BMC 反井钻机在恒昇煤矿回风立井中的应用

冯学文，孟国营，徐义洋，汪爱明，毕增涛，高嘉宇

1中国矿业大学 (北京)北京 100083 2北京中煤矿山工程有限公司 北京 100013

回 风立井施工是一种特殊的矿山工程建设，其 作业环境危险，安全施工系数低，施工作业时间长。目前，最常用的立井施工为普通凿井法[1]。然而，普通凿井法存在机械化程度低、施工人员多、作业环境危险等安全隐患，因此机械化建井成为回风立井施工的关键技术。部分回风立井施工过程中存在涌水和有害气体，给井筒掘进带来危险[2]。基于此，笔者针对恒昇矿区的新回风立井，提出少人化定向钻井和反井扩宽的方法进行施工，以降低施工安全系数，提高掘进速度。

1 工程概况

安徽省皖北煤电集团临汾天煜恒昇煤矿现已在 9+10 号煤层开采，为了满足矿井北翼三、四采区的通风需要，需新建后期回风立井。该矿通常采用斜立混合开拓方式，共布置有 3 个井筒，主斜井、副立井和回风立井均位于矿井工业场地。矿井目前在 9+10 号煤层组织生产，共布置有 1 个综采放顶煤工作面和 2 个综掘工作面。该矿正在开拓延深北翼大巷，准备未开采区的开采，但现有回风立井已不能满足矿井北翼采区安全高效生产的要求，需新建后期风井为矿井服务。计划在风井场地内新建 1 个后期回风立井，井筒净直径为 5.3 m，井筒深度为 261.1 m，立井倾角为 90°，直接落底在 9+10 号煤层，垂深为 250 m。井筒落底后南北向布置回风石门，并与北翼回风巷相连，9+10 号煤层下部连接如图 1 所示。场地内供电、供水、监控等线路可由现有巷道自井下由钻孔直达地面。新建回风巷道的目的是形成区域独立通风系统，进而缩短通风距离、减小通风阻力、优化通风网络及改善通风条件。

图1 煤层下部连接平面图Fig.1 Connection plane at lower part of coal seam

拟定回风立井断面呈圆形，工程施工时间短，主要满足后期矿井通风需求。该风井位于矿井工业场地北侧、职工宿舍楼西侧的小荒沟附近，其地形如图 2 所示。由于施工环境限制，无法使用钻爆法进行施工。因恒昇矿井地质条件的特殊性，亟需一种不破坏现有环境的回风立井施工方法。

图2 风井周围环境示意Fig.2 Sketch of air shaft surroundings

2 施工方法的选择

根据恒昇矿区的地质分析和施工位置，对比普通凿井法与反井钻井法的特点，最终选择反井钻井法进行施工。2 种施工方法优缺点对比如表 1 所列。

表1 反井钻井法施工与普通凿井法施工优缺点对比Tab.1 Comparison of raise boring construction and ordinary boring construction in advantages and disadvantages

3 设备选型

回风立井深 261.1 m，最终成井直径为 5.0 m。由于新回风立井的开孔点处于地面，旁侧有建筑，无法开展爆破施工，而反井法施工的地面不需要过多的面积，能安装反井钻机即可，因此设备选型时以最大钻井深度作为主参数，同时考虑地质条件、水文条件、经济因素，在同等成本条件下，尽量提高钻机能力，增加实用性。BMC600 型钻机作为国内最大规格的反井钻机，可进行导孔钻进与扩孔钻进。进行导孔施工时，分别采用φ270、φ350 mm 导孔钻头复合钻孔工艺，操作简便，转矩大，维修方便，最终钻进深度可达 600 m；进行扩孔施工时，可配备大直径钻头及钻进深度为 600 m 的钻杆。综合考虑，选用 BMC600 型钻机来完成回风立井的施工。BMC600 型反井钻机由主机、动力头、钻架和钻杆输送装置等组成[3]，如图 3 所示，其技术参数如表 2 所列。

图3 BMC600 反井钻机Fig.3 BMC600 raise boring machine

表2 BMC600 型反井钻机主要技术参数Tab.2 Main technical parameters of BMC600 raise boring machine

4 反井钻井法施工

回风立井是连接地下采矿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 (反井法) 施工[4]。最初的反向凿井更多使用木垛法、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，完全采用机械破岩进行施工。该方法从根本上改善了作业条件，解决了反井施工的安全隐患问题，同时也减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率[5-6]。

恒昇煤矿新建回风立井深度为 261.1 m，为保证回风立井成井的垂直轨迹，首先采用小直径钻头按预设轨迹自上而下钻稳直导向孔，再更换为大直径钻头自下而上扩孔，如图 4 所示。目前，国内研制的 BMC 系列反井钻机，钻孔直径为 0.75～ 5.00 m，钻井深度为 100～ 600 m[7]。但是对于立井井筒而言，受工作场地的限制，具有更多的特殊性和危险性[8-9]。

图4 反井钻机施工Fig.4 Construction of raise boring machine

根据该矿区的地质和水文情况，新回风立井采用反井钻井法进行施工。首先采用普通凿井施工法开挖表土段至稳定基岩 (深度约 18.1 m)，井帮采用锚网进行临时支护，开挖至设计深度后施工 1 号壁座，再从下向上逐段 (模板高度 1.5 m) 砌筑φ5.3 m 钢筋混凝土永久井壁，井壁厚 600 mm。砌筑井壁时预留安全出口及风硐洞口，用沙袋填充，木板背实。施工至井口时，预留防爆门基础连接方式。在井口安装钻机“井字梁”底座，浇筑底座钻机基础和简易井架基础，安装反井钻机，从上向下钻φ350 mm 导孔，在下水平巷道将导孔钻头更换成φ5.3 m 扩孔钻头，从下向上一次反扩成φ5.3 m 井筒，破碎的岩渣掉至下水平巷道，安排人员进行出渣；然后在井口安装简易井架，从上向下对基岩段锚网喷支护，马头门与井筒井壁同时施工，浇筑成整体，形成表土段净径 5.3 m，基岩段净径 5.0 m 的井筒。

具体施工流程为：开挖泥浆池、反井钻机基础坑—去除浮渣—预留二次浇筑孔—浇筑混凝土—反井钻机就位—立钻机调正—安装地脚螺栓—浇筑二次混凝土—系统调试试运行—导孔钻进—断层破碎带处理—导孔钻进、运输扩孔钻头至下水平—导孔透孔—关键工序转换—拆导孔钻头、接扩孔钻头—扩孔钻进和下孔口出渣—扩孔结束—拆除钻机、封井—扩孔直径验收—撤场。

施工过程中遇到不同岩层的间隙，也为反井钻井施工带来了困难。在施工过程中，出渣问题得到了很好地解决。反井钻井施工噪声小，可连续施工，缩短了工期，并得到了较为稳直的钻井轨迹，为以后特殊环境回风竖井施工提供了参考。

5 结语

该井筒设计净直径 5.0 m，垂深 261.1 m，采用 BMC600 型反井钻机进行施工，一次成井反井直径 5.3 m。反井钻机施工过程中首先使用定向钻机施工导向孔与井底贯通，然后进行刷孔，同时下放特殊型反井钻杆，在井底换装大直径反井钻头，实施反向扩井施工，全过程不动用火工品，作业人员少，施工安全高效，成井质量好。该工程以安全为基础，以效率为先导，精心组织，科学管理，利用井下出煤系统分时段出矸，不但提高了出矸能力，又保证了煤质不受影响，实现了安全、快速、高效施工，仅 40 d 便顺利实现贯通。