旋挖钻机在采空区干作业施工的研究与应用

王旭

(山西二建集团有限公司，山西 太原 030000)

随着矿产资源的开采和利用，采空区的治理问题日益凸显。采空区是指矿山中被开采完毕或被放弃的矿体空间，其地质结构发生了严重变化，存在着塌陷、地面沉降、水土流失等环境问题，对矿山安全和环境保护造成威胁。因此，采空区的治理成为矿山开采活动的重要环节。传统的采空区治理方法主要包括填充法、支护法和固化法等。然而，这些方法在实际应用中存在一些问题，如施工困难、效率低下、安全风险高等。随着工程机械技术的发展和应用，旋挖钻机作为一种高效、灵活的工程设备，被引入到采空区治理中[1]。

1 旋挖钻机在采空区干作业的优势

旋挖钻机是一种多功能的施工设备，能够进行钻孔、注浆、灌浆等多种作业。在采空区干作业中，旋挖钻机可以灵活应用于地质勘探、支护施工、治理措施的实施等多个环节，提供全方位的施工支持。旋挖钻机具有较小的施工空间要求，可以适应狭小、复杂的采空区环境。其结构紧凑，可进行旋转和平移操作，适应不同位置和角度的施工需求。同时，旋挖钻机配备了各种钻具和附件，能够应对不同地质条件和施工要求，提供灵活的解决方案。旋挖钻机具备较高的施工效率和作业精确性。通过旋转钻杆和钻具的旋转运动，能够快速完成钻孔作业，并确保钻孔的直径和深度控制精准。旋挖钻机配备了自动化控制系统和实时监测设备，能够对施工过程进行实时监测和调整，提高施工效率和质量。旋挖钻机在采空区干作业中注重安全和环境保护。其操作员位于驾驶室内，可以远离施工现场的危险区域，提供安全的工作环境。同时，旋挖钻机采用液压传动和低噪音设计，减少了施工过程中的噪音和振动，对周围环境和生态系统的影响较小。旋挖钻机具备较高的经济性和效益性。它能够快速完成钻孔和注浆等作业，节省了施工时间和人力成本。同时，旋挖钻机的多功能性和灵活性，使其能够满足不同采空区治理需求，提供全面的解决方案，提高治理效果和经济效益[2]。如图1所示。

图1 旋挖钻机

2 旋挖钻机在采空区干作业施工的关键技术

2.1 地质勘探和预测

地质勘探和预测是旋挖钻机在采空区干作业施工中的关键技术之一。在施工前，需要对采空区的地质条件进行详细的勘探和分析，包括地层结构、地下水位、地质岩性等参数的获取。通过地质勘探和预测，可以了解采空区的地质情况，为钻孔设计和施工参数优化提供依据。常用的地质勘探方法包括地质钻探、地质雷达、地球物理勘探等技术手段。

2.2 钻孔设计和施工参数优化

钻孔设计和施工参数优化是确保旋挖钻机在采空区干作业中高效施工的重要技术环节。钻孔设计需要考虑钻孔的位置、深度、直径等参数，以满足采空区治理的要求。施工参数优化包括钻进速度、钻杆转速、注浆压力等参数的合理选择，以提高施工效率和质量。通过钻孔设计和施工参数优化，可以确保旋挖钻机在采空区干作业中的钻孔质量和施工效果。

2.3 安全防护措施和环境保护

在采空区干作业施工过程中，安全防护和环境保护是至关重要的考虑因素。旋挖钻机的操作人员需要严格遵守安全操作规程，佩戴必要的安全防护装备，确保施工过程的安全性。应采取适当的环境保护措施，防止施工过程中产生的废弃物、粉尘和废水对周围环境的污染。这包括建立合理的废弃物处理系统、尽量降低施工过程中的粉尘和噪音排放，并确保施工现场的环境整洁和安全，提高旋挖钻机在采空区干作业施工中的效率和质量。如图2所示。

图2 旋挖钻机的安全防护措施

3 旋挖钻机在采空区干作业施工存在的问题

3.1 地质条件复杂

采空区中的地质层存在复杂的变化，如不均匀的土质、岩石和软土层的交替。这会导致钻孔过程中遇到不同的地层情况，需要对钻具和施工参数进行调整和适应。地层变化还引起钻孔的偏移、不稳定性和崩塌等问题，增加了施工的风险和困难。采空区中地下水的存在对旋挖钻机的施工造成影响。地下水的流动和压力会对钻孔和土壤稳定性产生影响，导致钻孔塌方、孔壁坍塌等问题。地下水的排泄和处理也需要额外的工作和措施来确保施工安全和环境保护。采空区中存在大面积的软土地质，软土的强度和稳定性较差，容易发生沉降和塌陷。在旋挖钻机的钻孔和挖掘过程中，软土地质导致钻具卡阻、孔壁坍塌、孔底变形等问题，影响施工的顺利进行。对于软土地质，需要采取相应的加固和处理措施，确保施工的安全和稳定性。

3.2 施工空间狭小

采空区的狭小空间限制了旋挖钻机的操作范围和灵活性。钻机的转动角度受限，无法完全展开或旋转，从而影响到钻孔的位置和方向控制。施工空间狭小还导致设备无法顺利进入或退出施工区域，增加了施工的复杂性和风险。狭小的施工空间增加了施工过程中的安全隐患。操作人员在有限的空间内作业，会面临碰撞、夹伤等危险。施工空间狭小还导致设备之间的干扰和交叉作业，增加事故发生的性。因此，保障施工人员和设备的安全成为一个重要的问题。狭小的施工空间限制了旋挖钻机的操作和移动，导致施工效率低下。操作人员需要更多的时间和精力来调整钻机位置、调整操作方式，以适应狭小的施工空间。这会增加施工的时间成本，降低施工效率。施工空间狭小使得旋挖钻机的维护和维修变得困难。狭小的空间限制了维修人员的操作空间，导致无法方便地进行设备的检修和维护工作。这会影响设备的正常运行和维护周期，增加设备故障的风险[3]。

3.3 施工安全风险

采空区的地质条件复杂，地层不稳定，存在地面塌陷、岩层崩落等地质灾害的风险。这导致旋挖钻机和施工人员受到威胁，甚至引发严重的事故。旋挖钻机是一种大型机械设备，其操作需要专业的技能和经验。如果施工人员缺乏必要的培训和安全意识，存在操作不当、违反操作规程等行为，就会增加施工过程中的安全风险。采空区干作业施工现场通常狭小、复杂，存在许多潜在的危险因素，如高边坡、坍塌风险、地下水涌入等。这些因素增加了施工人员受伤和设备损坏的风险。旋挖钻机在施工过程中产生噪音、振动和废弃物等，对周围环境造成污染。如果没有有效的环境保护措施，就会对生态环境和周边居民造成不良影响。

3.4 施工参数选择困难

采空区的地质条件多样，包括不同类型的地层、地下水情况、土质性质等。这导致在选择施工参数时需要考虑多个因素的影响，如钻孔直径、注浆材料的粘度、注浆浓度等。不同的地质条件对参数的选择和调整提出了挑战。采空区的治理目标各不相同，有些需要加固支护，有些需要注浆填充。每种目标对施工参数的要求不同，需要根据具体情况选择合适的参数。然而，确定适当的参数往往需要对采空区的实际情况进行详细了解和分析，这对工程师提出了要求。注浆材料的性能对施工参数的选择有着直接的影响。例如，注浆材料的粘度、浆液流变性质、凝结时间等，会影响到施工的效果和质量。因此，在选择施工参数时需要充分考虑注浆材料的性能，并进行合理的调整。

3.5 施工效率和成本控制

采空区内存在着各种地质障碍物、坍塌风险区域和混凝土结构等复杂工况。这些因素增加了施工的难度和风险，导致施工速度受限，从而影响施工效率。旋挖钻机作为一种大型工程机械，其尺寸和操作要求会受到采空区空间的限制。狭小的施工空间限制了旋挖钻机的灵活性和操作范围，进而影响施工效率。旋挖钻机施工采用的工艺和操作技术对施工效率和成本控制具有重要影响。不合理的施工工艺、操作不当或者技术不熟练都导致施工速度下降和成本增加。旋挖钻机施工过程中需要大量的人力、物力和材料支持。合理的资源调配和物资供应是确保施工效率和成本控制的关键。然而，采空区施工的特殊性和复杂性给资源调配和物资供应带来一定的困难[4]。如图3所示。

图3 旋挖钻机采空区施工

4 旋挖钻机在采空区干作业施工优化策略

4.1 进行地质勘探和预测

在施工前进行充分的地质勘探和预测工作，获取准确的地质信息。通过地质勘探技术，如钻探、地质雷达等手段，了解地层变化、地下水分布以及软土区域等情况。这可以帮助施工方制定合理的施工方案和参数，并提前采取相应的措施应对地质条件的复杂性。根据地质勘探结果，合理设计钻孔位置和布置，以避开或克服复杂的地层变化和软土地质。在施工中，根据实际情况和地质变化调整钻具和施工参数，确保钻孔的稳定性和质量。根据不同地质条件选择合适的钻具类型和规格，提高施工效率和质量。针对地下水问题，采取相应的安全防护措施，如设立防水层、加装套管等，确保施工过程中地下水的控制和处理。加强环境保护意识，合理处理和排放地下水，避免对周边环境造成污染和破坏。持续推进技术创新，研发适应复杂地质条件的新型钻具和施工工艺。通过引入先进的地质勘探技术、施工监测系统等，提高施工的精准性和可控性。加强经验总结和教育培训，提高施工人员的地质认知和应对能力。在采空区干作业施工中，加强与地质工程师、设计师、监理等相关人员的沟通与合作，共同研究解决方案，并根据实际情况进行调整和改进。有效的沟通与合作能够及时发现和解决地质问题，提高施工的效率和质量。

4.2 制定合理的施工方案

在施工前进行充分的施工路径规划，确定最佳的钻孔位置和操作路径。通过优化钻孔布置和施工顺序，合理利用有限的空间，最大程度地减少设备操作的受限情况。选择适应狭小空间施工的旋挖钻机型号和规格。根据具体的施工环境和空间限制，选择尺寸较小、机动性好的钻机，以提高施工的灵活性和效率。加强施工现场的安全管理，确保施工人员遵守相关安全规范和操作规程。提供必要的安全培训，使施工人员具备在狭小空间下安全操作的技能和意识。制定详细的安全操作指南，包括安全距离、避让规则等，保障施工人员和设备的安全。加强施工现场的监控和协调，通过实时监控设备的位置和状态，确保施工过程的安全和顺利进行。设立合理的通讯机制，加强各施工环节的协调与配合，避免设备之间的干扰和冲突。制定合理的设备维护计划，定期对旋挖钻机进行检修和维护，以保证设备的正常运行和可靠性。同时，进行预防性维修，及时发现和处理设备的潜在问题，避免突发故障对施工进度的影响。借助科技创新，探索使用先进的无人驾驶技术和智能控制系统，提高旋挖钻机在狭小空间下的操作性能和自动化水平。通过引入遥感技术和虚拟现实技术等，进行实时监测和仿真模拟，提前发现潜在的问题并进行优化设计。加强施工经验的总结和分享，建立知识库和案例库，为后续类似工程提供参考和借鉴。通过分享成功的施工实践和解决方案，推动行业的技术进步和施工质量的提升[5]。

4.3 加强安全教育培训

加强施工现场的安全管理，制定明确的安全规章制度，并进行培训，提高施工人员的安全意识和技能，确保他们能够正确操作设备并应对突发情况。在施工现场设置必要的安全防护设施，如警示标志、防护栏杆、安全网等，以保护施工人员的安全。同时，对危险区域进行明确标识和限制，避免人员和设备进入危险区域。定期进行安全检查，及时发现并排除潜在的安全隐患。利用监测设备对地质条件、地下水位等进行实时监测，提前预警并采取措施应对安全风险。制定完善的应急预案，明确应对各类安全风险的应急措施和责任分工。培训施工人员应急处理的技能，确保在意外事件发生时能够迅速有效地应对，最大程度减少损失。在施工过程中采取必要的环境保护措施，如降低噪音和振动水平、合理处理废弃物等。遵守环境保护法律法规，确保施工对周边环境的影响在可控范围内，减少环境污染风险。根据采空区的地质条件和现场特点，制定合理的施工计划和工艺。通过科学的工程设计和参数选择，减少地质灾害风险，并确保施工过程中的安全和稳定性。加强与相关部门和专业机构的合作与沟通，获取专业的技术支持和建议。通过与地质勘探、环境保护等专业团队的合作，共同解决施工安全风险问题。

4.4 制定详细的施工方案和参数选择准则

进行充分的地质勘探和实地调查，获取准确的地质数据。通过地质勘探可以了解采空区的地层情况、地下水位和水质等信息，从而为施工参数的选择提供依据。进行钻孔试验、注浆试验和材料性能测试等，对不同参数下的工程效果进行评估和比较。通过实验数据和实验室分析，可以为施工参数的选择提供科学依据。总结前期类似项目的经验和教训，借鉴专家的意见和建议。与经验丰富的工程师和专家进行交流和咨询，获取他们在类似项目中的经验，并根据实际情况进行参数调整和优化。在施工过程中进行实时监测和评估，根据监测数据对施工参数进行调整。及时调整参数可以更好地适应采空区的实际情况，提高施工效果和质量。

4.5 优化施工流程

制定合理的施工计划，充分考虑地质条件、施工工艺和设备特点等因素。通过合理的施工调度，提高工作效率，优化资源利用。加强旋挖钻机操作人员的培训与技能提升，提高他们对设备的熟悉度和操作技术水平。熟练的操作人员可以更好地应对复杂工况和工程难题，提高施工效率。定期进行旋挖钻机的设备维护和检修，确保其在良好的工作状态下进行施工。同时，根据实际需要，适时进行设备的更新和升级，提高设备的性能和效率。加强与供应商和合作方的合作与协调，确保施工所需的物资供应及时可靠。建立健全供应链管理机制，包括与材料供应商的长期合作关系、定期评估供应商绩效、合理规划物资储备等措施，以确保物资的及时供应和质量保障。通过工艺优化和创新，寻求更高效、更节约资源的施工方式。可以探索采用先进的钻孔技术、注浆材料的优化选择、施工流程的优化等，以提升施工效率和降低成本。建立科学有效的项目管理和监督机制，确保施工过程的顺利进行。包括项目进度的及时跟踪与调整、质量控制与验收、成本预算与控制等方面的管理措施，以保证施工的高效率和成本控制。引入信息化管理系统，对施工过程进行全面监控和数据分析，提供决策支持和优化建议。通过信息化管理，可以实时掌握施工进度、资源利用情况等关键信息，以便及时调整和优化施工策略。

5 结语

旋挖钻机具有多功能性和高效性的特点，可以在采空区进行土方开挖、钻孔和注浆等工作。它采用旋转钻杆和钻头进行钻孔作业，可以适应不同的地质环境和施工需求。旋挖钻机在采空区干作业施工中的应用已经取得了一定的成果，能够有效提高施工效率、降低工作强度，并减少对环境的影响。然而，目前对于旋挖钻机在采空区治理中的研究还相对较少，存在着许多需要深入探究的问题。针对旋挖钻机在采空区干作业施工中的研究与应用展开深入探究。通过对旋挖钻机的特点和功能进行分析，研究其在采空区治理方面的作用和潜力，可以提升旋挖钻机在采空区干作业施工水平。