反井钻机在通风行人井掘进中的应用

孙杰

摘要：反井钻机具有对围岩破坏小、安全高效、劳动强度低等优点，被广泛应用于高度大于60 m的天井掘进中。针对苏尼特金曦矿业公司毕力赫矿提升和运输系统具备运输大直径刀盘的条件，采用反井钻机施工通风行人井。详细介绍了钻机的选型和施工工艺过程。工程应用表明：采用反井钻机施工高度超过60 m，直径大于2.0 m的通风行人井具有快速高效、安全可靠等优点，降低了劳动强度，且对围岩影响较小。施工效果较好，可在同类型矿山竖井掘进中推广应用。

关键词：大直径;反井钻机;通风行人井;设备选型;施工工艺

中图分类号：TD26文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2021）12-0042-04doi：10.11792/hj20211209

引 言

地下开采矿山的天井、溜井、通风行人井是井巷工程中的关键，施工中存在较大的危险性，尤其高度大于60 m的竖井，施工难度非常大。多年来，大部分小型矿山采用上掘法，劳动强度大、效率低、安全风险大、对边帮围岩破坏严重、掘进的高度受限制，远远不能满足当前现代化矿山建设和国家“机械化换人、自动化减人”的要求。

由于利用反井钻机施工竖井具有成井质量好、速度快、围岩受损小且功效高、劳动强度比较低，更为重要的是人身安全有可靠的保障，避免了工人遭受炮烟和冒顶危险，因此反井钻机在地下开采竖井施工作业中得到了广泛应用[1-2]。苏尼特金曦黄金矿业有限责任公司（下称“苏尼特金曦矿业公司”）毕力赫矿为露天转地下开采的矿山，其提升和运输系统具备运输大直径刀盘的条件。因此，其通风行人井掘进过程采用反井钻机施工，取得了较好效果。

1 工程概况

苏尼特金曦矿业公司毕力赫矿属露天转地下开采建设项目，通风行人井布置在7勘探线附近，地表井口中心坐标x=4 695 660、y=38 463 180、z=1 298，井底标高1 171.48 m，井深126.52 m;井筒掘进断面=2.5 m，通风行人井内设梯子间兼作第二安全出口。

矿山为加快建设速度，在露天矿1 150 m平台边坡施工有措施平硐，1 150 m措施平硐与1 155 m分层用斜坡道相连，1 155 m分层与1 170 m回风平巷相连，1 170 m回风平巷已施工至通风井正下方，措施平硐、斜坡道、分层巷道、回风平巷的断面规格均为3.16 m×3.60 m。

在通风行人井井口附近施工有勘查钻孔，经钻探取样：0～6.30 m为第四系风成砂土，6.30～34.20 m为晶屑凝灰岩，34.20～72.10 m为褐铁矿化晶屑凝灰熔岩，72.10～116.80 m为晶屑凝灰熔岩，116.80～151.60 m为硅化蚀变岩。岩性主要为晶屑凝灰岩、晶屑凝灰熔岩。岩石抗压强度28.57 MPa，抗拉强度1.51 MPa，弹性模量2.82 GPa，泊松比0.27，内聚力0.47 MPa，内摩擦角31°，属较软岩。

2 通风行人井施工方案选择

苏尼特金曦矿业公司毕力赫矿通风行人井井深126.52 m，整个通风行人井中间无水平巷道横穿，高度较大，断面为圆形，属直立的明竖井。

2.1 施工方案

2.1.1 普通法

普通法是先从通风行人井下端平巷自下而上采用爆破法掘进，期间分层架设梯子间、溜渣间、安全棚和梯子，施工人员在搭设平台上进行凿岩、爆破、支护作业，自下而上采用爆破法向上掘进，所有材料均通过梯子间人工搬运。

优点：普通法在60 m以下的盲天井、节理裂隙发育的软岩中采取“短掘短支”的天井和随矿脉倾向而变化的沿脉天井施工中占有一定的优势。

缺点：存在炮烟中毒、高处坠落、浮石打击、机械伤害、触电等安全风险;工人上下运送凿岩机械、爆破器材、支护材料，每班都需要搭设或维修安全棚、梯子间和溜渣间，劳动强度大;通风靠高压风，通风时间长，掘进速度慢。

2.1.2 吊罐法

先在地表或上水平巷道内钻凿吊罐孔和信号操作孔，安装凿井绞车和天轮，通过提升钢丝绳悬挂吊罐，自下而上采用爆破法向上掘进，以吊罐代替普通法的工作平台，又作为提升人员、设备、工具和爆破器材容器，起爆前为避炮将吊罐下放至天井下部平巷中。爆破通风后，将吊罐提升至工作面进行凿岩，同时下部装岩。

优点：掘进高度可达到百余米，污风可通过吊罐孔和信号操作孔排出，通风条件好，节约通风动力源，节省了通风时间;提前掌握岩石的性质，以便采取正确的支护方法和安全措施;形成比较大的自由面，提高了爆破效率;实現了凿岩、装岩、运输、提升等机械设备的配套使用，形成了一条完整的机械化作业线，改善了作业条件，减轻了劳动强度，使掘进速度与工效有了大幅度的提高。

缺点：吊罐只适用于中等以上硬度（f>8）、不需要支护的稳定岩层;不适用于高天井、盲天井和倾角小于65°斜天井的掘进;存在高处坠落、浮石打击、机械伤害、触电等安全风险;因岩石比较破碎或炮孔布置、装药量等不合理易造成中心孔堵塞。

2.1.3 吊罐法与普通法相结合

吊罐法与普通法相结合。先施工通风行人井下端平巷，然后利用潜孔钻机将地表与通风平巷贯通，供普通法风井施工通风用，近地表7 m通风孔应加套管，高出底板，防止渣石坠落伤人和堵塞，再按照普通法进行天井施工作业。

优缺点：除不使用高压风强制通风外，普通法的其他优缺点均存在。

2.1.4 爬罐法

在天井井壁上安装导轨，爬罐沿导轨用带齿轮的发动机爬升至工作面，施工人员在爬罐顶部的作业平台上进行凿岩、装药、支护作业，爆破时将爬罐下放到1 170 m通风平巷内，自下而上采用爆破法向上掘进。

优点：适宜于盲天井上掘和随矿脉倾向变化而沿脉掘进。劳动强度低，成井速度快。

缺点：设备投资大，掘进前的准备工程量大，维护检修较复杂;辅助时间长，操作技术要求高，存在炮烟中毒、高处坠落、浮石打击、机械伤害、触电等安全风险。

2.1.5 反井钻机法

反井钻机是通过钻机的电动机带动液压马达，液压马达驱动水龙头，并利用液压动力将扭矩传递给钻具系统，带动钻杆及钻头旋转，导孔钻头或扩孔钻头上的滚刀在钻压的作用下，沿井底岩石工作面做纯滚动或微量滑移。同时主机油缸产生的轴向拉、压力也通过动力头、钻杆作用在导孔钻头或扩孔钻头上，使导孔钻头的滚刀在钻压作用下滚动，产生冲击荷载，使滚刀齿对岩石产生冲击、挤压和剪切作用，破碎岩石。

在地表安装反井钻机，采用反井钻机沿通风行人井中心线从地表向下钻凿小直径超前导孔与1 170 m的通风平巷贯通，采用大型运输车辆将钻头运到1 170 m的通风平巷风井下部，换大直径扩孔钻头自下而上扩孔成井。

优点：不需要凿岩爆破，工人不进入工作面，作业安全，劳动条件好;作业全部机械化，速度快、工效高;井壁规整稳定，通风阻力小;不受倾角限制，适宜高天井掘进[3]。

缺点：设备投资大，动力消耗大;刀具的磨损大，成本较高;钻机和刀具的质量大，需要大的提升运输设备，不便于搬运，安装工作量大;不适宜盲天井上掘。

2.2 施工方案比选

从施工安全、岩石地质条件、施工质量的角度分析，普通法、吊罐法、吊罐法与普通法相结合、爬罐法均无法满足此次施工的要求。而1 150 m措施平硐、1 155 m分层巷道、斜坡道、1 170 m回风平巷断面规格为3.16 m×3.60 m，满足运输大直径设备的条件。因此，依据工程条件、地质条件、施工条件，结合现有设备及市场情况确定选用电驱动液压反井钻机施工。

3 钻机选型

根据钻孔深度和直径初步选择ZFY2.5/105/200型反井钻机[4]，该反井钻机的技术参数见表1。

对钻机的主要技术参数进行验算：

1）压力验算。钻机输出拉力主要取决于动力头自重、扩孔钻头重量、钻杆重量、钻头破岩压力等因素。ZFY2.5/105/200型反井钻机在该工程中最深处的理论最低拉力计算为：

FW=G1+G2+G3+F（1）

式中：FW为提升力（kN）;G1为动力头自重，为44.1 kN（动力水龙头和主液压油缸的质量约4 500 kg）;G2为扩孔钻头重量，为56.9 kN（AT2500型扩孔钻头的质量约5 800 kg）;G3为钻杆重量，为223.4 kN（外径200 mm的钻杆每米质量约180 kg）;F为钻头压力，为480 kN（直径2.5 m的扩孔钻头布置16把滚刀，破碎抗压强度28.57 MPa以内的岩石，每把滚刀上的破岩压力不小于30 kN）。

经计算，FW=804.4 kN。

2）扭矩验算。扭矩的大小与钻头直径、岩石性质、钻压等有关，根据经验公式计算：

T= ff1hFD/2（2）

式中：T 为扭矩（kN·m）;f为静摩擦系数，取f=0.65;f1为动摩擦系数，取f1=0.06;D为钻头直径，取2.5 m;h为破岩刀齿压入深度，取2 mm（掘进速度按v=1 m/h，刀具压入系数取β=0.85，刀盘转速取n=10 r/min，h=v/nβ）。

经计算，T=33.09 kN·m。

ZFY2.5/105/200型反井钻机工作时最大拉力为2 500 kN，实际工作拉力为804.4 kN，未超过反井钻机设计最大提升力的60 %;反井钻机工作时最大扭矩为105 kN·m，实际工作扭矩为33.09 kN·m，未超过钻机设计最大扭矩的60 %;可有效保证钻孔效率与施工成本的协调。

4 施工工艺及应用

通风行人井施工内容包括：井口标高1 298～1 291 m段为第四系覆盖层，深度为7 m，采取反铲挖掘机配合人工正向土方明挖，钢筋混凝土砌旋（临近地表锁口时与反井钻机基础同时浇筑）;标高1 291～1 171.48 m段为基岩，采用反井钻机先正向钻出导孔（见图1-a）），再用大直径钻头反向扩孔（见图1-b））。

4.1 土方明挖

第四系覆盖层5 m以上土方采用0.8 m3反铲挖掘机直接开挖，20 t自卸车运输至指定渣场分区堆放，开挖过程中，对于稳固性较差地段采用喷射混凝土封闭，然后用组合模板和木板支模;井筒支护厚度300 mm，反井钻机基础尺寸长7 m，宽3 m，以钻孔中心为中心，开挖80 cm，混凝土上平面要平整，平整度在1.5 cm范围内;再采用C25混凝土浇筑。

第四系覆盖层5 m以下土方采用人工风镐开挖，开挖完成后用组合模板和木板支模，C25混凝土浇筑。待混凝土达到强度后进行反井钻机安装。

4.2 基岩钻进

基岩段采用反井钻机的破岩刀具作用于岩石上，从而破碎岩石。先采用直径270 mm的三牙钻头自上而下钻进导孔，破碎的岩石碎屑通过钻杆旋转作用沿着钻杆与孔壁间的随洗井液排出孔外;导孔完毕后，将2 500 mm刀盘用井下运输车通过1 150 m措施平硐、1 155 m分层巷道、斜坡道、1 170 m回风平巷运输至通风行人井正下方，将滚刀安装在刀盘上，刀盘与钻杆连接，扩孔刀具自下而上破碎的岩石碎屑在重力作用下落入1 170 m回风平巷内，定期用井下运输车辆清运，用于铺设路面。

4.3 应用效果

反井钻机在本次施工中优势特别明显，具体效果如下：

1）快速高效。反井钻机施工为机械化连续作业，速度快，比其他施工方法提高工效5～10倍，为后期施工创造了良好的条件，其综合效益显著。毕力赫矿通风行人井采用三班作業方式，施工工期为23 d。钻机平台搭设与安装用时2 d，地表5 m覆盖层开挖支护用时5 d，导孔作业平均单进8.68 m/班，扩孔作业平均单进3.57 m/班，反井钻机施工通风行人井综合单进5.50 m/d（含安拆、钻进和支护工期），施工效率高。

2）安全可靠。傳统立井钻爆法施工时，钻孔、装药、支护、设备设施施工环节较多，通风难度大，安全不易保证，而使用反井钻机工艺施工时作业人员不需要深入立井井筒作业，安全系数较高。

3）工艺简单，节省人力。反井钻机采用液压传动控制，操作简单，工人劳动强度低，较钻爆法施工工序少。每班出勤3人即可进行作业，较使用钻爆法施工，节省大量人力。

4）对围岩影响小。反井钻机采用滚刀机械破岩，避免了爆破作业，对围岩扰动小，井壁光滑，有利于支护（岩石稳定段不需要支护）和后期维护。

5 结 语

在地下开采矿山提升设备和运输设备具备运输大直径刀盘的条件下，反井钻机能较好适应高度超出60 m、井筒断面直径大于2.0 m、地质条件差等竖井的施工。通过机械化换人降低了人员在作业过程中存在的安全风险，通过减少辅助工作缩短了工期，通过消除爆破震动较好地保持了井壁的完整性。反井钻机在苏尼特金曦矿业公司毕力赫矿通风行人井施工具有施工效率高、安全可靠、工艺简单、节省人力、设备操作简单等优点，且对围岩影响小，有利于支护（岩石稳定段不需要支护）和后期维护。

[参 考 文 献]

[1] 刘志强.机械井筒钻进技术发展及展望[J].煤炭学报，2013，38（7）：1 116-1 122.

[2] 熊诗强.反井钻机在喀矿3号风井地下人行通风天井的应用[J].新疆有色金属，2012（2）：10-12.

[3] 彭先林，李佰存，吴君宁，等.对反井钻机钻井工艺的认识和应用[J].江西煤炭科技，2008（2）：94-95.

[4] 王强.ZFY3.5/400电控型反井钻机的设计研究[J].煤矿机械，2011，32（2）：10-12.

Application of  raise boring machine in the excavation of passageway ventilation shaft

Sun Jie

（Sunite Jinxi Gold Mining Co.，Ltd.）

Abstract：Raise boring machine does little damage to wall rocks，is safe and efficient and requires less labor intensity，so it is widely used in the excavation of raises that are higher than 60 m.Since the hoisting and conveying system in Sunite Jinxi mining company has the capacity to carry large-diameter cutter head，raise boring machine is used to construct passageway ventilation shaft.The paper elaborates the process of the drilling selection and construction.The industrial application shows that in the construction of passageway ventilation shaft higher than 60 m with the diameter over 2.0 m，raise boring machine is fast and efficient，safe and reliable，reduces labor intensity，and has less effect on wall rocks.The construction effect is good and the machine is worth promotion in vertical shaft excavation in similar mines.

Keywords：large diameter;raise boring machine;passageway ventilation shaft;equipment selection;construction process