竖井反向开挖专利技术分析

许杰

摘 要：文章利用中外文专利摘要和专利全文数据库，通过检索、统计、整理和分析国内外反井技术的专利文献，整理了该领域技术路线的发展脉络，并基于对相关专利的时空特性、技术领域以及市场布局等方面信息的分析，总结归纳出重点申请人的研发方向和核心专利等结论。

关键词：竖井；开挖；反向；凿岩；钻爆；专利分析

中图分类号：U455.8 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）17-0016-02

Abstract： Using the Chinese and foreign patent abstracts and full-text patent databases， this paper collates the development of the technical route in this field by searching， statistics， collating and analyzing the patent documents of anti-well technology at home and abroad. Based on the analysis of the temporal and spatial characteristics， technical fields and market layout of relevant patents， the author summarizes the research and development direction and core patents of key applicants.

Keywords： shaft； excavation； reverse； drilling； drilling and blasting； patent analysis

1 基本概念

竖井反向开挖，简称反井法（也称反向凿井法），是指在地下工程建设中，由下向上掘进竖井或大倾角斜井的施工方法。过去常用的反向凿井方法有普通法、吊罐法及爬罐法[1-3]。随行业的不同反井的方法也不同，在煤炭系统过去多采用木垛法，冶金系统多采用吊罐法，而水电系统则多采用爬罐法，它们共同的缺点是工作人员必须进入工作面进行打眼放炮作业，受有害气体、塌方、落石、淋水的危脅，安全很难保证，伤亡事故经常发生。为此，从60年代开始，全球范围内开始探讨用机械方法施工反井，经过多年努力，研制成功反井钻机[4]。采用反井钻机进行竖井开挖，工人可以在安全地带操作，也可实现电脑遥控，从根本上解决了反井施工的安全问题，因此，利用反井钻机扩孔开挖竖井技术自诞生以来就一直是一项重要的反井技术[5-7]。

2 数据统计与分析

2.1 申请量年度分布及变化

本文在DWPI、SIPOABS、JPABS和CNABS中根据前文所述检索词以及分类号进行了检索并对检索结果进行分析，竖井反向开挖技术申请量的年度分布及变化见图1。

在全球范围内，竖井反向开挖技术专利申请始于20世纪60年代末期，二战结束后，全球各国对矿产品的需求不断增加，采矿机械等地下施工装备日新月异，随之而来的20世纪70年代中期是竖井反向开挖技术申请量高峰期；随着前苏联、瑞典、德国等欧洲矿业大国的崛起，世界采矿技术和竖井开挖技术不断改进和发展，到20世纪80年代末，以前苏联为代表的采矿技术强国掀起了竖井反向开挖技术专利申请的高潮；但1991年前苏联解体给世界各国经济状况和政治局面都造成了不小的冲击，加之20世纪90年代全球矿业大萧条，期间采矿技术发展相对停滞，相关专利申请量下降；中国作为新兴发展中国家，是矿业需求大国，尤其是改革开放以来，我国采矿工程技术取得了长足进步，虽然在竖井反向开挖技术方面的研发起步较晚，但包括地下工程建设在内的各类工程领域快速发展，不管是传统的竖井反向开挖方法还是现代的反井钻机开挖方法，都随着施工机械的改进和岩土力学理论的进步而取得了可喜的成果，并体现在专利申请量上。21世纪初期至今，我国在竖井反向开挖技术专利申请量上不断增加，占全球申请量比例也逐年攀升，一方面说明发达国家的基础建设和基本工业原料需求量的相对饱和，另一方面也体现了我国工程建设水平的不断提高和经济状况的不断改善。

2.2 申请原创国分布

前苏联（包括俄罗斯）、中国、美国、日本、瑞典是竖井反向开挖技术的主要原创国家，上述几个国家的相关申请量占到了全球申请总量的近90%，如图2所示。这些国家是竖井反向开挖技术最主要的技术原发地和创新市场，其相关企业和科研院所主导着竖井反向开挖技术的动向和发展。其中，瑞典是爬罐法的发明国，日本的侧重点则在顶推掘进方法上，美国以钻头的研发为主，而前苏联（包括俄罗斯）和我国则更注重机械的应用和施工方法的改进。

2.3 重点申请人及其技术分布

根据全球范围内的专利申请，对竖井反向开挖技术重要申请人进行统计，申请量排名如图3所示。可见，竖井反向开挖技术领域重要申请人大部分为世界知名的矿业机械企业，例如阿力马克（ALIMAK）公司、阿特拉斯（ATLAS）公司、罗宾斯（ROBBINS）公司、修斯工具（HUGHES TOOL）公司、山特维克（SANDVIK）公司、史密斯国际（SMITH INTERNATIONAL）、长年（LONGYEAR）公司等。其中，阿力马克（ALIMAK）公司申请量最大，其他主要是美国的企业，少部分是俄罗斯的科研院所。可见，欧美国家在竖井反向开挖技术领域占据了绝对的优势。

对于普通法专利，其申请人主要是排名前三的阿力马克（ALIMAK）公司、阿特拉斯（ATLAS）公司和罗宾斯（ROBBINS）公司；对于爬罐法专利，瑞典作为爬罐法的发明国，瑞典企业拥有最多的爬罐法专利，其次是美国企业和前苏联（包括俄罗斯）的企业和科研院所；对于扩孔法（包括上扩法和下扩法）专利，其申请人分布相对均匀，说明该技术分支获得了广泛的关注和较高的投入。

2.4 专利技术发展演进

吊罐法是早期反井技术的一个重要分支，由于其简单易行而广为使用，其技术演进路线上的主要的改进点在于吊罐形式的变化（例如由吊罐改进为吊盘、由简单刚性吊盘改进为可折叠易运输的吊盘等）和提升方式的变化（例如由简单卷扬机悬吊改进为链条或拖拉绳的张紧拖拽）。但是，由于吊罐或吊盘是由缆绳悬吊，在吊罐或吊盘上进行施工的稳定性问题一直难以解决。因此，吊罐法的另一项重要改进点就是用轨道来承载工作平台，缆绳只起牵引作用而不起悬吊作用。由此，吊罐法逐渐向爬罐法靠拢并被爬罐法取代。

爬罐法与吊罐法相比，其主要优势在于，第一，不需要开凿上部悬吊空间，节省了大量开挖工程，第二，用轨道代替缆绳来承载工作平台，操作人员在平台上工作的安全性和效率都得到了提高。然而，爬罐法与吊罐法的操作人员同样面临着冒顶、跌落、有毒有害气体等诸多风险。随着凿岩机械的不断发展，自动化操作设备逐渐替代了工作平台上的操作人员，也就是说，在爬罐法的技术演进路线上，凿岩工序逐渐实现了无人化、自动化。但是，装药工序却还是不得不依靠人工完成。因此，爬罐法逐渐被机械化程度更高的上向凿岩台车或竖井掘进机取代。

早期的普通法采用搭建梯子间的方式向上钻爆，这样的施工方式是极为繁琐和危险。以底板为支撑、无需爬轨的上向式凿岩台车很快淘汰了这种传统施工方式，即便如此，炸药的装填仍然难以实现自动化。而随着TBM机的出現，竖井掘进机应运而生，这使得反井技术有了革命性的进步。与钻爆法不同，切削式的竖井掘进机，没有装药工序，操作人员不需要长期暴露在工作面，其安全性和自动化程度是吊罐法、爬罐法以及传统普通法所不能企及的。其缺点是成本较高，无法掘进超大断面的竖井。

扩孔法早在20世纪70年代初就已经出现，发展至今，扩孔法仍然是是反井技术中的一个重要分支。扩孔法主要受限于扩孔钻头断面大小，当需要钻凿大断面竖井时，扩孔钻头的断面尺寸往往无法达到全断面开挖的要求。于此同时，乳化炸药的发明使得装药自动化得以实现。于是，出现了扩孔与钻爆相结合的大断面竖井开挖方法。首先自上而下施工导孔，然后自下而上扩孔成井，再在导井中自下而上钻爆扩径，最终成井。正反向扩孔钻爆综合凿井方法，其扩孔工序和钻爆工序均可实现高度机械化，安全性好，施工效率高，成本相较于竖井掘进机低，是大断面竖井开掘技术的重要发展方向。

3 结束语

本文通过对竖井反向开挖技术领域专利技术的分析整理和统计，为相关企业根据现有的专利资源制定专利战略、集中研发力量对该领域的关键技术领域进行攻关提供了参考，有助于相关企业和科研院所构建自己的核心专利和外围专利。

参考文献：

[1]倪元园.658m软岩普通法凿井井筒冻结修复关键技术[J].西部探矿工程，2010（6）：88-89.

[2]李五中，张睿，周建川，等.吊罐法施工斜天井工艺[J].现代矿业，2014（545）：206-207.

[3]王彦龙，米丽平.爬罐法掘进斜井在中东地区某矿山的应用[J].中国矿业，2012，21（4）：94-97.

[4]荆国业.大口径瓦斯抽排井反井施工技术[J].煤炭技术，2014，33（6）：86-89.

[5]于文景，等.现代化煤矿采煤新工艺、新技术与新标准实用全书[M].当代中国音像出版社，2003：232-240.

[6]姜玉松，等.地下施工技术[M].武汉理工大学出版社，2015：105-110.

[7]牛志荣.地基处理技术及工程应用[M].中国建材工业出版社，2004：608.