大直径暗立井反井一次成井施工技术

2018-01-17荆国业

中国矿业 2018年1期

荆国业

(1.天地科技建井研究院，北京 100013；2.北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013；3.煤矿深井建设技术国家工程实验室，北京 100013)

0 引言

暗立井又称盲竖井、盲立井，是地下工程连接不同水平巷道的，不与地面直接相通的直立巷道，在矿山、水电站等领域的地下工程建设中，暗立井是必不可少的重要组成部分，其用途同立井。煤矿中根据其所担负的任务不同可分为主暗立井(下一水平的煤炭提升井)、副暗立井(下水平的矸石提升、物料及人员的升降等)、溜煤井、煤仓等设施。安全、经济、快速的施工，对实现矿山均衡生产具有重要意义。目前，立井井筒施工中机械化配套水平普遍较高，但立井施工装备多而复杂，暗立井尤其是大直径暗立井在井下施工时，受场地、设备运输限制，机械化水平较低。大直径暗立井采用的施工方法主要有普通凿井法、反井溜渣再刷扩施工法。普通凿井施工时，提升系统安装不同于地面提升系统安装，所有设备都布置在井下巷道和硐室中，空间小，运输不方便，结构复杂，工作量大，施工效率比较低，施工月进度只有30 m左右。目前常用的反井钻机在井下只能钻凿直径不大于1.4 m的溜渣孔，虽然解决了溜渣孔施工的安全问题，但爆破刷大的安全问题依然存在。尤其在井下相对封闭的空间里，消耗炸药向空气中排放大量的有毒气体和大量粉尘，反井和人工刷大结合，月最高进尺达到成井55 m，平均月进尺45 m，效率依然较低。因此需要研究安全、效率高、排放少的大直径暗立井施工新技术及装备，本文提出反井钻机一次钻成大直径暗立井工艺，钻孔直径2.0～5.0 m，岩性从以沉积岩为主的煤矿软岩地层(普氏系数f<8)，到水电、交通的火成岩及铁矿的高强度变质岩(f>20)，解决了大直径暗立井施工效率低的问题[1-2]。

1 施工技术

大直径暗立井反井一次成井施工工艺包括：施工设备选型、钻机场地布置及基础施工、设备井下运输及安装、导孔钻进、扩孔钻进和设备撤场六个阶段。

1.1 施工设备选型

反井施工选择反井钻机时主要考虑井筒深度、直径和岩石条件，而暗立井施工时还要考虑设备的重量、尺寸、起吊点等因素。

大直径反井施工设备重量及尺寸必然比较大，受井下运输设备承载能力及巷道转弯半径等限制，大型反井钻机的选型要优先考虑模块化设计的反井钻机，在需要拆开分散运输时能够实现快速分拆和组装，且不影响施工精度。根据大直径反井一次扩孔成井破岩需求，通常需要BMC400及以上型号的反井钻机。国内最大的BMC600型反井钻机[3-4]，配套直径327 mm锯齿形螺纹接头钻杆，在扩孔时最大可以输出7 000 kN拉力和450 kN·m扭矩，应用在煤矿中硬岩层(岩石单轴抗压强度<120 MPa)，钻凿直径5 m，深度600 m的竖井。其运输巷道中间高度不能低于3.5 m，主机重量超过26 t，最大不可拆部件达到12 t。BMC400反井钻机最大不可拆部件可以降至6 t，能够满大部分矿井运输能力，可以施工3.5 m左右软岩井筒，具体直径井筒施工设备选型还需要根据地质条件进行调整。

暗立井通常位于巷道的尽头，施工地点位于独头巷道尾部，通风冷却效果较差，设备的冷却需要采取外部循环水进行冷却，齿轮箱也需要强制循环润滑，可以加快动力头散热。

1.2 钻机场地布置及设备基础

根据施工硐室及连接巷道的实际情况，通常采用两种场地布置方式：一种是窄长场地，如图1(a)所示，将泥浆池和沉淀池布置在钻机两侧，设备则在硐室外的巷道里沿直线靠侧帮布置，此布置可以减小硐室的暴露面积，适用于煤矿等地质条件较差支护成本较高的现场；一种是宽短场地，如图1(b)所示，设备布置在反井钻机的周边，泥浆池则远离井筒中心，此布置与地面布置相似，既能减小液压管路的压力损失，充分发挥反井钻机的性能优势，且钻井泥浆槽较长，有利于携带导孔钻进岩屑的洗井液(泥浆)流动沉淀。

图1 井下施工场地布置图

为确保施工安全，大直径井筒反井扩孔时反井钻机的基础钢梁通常不小于井筒直径的2倍，若5 m大直径立井施工其钢梁长达10 m，在井下有限空间难以运输，增加了井底布置难度，采用分段连接钢梁，可以减小运输难度。钢梁连接的基础则针对不同岩体进行地质力学试验和分析，在水电站等岩石完整性好、抗压强度高的暗立井工程中，根据弹性梁理论，利用地锚等结构将钢梁与岩层紧密连接，共同作用，基础钢梁可以适当缩短。通过计算上部承载条件下，扩孔钻头扩孔至地面时，验算裸露井帮的稳定性，减小反井钻机基础尺寸。在煤矿等施工场地岩石破碎或岩石硬度达不到要求时，则需要挖出基础坑，再用C20以上水泥混凝土浇筑成钻机安装基础。

1.3 设备井下运输及安装

设备在井下运输通常采用有轨电车或重载卡车，而大型反井钻机可以采用履带底盘在井下运输。在井下履带运输具有如下特点：①承载能力强，能够满足井下大型设备运输要求；②底盘低，其高度通常能够控制在800 mm高度范围内，有效地降低了运输高度；③转弯半径小，自带动力的履带可以在井下原地掉头，方便设备转场与安装；④不用铺设轨道，可以在井下自由通行；⑤气动或柴油机驱动履带底盘，可以通过有线或无线实现远控，在停电时亦可紧急撤离。

大型反井钻机包括主机系统、钻具系统、液压泵站、操作台等部件。这些部件重量和体积都比较大(主机达25.2 t)，需要采用灵活的中型提吊设备才能准确安装，由于井下施工硐室尺寸限制现有成型起重设备难以进入到工作面作业，钻机主机和配套装备将难以安装，该技术结合反井设备结构特点和井下锚索起吊的能力，完成了一套完整的井下大型设备吊装方案。在硐顶安装多组吊运锚索，每组提吊系统根据位置不同，由不同根提吊锚索和组合锚盘连接而成。并在施工前对所有起吊用的锚索尤其主起吊点锚索用锚杆拉力计张紧，使各根锚索均匀受力，预防锚索受力后逐根脱落发生安全事故。

利用现场条件分别将主机、泵站、操作台、控制开关等安装到相应位置，确保主机安装精度达到1 cm内，满足井筒位置及偏斜对设备安装的要求。

1.4 导孔钻进

导孔施工是反井钻机施工的重要工序。导孔主要作用是下放钻杆，为传递动力到扩孔钻头的钻杆提供通道，对扩孔钻进进行导向。偏斜率小井壁质量好的导孔不仅能够减轻钻具的疲劳损伤，安全快速扩孔，而且有利于后期井壁支护时罐笼的上下行走。

导孔施工采用小直径导孔钻头(多采用三牙轮钻头)从上向下钻进，用清水或泥浆作循环洗井液，将破碎的岩渣从环形空间冲至地面。在较深的暗立井中，破碎地层塌孔及泥浆漏失等较容易引发卡钻等事故。导孔施工需要根据实际情况采用具体措施，确保导孔顺利贯通，透孔点偏斜率不超过1%。这些措施包括：选择和地层相适应的三牙轮钻头，提高开孔精度，合理布置稳定钻杆，严格控制钻进参数。同时要求操作人员提高责任心，随时观察洗井液泥浆流量和岩屑上返情况，判断地层地质状况，并作详细记录，确保井底冲洗干净，岩渣无重复破碎。

1.5 扩孔钻进

自下而上反向扩孔施工是反井施工的核心工序。岩石在滚压破碎后，靠自重迅速剥离工作面落至下部巷道，减少岩渣的重复破碎，实现了高效机械破岩钻进。

大直径刀盘直径通常会大于运输巷道的宽度，整体钻头不能适应大直径暗立井施工要求，需要采用拼接式钻头，将中心管和钻头体各部分分解运至井下工作面后，利用合适吊点快速拼装成直径2.0～5.0 m的扩孔钻头。拼接式钻头有效地减小了扩孔钻头单体部件最小宽度和重量，方便运输。但采用拼接式钻头井下硐室必须在钻头周边留出拼接钻头的安全空间。

大直径扩孔钻头外圈滚刀转速快，破岩面上线速度大，对滚刀的冲击相应增大，缩短了滚刀使用寿命。国内相关研究人员针对大直径钻头滚刀失效原因，相继开发了人造金刚石涂层碳化钨硬质合金钻齿、双金属复合离心铸造的滚刀刀壳、矿用深井破岩滚刀恒压复合密封等技术，分别解决了滚刀钻齿耐磨性，滚刀刀壳耐磨性和滚刀的密封，使滚刀使用寿命在软岩中超过1 500 m，硬岩超过500 m，确保钻头能一次扩透，避免了井下更换滚刀带来的风险[5]。

由于暗立井完全在井下施工，通风效果较差。在扩孔时，岩石破碎后带有大量岩粉，造成下部巷道粉尘量大，因此需要采取降尘措施。在下硐室两端出渣处各设置一到两道降尘水幕，能够有效改善下部工作环境。

大直径扩孔钻头在钻头体受力不对称时，中心管的弯矩比较大，会加速中心管连接螺纹的疲劳断裂。在向上开孔滚刀部分接触下水平顶板时，低压慢速磨平接触面，待钻头完全进入岩层后，方可进入正常扩孔阶段。在遇到破碎带或岩石变层时要减小破岩钻压，低压慢速通过。通过大量的大直径反井实践，逐步积累了大直径反井扩孔钻进经验，能够实现钻进压力、旋转扭矩、钻头转速和破岩进尺等参数的合理匹配，提高钻进效率，减小滚刀磨损，实现大直径反井安全高效扩孔。

在对照组治疗方案的基础上，再予杞竹地黄丸治疗，药物组成：枸杞子15 g，淡竹叶9 g，生地黄12 g，山茱萸20 g，牡丹皮10 g，山药15 g，泽泻9 g，茯苓15 g，女贞子12 g，旱莲草12 g，知母6 g，麦门冬15 g，甘草梢6 g，1剂/d，水煎200 mL，分早晚2次口服。治疗1个月为1个疗程，共1个疗程。

1.6 设备撤场

反井扩孔钻头通常从上水平提出井筒，但大直径暗立井在透孔后，由于上水平面设备较多空间有限，可以从下水平面卸掉扩孔钻头，将钻杆从上水平面提出，撤至地面。在钻机放倒之后按照从外往里逐步撤出。在撤出设备时，扩透的大直径井筒井口要做好防护，防止安全事故发生。

2 应用实例

近年，国内在煤矿、冶金、非金属矿山和水电等领域施工了大量的大直径暗立井反井工程，各行业典型反井钻机施工的暗立井井筒，见表1。其中贵州开磷沙坝土矿南翼回风井工程和金沙江白鹤滩水电站左右岸排风竖井工程是暗立井反井一次成井施工的经典工程。

表1 国内各行业典型反井钻机施工暗立井井筒一览表

贵州开磷集团沙坝土矿南翼回风井工程属贵州开磷集团沙坝土矿与马路坪矿的共用通风井。该井筒直径5 m，深度156 m。开磷集团为亚洲最大的磷矿开采及深加工企业，每年井下反井工程量近5 000 m，过去主要采用小型反井钻机施工Φ1.4 m反井，然后再爆破刷大至3～5 m，采用大直径反井钻机直接扩孔至设计直径，加快了施工速度，减轻了工人劳动强度，提高了作业安全程度。该工程是国内第一次井下采用反井钻机直接扩Φ5 m井筒，也是我国地下工程中采用反井钻一次成井施工的最大直径的暗立井工程，实现了大直径反井钻机钻井技术的重大突破。

白鹤滩水电站是金沙江下游干流河段梯级开发的第二个梯级电站，电站建成后，将仅次于三峡水电站成为中国第二大水电站。左右岸施工排风洞群为左右岸地下厂区施工期通风的综合系统。为解决地下洞室群前期施工通风散烟问题，排风洞施工工期较短。根据各通风井设计参数和地质条件，采用BMC600型反井钻机掘进，一次扩孔3.5 m成井，矸石从主洞内运走，实现安全、快速、优质为目的。成井后进行锁口施工，根据岩石情况选择支护方式，安装通风设备后即可使用。

3 社会效益与经济效益

3.1 社会效益

大直径暗立井反井施工技术的成功应用，填补了国内大型反井钻机井下施工的空白，满足国内水电站、抽水蓄能电站等坚硬岩石井筒建设技术发展需要，同时随着在水电、冶金、矿业开采，以及军事工程方面有重要意义。

1) 反井钻井广泛应用于煤矿风井和其它地下工程井筒工程，其技术科技含量高，施工条件、设备配套要求简单，施工安全可靠，工作人员劳动强度低，不受瓦斯、粉尘、淋水等伤害。

3) 反井钻井工艺取消了普通排水、通风、排矸等设备，大大降低了设备资金的投入和材料的消耗，从安全管理角度上降低了设备事故率和许多不安全因素。

3.2 经济效益

采用反井钻机直接施工大直径暗立井，直接经济效益明显。以某煤矿直径3.5 m风井，深度122 m暗风井为例，采用普通钻爆法施工，掘进与支护综合延米单价约29 000元，工期约95 d。采用小型反井钻机钻进1.4 m的溜渣井，每延米单价约3 800元，工期19 d。爆破刷大至3.5 m后，锚网喷支护厚度150 mm，每延米单价约14 500元，工期48 d，整个暗风井综合延米单价18 300元，工期67 d。而采用反井钻机直接施工该风井，反井钻进每延米单价约8 500元，工期22 d，锚网喷支护厚度150 mm，每延米单价约8 000元，工期23 d，综合延米单价16 500元，工期45 d。反井钻井一次成井施工相比较普通钻爆法施工，综合延米单价降低了43%，工期节省

了53%，相比较小直径反井再爆破刷大，综合延米单价降低了9.8%，工期节省了30%左右。每年大直径暗立井施工超过3万m，如果全部采用反井钻井一次成井施工，直接成本将节省上亿元。在冶金、水电等行业的地层比较稳定，反井钻机施工后的井壁比较光滑，有些可以不支护直接做为溜渣井，井筒施工延米单价将不到1万元。

大直径暗立井反井一次成井施工能够极大地加快井筒施工速度，提高安全性和机械化程度。减少施工场地占用，降低能量消耗，减少操作人员，降低爆破掘进超欠挖及对围岩破坏，减少支护材料消耗，提高通风效果。同时，在提高煤炭和其它地下矿物产量，水电站早日发电，以及安全方面的间接效益更加明显。