夏甸金矿大直径深立井反井施工技术与应用

2019-10-21程守业荆国业

中国金属通报 2019年9期

周兴，程守业，荆国业

（1.北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013；2.天地科技建井研究院，北京 100013）

反井是地下采矿连接不同水平巷道的暗立井，是重要的井巷工程，一般采用由下向上的反向凿井方法（称为反井法）施工。我国最初的反井施工较多采用木垛法、吊罐法、爬罐法，这些施工方法均需施工人员进入井筒中凿岩爆破，劳动强度高，安全隐患大。反井钻机施工法施工时，设备及人员均位于上水平作业平台，人员不需要进入井筒，完全采用机械破岩的施工方法。该方法从根本上改善了作业条件，降低劳动强度，消除安全隐患。反井钻机钻井先自上而下导孔，再接大钻头自下而上扩孔。目前，国内研制的BMC系列反井钻机，钻孔直径从0.75m到5.0m，钻井深度从100m到600m。研制的系列破岩滚刀，解决了坚硬的、磨蚀性强的岩石有效钻进和刀具寿命问题[1，2]。

金矿由于岩石坚硬，工程条件特点及反井钻机施工能力限制等原因，竖井反井施工通常在直径2.0m，深度200m以内的井筒。施工大直径深立井时（直径＞Ф2.0m，井深＞200m），不能一步到位，通常先采用反井钻机导井Ф1.4m，再人工钻爆刷大成井。夏甸金矿开创金矿领域反井施工记录，535线专用回风井采用大直径BMC600反井钻机施工，一次扩孔成井Ф3.5m，深度366m，无需再刷大爆破。实践表明，该方法施工效果良好，为金矿深部开采通风条件带来新技术，新装备，新工艺。不仅具有占地小，快速、施工安全环保的优点，还能解决扰民和地面出渣等诸多问题。

1 工程概况

夏甸金矿位于山东省招远市夏甸镇西芝下村，距市区38km，交通方便。是山东招金矿业主力矿井，具有日处理能力达6000t的大型生产矿井，年产黄金达12万两。该矿开采深度已达-1080m，井下温度超过30℃，深部开拓急需解决通风问题。535线专用回风井井口坐标为Z=+160.526m，井底坐标Z=-206.048m，井深366m，直径3.5m。该井表土层9m，金矿岩石坚硬，花岗岩为主，f＞12，无涌水。该井附近紧邻水库、空压机房和民房，施工场地狭小。该工程采用BMC600大直径反井钻机施工。

2 工程施工

2.1 钻机选择

根据工程施工特点，综合井深、岩石硬度，施工场地及地质等条件，采用国内性能最强的BMC600大直径反井钻机（见表1）。该钻机已广泛应用于国内水电、煤矿、有色、交通等领域，成功施工多条直径为Ф3.0m～5.0m的井筒。钻井深度可达600m，钻孔直径5.0m。

具有代表性的反井工程有：山西柴沟煤矿风井，直径5.0m，井深308m；甘肃敦格铁路当金山隧道通风井，直径3.0m，井深442m；贵州开阳磷矿井下施工竖井，直径5.0m，井深156m；河北丰宁抽水蓄能电站引水斜井，倾角53°，直径2.5m，斜长224m；重庆松藻煤电瓦斯抽放管道井，直径1.6m，井深495m。

2.2 表土处理

由于BMC600反井钻机工作时会产生近400t的压力作用于地层，因此需要对钻机基础及表土段进行处理。表土及风化岩层厚9m，施工时采用挖机配合人工开挖，开挖荒井直径为4.6m，井壁采用钢筋混凝土制作，壁厚500mm，开挖后回填素混凝土C10。

2.3 钻机基础施工

使用大型设备施工井筒，设备基础是关键工程之一。直接影响整体施工进度、质量和降低工程造价，尤其是需要表土开挖的井筒。钻机基础作为支撑钻机重量及钻压，极其重要，要求牢固平整。本工程在处理井筒锁口段时，钻机基础和锁口段作为一个整体块填实混凝土C30，以增强钻机基础的强度。实际表明本工程钻机基础在反井施工过程中及成井后非常牢固稳定[3,4]。

2.4 导孔施工

反井钻机导孔钻进是关键，关系到整个井筒质量的好坏，既要满足偏斜要求，又要防止堵孔、塌孔和埋钻等事故的发生。通过导孔返渣情况可了解地层的结构，为扩孔和成井提供依据。施工区域地质没有详细的地质柱状图，由于之前该部施工过2条放料孔，但由于该处地层复杂，在原放料孔多次进行钻孔施工及挪位后均未取得成功。为了安全顺利完成导孔施工，采用SL600A钻机进行导孔施工，分两步工序，先钻Ф114mm的小孔，再换上Ф350mm钻头刷大；钻完之后开始安装BMC600反井钻机，再用Ф350mm小钻头扫孔。该钻机优点是具有快速通过不良地层条件的能力，缺点是不易控制偏斜。

2.5 扩孔施工

扩孔施工包括：Ф3.5m钻头下井运输、钻头拼接及安装、扩孔进尺、井帮稳定成型，钻头滚刀的消耗及更换、出渣（包括降尘排水）系统等工作。

钻头下井时需要通过罐笼或斜坡道，夏甸金矿罐笼尺寸为3600mm×1600mm×2700mm，斜坡道断面规格为4.5m×3.6m，巷道断面规格为3.2m×2.4m。根据工程特点及巷道低、窄的条件，为便于运输和安装，将Ф3.5m扩孔钻头设计为分体式结构。为安全、快速地将扩孔钻头由斜坡道通过运矿车分体运至井下工作面，再在井下进行拼装。

表1 BMC600反井钻机技术参数

扩孔时每米出渣为11m³，每天进尺6m～8m，出渣量超过80m³，该井排渣量总共约3600m³，由于渣量大，必须在施工前考虑出渣方式、排渣地点。在井下，出渣一般采用用铲运机倒进卡车，再运至地面，存在线路过长的问题，不仅影响效率，而且车辆交叉作业，工作面环境恶劣。出渣不及时容易堵井，造成安全隐患，严重影响进尺。因此出渣方式需提前综合考虑，以提高出渣效率。

反井施工的成本主要是钻杆、滚刀的消耗。控制好钻杆、滚刀的成本，反井工程成本基本就可控。在坚硬岩石条件下采用大直径机械破岩，必须方案可行，成本可控。因此，对钻杆、钻头及滚刀的质量要求较高。工程首先需对钻杆进行探伤，确保钻杆完好无损。钻头要求其滚刀选型、布置和加工水平等匹配、质量可靠。

3 施工效果

夏甸金矿535线专用回风井采用反井施工法，一扩成井，工程自2017年3月开始施工，6月工程结束(施工详细统计见表2)。工期3.5月，平均每月成井120m，比传统钻爆正井法开挖工期提前2个月，提前出矿36万t，按该矿黄金年产量12万两计算，新增产值1020万元。该工程成井质量好，井壁稳定光滑；施工场地占地小，省去了通风、排水、矸石提升等凿井辅助设施；工人的工作条件得到极大的改善，劳动强度也大大的降低，安全保障性高，施工速度快。在目前环保要求严格的条件下，使用该工法，可以减少大量的征地费用和繁琐的审批程序；大大减少粉尘和噪声等的污染，非常有利于环保达标。