导井正向扩掘法在长井施工中的应用

户瑞平 王永娜 张春旺

(山东黄金归来庄矿业有限公司)

归来庄金矿位于山东省临沂市平邑县境内。矿山原为露天开采，现已转入井下开采。随开采深度不断加深，露天转地下过渡期采用的通风系统已无法满足矿山生产需要，为解决井下通风问题，设计了东部主回风井。主回风井设计掘进断面直径为4.0 m，设计标高为+133～+10 m，深度达123 m。传统的竖井施工方法为由上向下正掘施工，主要难点在于施工距离长，提升出渣和排水困难，效率低，且为独头掘进，人员安全难以保障。探索新的竖井施工方法和工艺成为矿山长井施工的迫切需要。

1 导井正向扩掘法简介

导井正向扩掘法是在有下部出口的竖井施工中首先利用反井钻机施工导井，然后人工由上向下正向刷帮至设计规格，并由导井溜渣、泄水、通风的施工方法。该种方法的先决条件是天井上口具有安全可靠的施工空间，天井下口具有贯通巷道，以解决施工过程中出渣及通风等问题。其与传统的人工正掘法、吊罐法、深孔爆破法相比具有独特优势，各施工方法对比见表1[1]。

户瑞平(1987—)，男，助理工程师，273307 山东省临沂市平邑县地方镇。

表1 不同施工方法对比

2 施工过程

工艺流程为施工准备(场地平整、基础浇筑、轨道铺设)→反井钻机安装(动力电架设)→初步测量放线→钻机试运行→导孔定位→φ244 mm导孔施工→φ1 400 mm导井反掘(反向扩孔)→上口刷帮、浇筑→平台、临时井架安装→正向扩孔[2]。见图1。

2.1 施工准备

要求足够的面积布置钻机基础、循环池、安装钻机、泵站、电液控制系统、堆放钻杆及岩屑等。钻机工作时本身对地层产生巨大推力，必须具备牢固基础，以防钻机移位。

2.2 导孔施工

导孔施工采用φ244 mm牙轮钻头正循环钻进。

图1 导井正扩掘法工艺示意

开孔时校核钻孔角度，初始段10 m每2 m校正一次。开孔时转速、钻压不宜太高，宜控制在10～15 r/min，20 kN。在停、提钻前应将孔内岩屑充刷干净，当钻孔达到预定深度后卸去导孔钻头。

2.3 导井施工

待φ244 mm导孔施工到位后，将牙轮钻头卸下，安装φ1 400 mm扩孔钻头，自下而上反向扩孔形成导井，具备溜渣能力。

2.4 正向扩掘

扩孔施工完成后，使用人工刷帮天井至设计规格。施工前，首先将导井上端采用光面爆破刷大，长4 m，然后采用混凝土浇筑，便于搭建平台，井口封闭预留1.5 m×1.5 m通道即可。井口搭设临时施工井架，安装绞车一台，用于设备提升。在井壁一侧顺路架设人行梯，并间隔20～30 m搭设临时防护平台，确保施工安全，条件允许时可设稳盘。

平台搭设完成后进行正向扩刷帮掘进。采用光面爆破工艺，以φ1 400 mm导井为自由面和爆破空间，采用风动凿岩机向下钻眼，沿开挖边界布置密集炮孔，炮孔间隔50 cm，同时布置2圈辅助眼，排距为40 cm，间距为80 cm，2排间炮孔交错布置，最大限度减少大块。放炮时使用毫秒微差雷管起爆，靠近井心的辅助眼首先起爆，待自由面扩大后，周边眼起爆。刷帮过程中矸石直接由导井放下部巷道，统一由铲运机铲出。每班清理废渣，防止堵塞导孔。

正向扩掘施工过程中人员需进入工作面，扩帮完成后，井壁需根据岩石稳固情况及时进行有效支护措施，确保人员作业安全。

3 施工问题及解决方法

(1)地质结构复杂，溶洞发育，极易出现塌方卡钻现象。在施工φ244 mm导孔过程中，多次出现卡钻现象。遇到该现象，及时停止施工，一种方法是边旋转边提升钻头至塌方上部，然后试探性钻孔；另一种方法是高压水强行冲孔，在冲孔过程中启动钻机转动钻杆，直至钻杆转动提升。

(2)扩孔过程中，钻杆断裂导致钻头卡在已扩挖孔内。此时若从下面处理会非常危险。利用钻杆对钻头施加压力，将钻头顶出；或者由导孔上口用钢丝绳将炸药送至卡钻位置，引爆炸药而震落钻头，炸药用量不宜超过8 kg，防止损坏钻头。

(3)由于地质因素及施工因素，在导孔施工中出现偏斜现象[3]。首先确保钻机安装质量；其次选择合理的钻具结构以提高钻进时的防倾斜能力，钻具应直而圆，不弯曲，不偏心，连接后具有较强的同心度；三是提供详细可靠的地质资料，尽量躲避倾斜地层及岩溶构造发育的区域；四是如果实在无法避免时应缩短复测间距，及时测斜，同时必须及时纠斜。

4 应用效果

归来庄金矿24线主通风井是公司自行设计施工的首条大断面长竖井。在工程地质条件复杂、人工凿岩施工难以保障施工安全的情况下，借鉴国内水利水电工程及煤矿施工经验，勇于尝试全新的施工工艺，取得了很好的应用效果。

(1)风井断面直径为4.0 m，设计长度为123 m(+133～+10 m标高)，倾角为90°。采用反井钻机导孔直径为224 mm，导井直径为1 400 mm。导井施工速度可达6～10 m/d，人工正向扩掘时先期距离较短，按照双循环作业，施工速度可达8 m/d，后期随着工作面不断推进，改为单循环施工，速度一般可保持在4 m/d。采用导井溜渣，底部铲运机出渣，极大地降低了废渣提运时间和费用。

(2)该工艺创造性地将反井钻机施工工艺与人工凿岩相结合，利用导井作为通风通道，避免了人工独头施工。导井施工过程中，能够最大限度地收集掌握工程地质资料，极大地减少了后期人工施工阶段透水、冒顶等意外事故发生的几率。同时反井钻机的使用能够极大地减少炸药等爆破物品的使用，减少炮烟排放，改善作业环境。人工扩掘时，以导井为爆破空间采用光面爆破技术更有利于天井边帮控制，减少了爆破对周边岩石的破坏，从而减少了支护量，确保了人员安全。

5 结 语

(1)反井钻机施工工艺虽然在成本上有一定劣势，但是其所具有的安全、高效、高质量的优点正逐步被水利水电工程及矿山工程所熟知并应用。

(2)导井正向扩掘法利用反井钻机施工，减少高空、炮烟、危岩对施工人员的危害。

(3)导井正向扩掘法极大地提高了成井效率，综合施工速度不低于6 m/d。而传统的施工工艺即使采用双循环作业，其效率也不足4 m/d。因此，导井法成井效率优势明显。

(4)导井正向扩掘法无论在安全性还是在施工效率和施工质量方面均有很好的推广应用前景。

[1] 韦 猛，熊 冰，卢成云.钻机导井法施工竖井的工艺探讨[J].路基工程，2007(5):137-138.

[2] 韦 猛，袁学武.钻孔导井法施工竖井在呷村矿溜矿井的应用[J].探矿工程：岩土钻掘工程，2008(11):31-33.

[3] 袁学武.导井法施工竖井的工艺探讨[J].四川水力发电，2007，26(3)：85-87.