镜铁山矿坑道钻机多功能应用研究

张 蒙

（甘肃镜铁山矿业有限公司，甘肃 嘉峪关 735100）

1 背景

目前国内矿山在坑道钻机的应用方向上的探索文献较少，可借鉴的经验不多，特别是在岩石硬度较高（f 值在12以上）的矿山上。目前，坑道钻机的相关技术已相当成熟，在现有坑道钻机的基础上进行定制改造，完全有实现的可能性，来填补高硬度岩石矿山的应用需求市场。镜铁山矿岩石硬度f值平均在12-16之间，属于硬度坚固-很坚固的岩石。目前，镜铁山矿正在探索利用坑道钻机施工的方便性、灵活性、低成本、来实现代替部分井巷工程以及管道的应用。

2 应用方向的探索

目前，镜铁山矿主要在生成探矿“以钻代坑”、代替充填天井或者充填管道、代替部分排水天井以及排水工程优化井下排水系统、优化井下风水电管线的架设等方向进行应用试验。

2.1 生产探矿“以钻代坑”的应用

（1）应用必要性。局部生产勘探没有必要经专业地勘队伍施工，矿山可自行开展，但是由于镜铁山矿没有地质钻孔施工设备，目前主要采用坑探模式。部分需要探矿的区域，可“以钻代坑”，减低探矿比指标，降低生产探矿费用，同时又消除了掘进工序带来的安全风险。

（2）应用对坑道钻机技术参数的要求。该方向应用，为了施工方便、可以灵活选取施工地点的要求，坑道钻机应满足以下要求。

表1 生产探矿“以钻代坑”的应用坑道钻机技术参数的要求

钻头 满足取芯要求钻孔深度 200m～300m（满足生产勘探要求即可）

2.2 替代充填天井或者充填管道的应用

（1）应用必要性。镜铁山矿铜矿充填需要在采场空场顶柱施工充填天井，天井施工不仅费用高，而且带来安全风险较大。充填天井主要用途是下充填管道，其实只需要一个能下充填管道的钻孔即可满足功能需求，不仅可以节省大量工程费用，而且安全便捷。同时，镜铁山铜矿充填天井为垂直竖井，造成充填管道部分工程在空场正上方施工，曾发生过矿房顶柱塌落的情况，存在较大安全风险，如果使用可调节倾角的坑道钻机，即可将该部分工程施工位置调整到矿柱上或者其他合适位置，极大保证了施工安全。

（2）应用方式。利用坑道钻机施工钻孔代替充填天井。利用坑道钻机倾角调节功能，施工人员与设备可在安全系数较高的矿柱上作业，避开采空区。而且充填作业位置可灵活选取，给充填管道的铺设路径提供了多种选择，可选择离充填站更近的地方，从而节省充填管道架设成本。

（3）应用对坑道钻机技术参数的要求。镜铁山矿置入充填天井的充填管道直径为100mm。为满足上述应用需求，对钻机技术参数要求如下。

表2 替代充填天井或者充填管道的应用坑道钻机技术参数的要求

2.3 代替部分排水天井以及排水工程优化井下排水系统的应用

（1）应用必要性。镜铁山矿铜矿投产以来，由于排水系统尚未与铁矿成熟的排水系统有效衔接，目前由于受充填水影响，各分层巷道积水严重，当前的排水系统并不能有效解决现状，严重影响现场施工，而且积水对围岩影响较大，给巷道顶板带来极大的安全风险。如果采用坑道钻机施工钻孔代替部分排水工程，将铜矿排水系统与铁矿成熟的排水系统相连接，将有效解决镜铁山铜矿排水问题，因其诱发的安全问题也能迎刃而解。

（2）应用方式。利用地质钻孔将各分层采场的积水引至采场出矿底部结构水平，与铁矿排水系统向衔接，就可以有效解决采场内的排水问题。在实际应用中，应关注孔口防护，防止发生意外堵孔。

（3）应用对坑道钻机技术参数的要求。通过实验证明，小孔径钻孔排水容易发生堵孔事件，所以建议孔径尺寸尽量放大，同时必须倾角调节灵活，以满足施工位置和方案的灵活选取，同时镜铁山铁铜矿床均采用60m 的中段开拓模式，综上应用需求与参数对钻机技术参数要求如下：

表3 代替部分排水天井以及排水工程优化井下排水系统的应用坑道钻机技术参数的要求

2.4 优化井下风水电管线的架设的应用

（1）应用必要性。镜铁山矿桦树沟井下风水电管线都是沿着巷道壁规范架设，这其实给风水管线带来四个问题：一是巷道偏帮时，风水电管线有被砸坏的风险；二是巷道过往车辆，对风水管线的破坏也时常发生；三是井下巷道为通行方便，通常弯道较多，造成风水电管线长度的浪费；四是巷道上的风水管线本身就是危险源。通过利用坑道钻机施工钻孔，让部分风水电管线通过钻孔送至目标区域，减少风水管线的架设长度的同时，又可以有限保护该部分风水电管线，减少巷道风水电管线带来的安全风险。

（2）应用方式。主要有两个应用方式，一是水平方向的应用：同一水平分段，拐角孔内走管线；二是垂直方向的应用，上下水平通过钻孔将风水电管线送至目标区域。

（3）应用对坑道钻机技术参数的要求。镜铁山矿目前主要计划在电缆方向应用，镜铁山矿最粗的电缆直径不超过100mm；风水管的应用暂未开展，主要考虑检修难度较大。在未来如果考虑风水管的局部应用，钻孔直径当然越粗越好，因为主风管直径一般均在150mm 以上。对钻机技术参数要求如下：

表4 优化井下风水电管线的架设的应用坑道钻机技术参数的要求

3 应用对坑道钻机技术参数的综合要求

综合上述四个方向的应用要求，考虑岩石硬度较高，对转速、扭矩和动力要求较高，但是钻孔直径较大时对转速、扭矩和动力系统又存在一定的局限性。同时考虑设备成本最优化，镜铁山矿对坑道钻机的技术参数综合要求如下：

表5 镜铁山矿应用研究的坑道钻机综合技术参数的要求

在钻孔直径要求可变的基础上，钻孔直径与深度的搭配方案有三种如下：

表6 镜铁山矿应用研究钻孔直径与深度的搭配方案

4 坑道钻机技术参数的可行性分析

目前国内坑道钻机在倾角调节以及方位角方面都能实现180°以及全方位的角度覆盖，技术成熟。该项应用的探索对钻机技术参数要求的难点就在于：镜铁山矿岩石硬度较高，要求钻机较高转速、较小的扭矩才能顺利钻进，但是在直径要求较大时，转速要求不能太高，同时扭矩要求相对较大，如何准确调节三者的关系，并配备相应的钻头是镜铁山矿应用探索时的难题。但国内目前不少型号坑道钻机的转速与扭矩已实现可调节化，为坑道钻机发挥更广泛的多功能应用提供了较好的设备技术支持。

5 结论

目前，国内坑道钻机在相关技术上较成熟，在现有成熟机型上通过定制一些钻头、扩孔器等改造措施，能够实现在岩石硬度较高（f 值在12～16）的矿山上，将很多不用于设备和人员通行的井巷工程或者一些特殊管道用相应口径的钻孔代替。本文提出的利用坑道钻机将很多不用于设备和人员通行的井巷工程或者一些特殊管道用相应口径的钻孔代替，只是抛砖引玉，有一定的借鉴、启发、推广意义。随着坑道钻机技术的进一步发展，坑道钻机将有更多的功能应用。