确保矿井正常生产的前提，尤其是像大兴煤矿这样的“双突”矿井，如何提高新采区开拓巷道的掘进速度，就成为了我矿管理及工程技术人员急需解决的重要课题。这使得我们不断探索在采区开拓过程中，如何才能最大程度地采用先进的技术装备，达到既满足安全需要，又能实现井巷的快速掘进。此次44°斜巷掘进采用反井钻进法施工的成功，为此类巷道实现安全、快速掘进提供了宝贵的经验。

1 工程概况及地质情况

1.1 工程概况

南五九层入风上山作为南五九层采区的安全出口之一，是采区开拓巷道中必不可少的一部分，起到行人、通风的作用。

南五九层入风上山是运输中巷与轨道中巷之间联络巷，两条中巷间距40m，高差为22m，入风上山巷道全长45m，其中44°斜长为40m，设计为三心拱断面（宽4m、高2.8m），采用锚喷支护。

1.2 地质情况

斜巷围岩岩性为泥岩、粉细砂岩互层，水平层理，夹中砂、粗砂岩及薄煤线，围岩硬度适中，较有利于反井钻机施工。

2 巷道施工方案选择与施工

2.1 施工方案的选择

本巷道施工共设计了两套方案。

方案一：采用传统炮掘方式。在两条中巷中间设计一条30°斜巷，由下至上掘进，掘进工程量为88m，其中30°斜巷长为45m。

方案二：采用反井钻机导孔施工。在两条中巷中间设计一条44°斜巷，提前在下口掘进一个5m深硐室（为导孔贯通后上1.2m钻头使用），待反井钻机施工结束后，采取由上至下的方式掘进，掘进工程量为45m，其中44°斜巷长为40m。

方案一是大倾角斜巷施工的常規方法，其优、缺点如下。

优点：上山掘进易于排矸，工作面无积水，大大降低了丢炮、落炮的发生。

缺点：上山掘进作业危险性大，容易出现顶板事故，材料运输较困难，工人劳动强度大，施工时间长。

方案二是既要继承方案一的优点，又要避免其缺点而研究的一种全新的施工工艺。但其技术难点是如何使用现有的反井钻机，满足巷道设计要求，突破其施工倾角限制。

经过对相关技术的反复研究与讨论，制定了对反井钻机的安装与使用的改进方案，使之在小倾角钻进过程中始终保持稳定的机身状态，控制导孔钻进的方位能够在设计的范围内。最终确定采取方案二施工。由图可见，方案二比方案一节省进尺43m，且减少了两个拐角。

2.2 钻机选型

根据岩石条件、斜井长度及以往使用反井钻机施工的经验，选择了ZFY1.2/120型 （LM-120）煤矿用反井钻机施工。

ZFY1.2/120型 （LM-120）煤矿用反井钻机主要部件技术参数：主机运搬尺寸（长宽高）2290*1110*1430mm，主机工作尺寸2977*1422*3277mm，主机重量6.0t，全液压驱动电机功率66kW，导孔直径244mm，扩孔直径1200mm，最大钻孔深度120m，出轴转速5-33rpm，额定扭矩15kN·m，最大扭矩30kN·m，钻头允许最大推力250kN，扩孔最大拉力500kN，钻孔倾角60-90°，钻孔偏斜率≤1%，钻杆直径*有效长度？准182*1000mm。

2.3 钻机的安装及固定

ZFY1.2/120型 （LM-120）煤矿用反井钻机由主机、液压泵站及操作控制台、钻具部分、转盘吊、机械手、钻机平车、斜撑杆和辅助卸扣装置等部分组成。由于此次斜巷倾角较小，钻机设计斜撑杆的最小调节角度仅为60°，无法满足44°反井施工的要求。因此此次施工的重点之一就是钻机的稳固问题，需要对其的稳定方式、方法进行重新设计，以满足施工的需要。

钻机基础具体步骤为：采取浇筑混凝土底座，并安设锚杆稳固的底脚预埋件；上部采取“锚索-道木”刹顶；最后在主机与钻机平车用斜撑杆连接后，再采用40T输送机链条将上支撑缸和钻机平车多点锚固的方式稳固钻机。钻机稳固示意图，如图2。

2.3.1 混凝土基础的浇筑。混凝土基础的浇筑是钻机稳固的关键步骤之一，可以说钻机的稳固成与败主要取决于此。混凝土浇灌的尺寸为4000mm宽，上部厚度为800mm。根据地测部门给定的中心、腰线，浇灌出一座混凝土基础台，斜面的方位及倾角偏差？芨1°。在混凝土台斜面上按钻孔中心安设钻机稳定预埋件，并按预埋件孔位埋设10根？准22×2200mm锚杆，要求锚杆外露为200mm。值得注意的是，混凝土基础在扩孔范围内不能有钢筋等物件，必须为素混凝土，以保证导孔、扩孔的质量及安全。防止因为钢筋等刚性物件导致的导孔偏离，以及扩孔至混凝土基础时因为钢筋损毁，导致的混凝土基础的整体垮塌而出现的安全事故。

2.3.2 基础预埋件的使用。预埋件采用30mm厚钢板制成，长2325mm，宽1340mm，矩形。在钢板的几何中心剪切出一个大于直径1200mm圆的面积（图中虚线为扩孔圆的面积），同时按钻机底脚的尺寸钻出四个配套的螺栓孔，用？准30mm螺栓将预埋件与钻机连接。钢板两侧如图所示布置10个锚杆孔位。安设时，将四个？准30mm螺栓安设在预埋件上，并对角拉线，其交点即为开孔中心。沿混凝土基础斜面平放校对中心后，用水平尺调整至水平后，将其锚固。

钻机稳固在混凝土预埋件上，预埋件由10根？准22×2200mm锚杆锚固，经单根锚杆拉拔力检测，单根锚杆的拉拔力不小于10t。由上述内容可知，预埋件的整体拉拔力不小于100t，足以满足反井钻机的最大拉拔力为500kN，也就是50t拉拔力的技术要求。

2.3.3 钻机安装及角度调整

混凝土基础浇灌及预埋件的安设完毕，并经过24小时的养生期后，开始进行钻机机身的安装及角度调整。

利用起重机通过顶板的起吊锚杆将主机吊入基础平台上，对位至连接螺栓并拧紧，在安装上斜撑杆。使钻机主体在和基础平台连接成一个整体的情况下，在通过斜撑杆将钻机主体与钻车平台构成一个稳定的三角结构。由于钻机倾斜放置，且上支撑缸距顶板较远，无法直接利用上支撑缸对钻机进行稳定，为此经过反复研究，决定采取用40t链条顺钻机机身方向，将钻机上支撑缸与底板锚杆连接，使其达到对钻机进行支撑稳定的技术要求。

同时，为了进一步保证钻机在使用期间的稳定性，除了上述的常规稳钻手段外，还额外增加了“锚索-道木”刹顶，使钻机的稳定性得到了最大的保证。具体方法为：先在垂直机身上部的方向，以机身宽度为锚索间距，锚固两个外露超过机身300mm的锚索。用预先加工的钢板背在机身后，两根锚索分别穿过钢板（预先已钻孔），上好锁具。将准备好的木道木整齐的排列在钻机与顶板之间，道木应该略长于锚索间距，这样可以使锚索除了能起到紧固的作用，外还能对道木起到支撑的作用，防止了出现刹顶道木掉落的问题。

结束了以上的步骤后，就要对钻机进行角度的校对了。因为在基础平台的施工过程中已经对角度及方位进行了规范。这时只需要采用机身底脚自带的调节功能进行微调即可，允许偏差在1%以内，确定无误后对钻车平台机械手以下部份进行二次混凝土浇灌。

2.4 钻具的组合使用

稳定钻杆与普通钻杆的组合使用是保证44°小倾角钻进精度的重要途径，其组合方式与一般的竖井钻进有着显著区别，主要原则是靠近导孔钻头段加密布置稳定钻杆，20m以后为10m/根。此次施工连接导孔钻头的第1根为开孔钻杆，以后分别在第3根、第6根、第10根、第15根、第21根、第31根使用了穩定钻杆，一共使用6根稳定钻杆，大幅度提高了钻进精度。

2.5 反井施工工艺

2.5.1 导孔施工。开孔前应重新校对中心，尤其是导孔中心必须是钻机的几何中心。否则，稳定钻杆的稳定翼将与钻机下部棘轮套放生刮卡，阻碍施工的正常进行。在正常钻进情况下，导孔钻进采用高速钻进。动力头向下给适当压力，正向旋转即可。导孔施工速度不宜过快，且应保持连续钻进。对于松软地层和过度地层采用低钻压，对于硬岩稳定地层采用较高钻压。本次地质岩性为泥岩、粉细砂岩互层和砂岩，对导孔较有利，平均每小时导孔钻进2m。随着导孔钻进深度的不断增加，加钻杆停水前冲洗孔底的时间应适当增加（2-5min），在钻透下水平透点3m左右，应逐渐降低钻压，并控制水压，防止堵钻。

2.5.2 对接钻头及扩孔施工。导孔钻透后，将导孔钻头卸下，扩孔钻头对接至钻杆处，通过钻机控制钻杆进退、旋转将扩孔钻头对接牢固。扩孔前，以导孔为圆心人工挖掘一个深1m的扩孔导洞，防止扩孔开孔期间钻头剧烈晃动而损坏钻头钻具钻。提升时使用低钻压钻进，并注意观察油泵压力变化，当扩孔钻头进入导洞并且达到额定压力后，即可按正常工序钻进。扩孔钻进相对于导孔来说，其工序比较简单。但应考虑斜孔提升过程中，岩壁对钻头轴向阻力的增加，所以应比常规扩孔钻进速度有所降低，平均每小时扩孔钻进1m。

2.6 扩断面掘进施工

反井钻机施工完毕后，将上部设备拆除，保留下水平运输系统，为扩断面排渣服务。扩断面采用钻爆法施工，其施工工艺类似煤仓扩孔，出岩经中心钻孔自溜至下水平，巷道采用锚喷支护，循环进尺1.6m。

斜巷掘进期间人员采用固定梯子上下，梯子铺设距工作面不大于10m，两侧有1m高扶手。为确保施工人员安全，防止坠物伤人及人员坠落，掘进期间必须采取以下安全措施：

（1）施工人员必须正确使用安全带。（2）在斜巷上口安设护栏，并设专人警戒。（3）作业时，除放炮外，中心孔必须使用特制箅子进行封闭，箅子边缘与孔壁搭接不小于400mm。箅子安设在孔底，做到下无浮货、摆设均匀，联结牢固。（4）下水平距孔底15m范围内严禁有人。（5）掘进迎头前倾至水平，实现以迎头做临时底板，为施工提供了一个水平宽敞的施工空间。

3 结束语

利用反井钻机施工倾角44°的斜巷在国内应该是首例，尤其是44°钻孔的施工更是开创了反井钻机缓倾角施工的先河，导孔偏斜率仅为0.28%，精度完全能够满足同类施工的要求。

同时，采用反井钻机施工工艺避免了上山斜巷施工片帮事故的发生，解决了下山出岩困难的问题，缩短了施工时间，为斜巷掘进开创了一个全新的、安全的、高效的施工工艺。

参考文献

[1]徐永圻.煤矿开采学[M].中国矿业大学出版社，2004.

[2]东兆星，吴士良.井巷工程[M].中国矿业大学出版社，2006.

[3]陶驰东.采掘机械[M].煤炭工业出版社，2005.

[4]刘志强.反井钻机技术装备及发展[J].煤炭科学技术，2001.

作者简介：张国新（1967-），男，蒙古族，辽宁省朝阳市人，硕士，工程师，现任铁煤集团大兴煤矿副总工程师，研究方向：巷道掘进。