常峪铁矿中硬围岩天井施工实践

杨 闯 李成斌 王宝文 罗业民

(河钢矿业滦县常峪铁矿有限公司，河北 滦县 063700)

0 引言

天井是矿井中连接两个中段的垂直或倾斜的巷道。天井一般是从下而上掘成的。天井按其用途可分为切割天井、行人天井、通风天井、凿岩天井、放矿天井、充填天井、采矿天井及检查天井等。溜井是天井的一种，是溜放矿石井的简称。

天井工程是地下金属矿山基建与生产的重要工程之一。矿山井巷工程量中天井工程量约占13%，占采掘工程量的45%。因此，加快天井施工速度，对于保证新矿山的早期生产和三级矿产量的平衡，实现生产的持续稳定，具有十分重要的意义。

1 普通反井法

普通反井法是国内矿山曾长期采用的一种掘进方法。这种方法多是自下而上进行掘进，它不受岩层条件和天井倾角的限制，只要高度不太大，一般都可采用。

用普通反井法掘进天井如图1所示，该天井分为两个隔间，一间是供人员上下的梯子间，另一间是专供存积爆下来的岩渣，其下部装有漏斗闸门，以便于渣石装车运走。掘进时每循环架设一次工作平台，工作平台距工作面约2 m，凿岩、装药、连线都在工作台上进行。当工作面掘进7 m左右，安全棚向上移动一次，与此同时，安装梯子和梯子平台，用木板隔开行人的梯子间和渣石间，并接长风管；钻眼时用向上式凿岩机，放炮多用非电力起爆。此法作业条件差，劳动强度大，掘进速度低，特别在高天井掘进通风时更加困难。但此法运用条件较广，作为探矿天井比较灵活，因而在一些小矿山仍有采用。

1-工作台；2-临时平台；3-短梯子；4-工具台；5-矸石间；6-漏斗口；7-安全棚(做成与水平面成30°的角度)；8-水管；9-风管；10-风筒；11-梯子间。

为使爆破下来的岩石很快落入渣石间，必须将下平台的所有木板和上平台的木板在爆破之前拆除，统一放在上层平台对应的梯子间，爆破通风后，工人进入作业面开始下一轮的凿岩工作。

由于天井截面较小，为了方便凿岩和深钻炮眼，直眼掏槽得到了广泛应用。掏槽眼和所述预定距离之间的孔的空间取决于岩石的硬度，和空眼起始序列的数目。掏槽眼布置在岩石间上方，以减少对安全棚和梯子空间的影响，其他钻孔布置原则与平巷基本相同。钻孔深度一般为1.6 m左右。

由于天井自下而上掘进，爆破后产生的有毒有害气体比空气轻，积聚在上工作面，不容易排出。因此，为了加速吹散工作面附近的有害气体，多用压入式通风。

普通反井法在以下条件仍可考虑采用：

1)采用吊罐、爬罐不易于掘进的短天井；

2)在软岩或地质构造破碎带开挖需要支护的天井。

2 吊罐法成井

2.1 吊罐法成井工艺

吊罐法掘进天井的实质就是在天井全高沿天井中心线先钻一个直径为100～150 mm的大孔，在天井上水平安装绞车，绞车的钢绳沿中心孔下放，钢绳的下端吊挂一个吊罐，通过绞车来进行升降。人员、机具的上下、工作面上的钻眼、装药、堵塞、连线都可以借吊罐来实现。只有在人员、吊罐下到天井并进入安全地段，钢绳提到中心孔上部，才能使工作面上的炮眼起爆，崩下的岩块集中到天井下水平底部，待通风将炮烟排出后，在将崩落到下水平底部的岩渣运出，此后在进行下一个循环作业。吊罐法掘进天井如图2所示。

1-游动绞车；2-吊罐；3-钢绳绳；4-装岩机；5-斗式转载车；6-矿车；7-电机车；8-风水管；9-中心孔。

2.2 施工前的准备

2.2.1 开凿上下洞室

为了安装钻凿深孔的钻机、绞车以及放炮时吊罐的壁炮，必须在天井上下阶段开凿洞室。洞室的大小主要取决于吊罐、绞车类型、钻机类型、钻进与出渣方式等。

2.2.2 钻凿中心孔

钻凿中心孔的钻机可采用潜孔钻机或地质钻机。中心孔不仅用于下放钢绳，而且可以作为爆破时的人工自由面，有利于提高爆破效率，还可以进行通风作业以便尽快排出炮烟。钻凿中心孔时，很容易发生偏斜，严重时中心孔超出了天井横断面，增大了找孔的难度，甚至造成该中心孔报废。为此，要求中心孔偏斜不得超过1%。正因如此，天井越高其偏斜率也越多，以致影响到作业，故此法一般不超过60 m。

2.2.3 安装绞车

安装游动绞车时，要求轨道保持水平，轨道的中心线与游动方向一致。放炮时，为了防止杂散电流引发早爆，应将安放绞车的钢轨与电机车钢轨分离。此后还要安装好信号的联络装置。

2.3 吊罐法成井施工

通常一台吊罐配备两台凿岩机，两名工人各在一侧操作一台凿岩机，这样有利于吊罐受力均衡。考虑到利用中心孔作为人工的自由面，吊罐法掘进时的炮眼排列多采用直线掏槽，诸如三角柱掏槽、不规则桶形掏槽以及螺旋式掏槽，至于炮眼数目与炮眼间距可以根据爆破的难易程度适当布置。而平巷计算炮眼数目的公式仍然是可以使用的。但由于天井断面小，夹制性大，在相同的条件下天井的炮眼数目应稍多于平巷。

吊罐法掘进天井时的通风是比较困难的。因此矿山多采用混合式通风，即由上阶段中心孔下放风、水管并用高压风、水自上向下吹洗炮烟，同时在下阶段利用局部通风机向外抽出，这种通风方式效果较好，一般在10～15 min即可排除工作面的全部炮烟。

2.4 吊罐法成井的评价

2.4.1 吊罐法成井的优点

1)省去了架设工作台、安全棚、梯子平台，不设梯子，工作面所用工具、材料进出天井全用吊罐实现，减轻了工人的劳动强度，简化了工序，改善了工人的作业条件。

2)由于利用中心孔进行通风，改善通风效果，节约了通风所需的时间，改善了工人的作业环境。

3)机械化的作业程度有了提高，缩短了作业时间，由于可以利用中心孔进行爆破，提高了爆破效果，加快掘进速度提高了工效。

4)吊罐轻便灵活、结构简单、使用方便可靠，制作、维修较方便，有利于推广。

5)节约了原材料，又提高了掘进速度和工效，使每米掘进成本显著降低，与普通法相比成本降低10%～15%。

2.4.2 吊罐法成井的缺点

1)此法仅适用于中等以上稳定的岩层，在松软破碎的矿岩中不宜适用。

2)由于钻中心孔容易产生偏斜，在没有更好设备和技术的条件下，天井高度以30～60 m为易。

3)工作面的粉尘与泥浆仍然很多，工人的工作条件和作业环境仍有待进一步的改善。

4)存在一定的安全隐患，如施工中放炮会挤压中心孔，中心孔易被堵塞，卡住钢绳，钢绳被拉断、吊罐掉到井底，过卷、卡罐等。

5)不适宜打盲井和倾角小于65°的天井。

6)中心孔的偏斜仍有待改进。

3 深孔爆破法成井

深孔爆破法是用深孔钻机按天井截面尺寸和长度自下向上或自上向下钻凿平行深孔，然后分段起爆，形成天井，如图3所示。这种施工方法的特点是工人不进井作业，一般不受岩层是否破碎的限制，所需设备少，人员的工作条件和安全性得到明显改善。

1-深孔钻机；2-天井；3-掏槽眼；4-周边眼；5-钻机硐室；6-装岩机；7-矿车。

深孔爆破法成井时的爆破工作是该法中带有决定意义的一环，它直接关系到天井能否爆成，爆成什么形状的天井，因此必须高度重视爆破工作。

深孔爆破法成井的深孔掏槽有平行空孔掏槽法和漏斗掏槽法两种。国内大多矿山都采用平行空孔掏槽法，其特点是以中心孔为自由面，连续柱状装药，爆破范围小而深，自由面条件差，爆破夹制性大，因此在设计中必须合理确定爆破参数。

一次爆破分段高度h越大，越能节省爆破材料和辅助作业时间，h值主要取决于初始补偿系数n值的大小，根据经验，可知

n≤0.5时，h=3～4 m；

n=0.55～0.7时，h=5～7 m；

n>0.7时，h=8～10 m。

爆破是从下向上分段分次爆破的。对于第一分段，通常采用自下向上的方法进行，其装药工艺与采场中的深孔装药基本相同；从第二分段开始一般采用自上向下的方式进行。

这种方法的明显优点是工人不进入工作面，操作安全，劳动强度低，工作条件好，是普通方法和吊罐法无法比拟的。深孔爆破法和吊罐法一样不需要使用木材，它与吊罐法、爬罐法，设备的投资低。但是，成井速度难以控制，在可爆性好的短天井中成井速度快，在可爆性差的高天井中较慢，在大多数矿山中，深孔爆破成井法成本较低。

这种方法广泛用于高度在50 m以内、倾角45°～90°的天井掘进，或下面用普通法成井，上面用深孔爆破法成井以提高速度。

4 反井钻机法成井

4.1 反井钻井工艺

通过安装在天(溜)井顶部平巷的钻机，用导孔钻头沿天(溜)井中心线向底部平巷钻通一个导孔，然后换上扩孔钻头由下而上扩孔，如图4所示。使用牙盘滚刀扩孔钻头。工具在扭矩作用下挤压，剪切破碎岩石，在底部巷道收集下落的岩石后集中运出。

1-反井钻机；2-动力车；3-导向孔；4-扩孔钻头；5-已扩反井。

天(溜)井顶部平巷的钻机硐室高度要控制在2.9 m左右即可，便于安装反井钻机。钻机的安装，首先用C20混凝土在天(溜)井顶部平巷浇注一个长、宽、高为3 m×2 m×0.3 m的基础，供钻机安放就位。然后启动泵站、控制斜撑油缸将钻机顶至工作位置，准确就位。钻机采用上顶、下锚方式固定，先在上顶油缸上加一垫木，加压后使之与巷道顶板顶紧，再经锚杆将机座固定在混凝土基础上。钻机安装完毕，检查无误后即可试车调整。

开孔钻进，导孔开始钻进时，采用高速低钻压，动力水龙头转速2～5 MPa。软地层和过渡层一般应采用低钻井压力，硬岩和稳定地层应采用高钻压力。

洗孔，动力水龙头向下推进至最低位置时，停止向下推进，检查齿轮套的插销是否往上顶出来，如果插销被顶出来，说明孔内石渣没有冲洗干净，继续冲洗至插销回到原位。导孔石碴冲洗干净后，关闭泥浆泵，连接钻杆，钻杆连接完成后开启泥浆泵，继续往下钻进。用稳定钻杆控制导孔的偏斜率，开始钻进时放置一根，一般情况下稳定钻杆的配置采取钻头后连续装7根左右稳定钻杆，以后间隔一定的距离放置1根。直到竖井导孔工作结束。

导孔钻透地层后，在下平洞用卸扣器将导孔钻头和异型钻杆换下，用装载机将钻头运至导孔下方，将上下提吊块分别与钻头、导孔钻杆固定，上下提吊块用钢丝绳连接，提升导孔钻杆，使钻头离开地面约20 cm，然后固定钻头，下放导孔钻杆，拆去上下提吊块，连接扩孔钻头，接上Φ1.4 m的扩孔钻头，再由下往上扩孔钻至上水平巷道即可。再根据井筒的直径扩大到设计需求的直径，最大可以扩到直径5 m。扩孔压力的大小取决于地层、软岩低压、硬岩高压的具体情况，但主泵的油压不得超过24.0 MPa，辅助泵的油压不得超过18.5 MPa。

4.2 反井钻机法成井的评价

最主要的优点是简化了工序，在反井施工中，一个建设完成的天井相当于一个掘进班组，省去了钻井时必要的爆破钻孔，爆破，通风，有毒有害气体检查，浮石清理，支棚等近10个步骤。其次，工作环境的安全性提高很多，利用钻机施工反井，工人在天(溜)井顶部平巷内操作，笨重的搬运装卸工作皆由转盘吊和机械手来完成。第三，成井质量好，既不超挖也不欠挖，井壁光滑，稳定性好，通风阻力小。第四，适用性广，岩石软硬、天井高低、倾角大小、地压大小、涌水量大等各种情况下，都不会严重影响到它的应用。

总之，反井钻机法成井不仅做到了安全施工，而且减轻了工人笨重体力劳动，彻底改变了恶劣的施工环境；反井用钻机钻进同时也提高了效率，加快了速度。

5 结语

金属矿山天(溜)井掘进成井是一项技术性和规范性很强的工作。在生产实践中，应及时分析矿岩的地质条件，天(溜)井的用途和规格，并参考国内外相关施工经验，确定出科学合理的成井方法。但随着大型机械化设备反井钻机的出现，在有条件的情况应尽量采用反井钻机成井法，此方法不仅在成井速度、施工组织方面领先于其它成井方法，而且在施工安全、经济效益、成井效果等方面也很突出。