LM-200型反井钻机在某锰矿天井掘进工程中的实践

韦勇明，韦志兴，段志伟，肖体群

（1.南方锰业集团有限责任公司 大新锰矿分公司，广西 崇左 532315；2.南方锰业集团有限责任公司 天等锰矿分公司，广西 崇左 532312）

0 引言

天井是地采矿山中常见的巷道之一，根据天井的用途，可划分为溜井、人行井、通风井、设备材料井、切割井等［1-2］。相关资料显示，在金属矿山基建工程中，天井掘进工程量至少占10%；在金属矿山生产期间，天井掘进工程量至少占30%［3］。由此可见，天井施工是矿块回采过程中一项重要的施工环节，其施工的进度和质量直接影响矿块回采的技术和经济指标。

按照施工地点的不同，天井施工方法可分为井内施工和井外施工。井内施工主要包括普通法、吊罐法、挂梁法、爬罐法；井外施工包括钻井法和深孔法［4］。天井施工方法不同，表现出的优点和缺点也不同，例如井外施工避免了人员直接进入井筒内操作，故井外施工的安全性明显优于井内施工；井内施工的技术难度低于井外施工；普通法、挂梁法的直接成本低于钻井法；井外施工的作业环境优于井内施工。因此，矿山工程技术人员需要综合考虑施工天井的功能用途、地质条件、施工方法的优点和缺点等，选择适宜的天井施工方法，保证施工的安全性和经济性。

LM-200型反井钻机主要用于矿产资源开采、水电站建设等涉及岩体的巷道工程，根据巷道设计的规模，需要在岩层正向掘进小直径的导向孔，然后以导向孔为中心，将导向孔反向扩展至设计直径的竖井或斜井。与其他天井的普通凿岩法相比，LM-200型反井钻机具有掘进速度快、钻进平稳、成井质量好、安全等优点，不仅能改善作业环境，还能极大地降低工人的劳动强度。目前，LM-200型反井钻机建井技术已在地采矿山和水电站的建设中得到逐步推广及改进。例如，周勇刚［7］应用LM200型反井钻机在汶南煤矿进行工业性试验，成功钻成直径为1.4m、深度为316m的天井，并通过了部级鉴定；刘刚［8］介绍某大型水利枢纽工程采用反井钻机成功掘进深110 m的引水隧洞；罗曜起等［9］在江西洪屏抽水蓄能电站采用反井钻机成功开凿深度为231.1m的导向孔。本文以某锰矿矿房天井工程为例，引入LM-200型反井钻机设备，开展钻井法技术的实践，总结钻井法应用的优点和缺点及适用性，旨在为锰矿钻井法的优化和推广提供参考。

1 工程概况

某锰矿属于超大型锰矿，地采开拓的矿段主要为原生沉积的碳酸锰矿，共有3个锰矿层，分别为I矿、II矿、III矿，锰矿层之间的夹层分别为夹一、夹二，各锰矿层的产状与围岩一致。在本次施工的矿块中，I矿层平均厚度约为1.8m，II矿层平均厚度约为2.5m，III矿层与I矿层的平均厚度一样，夹一平均厚度约为1.2m，夹二厚度极薄甚至局部出现尖灭，由于夹层均较薄，所以矿层与夹层采用合采的方式。该矿块区域的矿岩松散系数均为1.5，矿岩的坚固性系数f为12～15，水文地质条件简单。

近年来，地采矿山工人队伍整体呈现工人数量减少、平均年龄增大的趋势。某锰矿地采工作面较多、生产任务重，为应对工人数量减少且老龄化的危机，必须大力开展地采机械化作业。随着机械化设备在便捷、简化、精细等方面取得进步，钻机在基坑、道路等工程中的应用范围越来越广泛，例如旋挖钻机成功应用于桩基施工中［5-6］。新的钻井法的引入既是机械化作业建设内容中的一部分，也是推进锰矿钻井技术发展的关键。

本次设计的某矿房天井布置在矿块间柱中，无断层和褶皱构造，矿体倾角将近90°，岩层较稳固，III矿层顶板稳固性较差。该天井设计的角度为81°，连通上、下段的采准运输巷，天井上口处为I矿底板围岩，天井下口处为II-III矿层，天井布置剖面如图1所示。该天井主要用于行人、设备材料运送及通风，后续根据生产需求可能调整为阶段间的主要回风天井。

图1 天井布置位置剖面示意图

2 LM-200型反井钻机简介

LM-200型反井钻机采用双马达、全液压驱动技术，主体包括操作台、泵站和主机，可以根据工程需求选择需要的配件，如钻杆、刀盘、钻头等。LM-200型天井钻机的结构如图2所示，钻杆的旋转和上下运动都离不开减速箱，钻杆的旋转是通过主泵电动机带动轴向柱塞泵，再带动2个内曲线径向液压马达，通过减速箱实现钻杆旋转；钻杆的上、下运动是通过轴向柱塞泵将压力油传送至2个推进缸，然后通过减速箱实现钻杆的上、下运动。通过选用钻杆和钻头2个可选件完成导向孔作业，导向孔钻进的过程中产生的岩渣通过水压排出；在导向孔施工完后选用扩孔刀盘进行扩孔作业，扩孔过程中产生的岩渣通过自身重力掉落。

图2 LM-200反井钻机结构示意图

3 天井掘进施工设计

3.1 施工方案

本次施工的天井总斜长为62.24m，安排2人同时操作设备、2人辅助排渣，具体施工内容如下。

（1）硐室的开凿及施工准备工作。在上阶段的穿脉中开凿反井钻机基础及作业硐室，基础规格为3m×3m×1m，硐室中心最高点高于巷道底板4.5m，刷帮工程量约30m³。开凿的硐室需及时挂好安全防护网；安装水管，确保水管供水量不小于30m³/h；安装风机，确保通风顺畅；在孔位中心点浇筑工作平台的混凝土基础，在混凝土基础上预留地脚螺栓孔位，然后沿钻孔方位线铺设轨道。

（2）钻机的安装和调试。在预先设置的导轨上安装钻机，用连接爪将钻机固定好后安装调角靴板；连接钻机的各个油管，打开电源检验各处的连接方式是否有误；检查供水系统，将冷却水开通，务必保证供水的正常；对照操作规程，检查油泵的安装是否正确，确定无误根据工程设计的角度安装钻机并校准倾角，调整好后固定钻机的地脚螺栓，并再次校准钻机的倾角，以防钻机倾角出现移动；确保上顶油缸与硐室顶板紧贴，调整油缸油压，锁紧螺母；再次紧固钻机地脚螺栓，重新校准钻机倾角。

（3）钻导向孔。连接好钻头，将钻头下放到指定位置，务必将扶钎半卡环安装到机架的底座，防止钻头出现摆动；提前打开冷却水和循环水的功能，开孔时的转速不能过高，在钻进过程中需要时常上、下提动钻头，以便孔内的岩渣排出；钻头后的第1根、第3根和第10根钻杆必须使用稳定杆，以降低钻孔的偏斜率，之后每10m加1根稳定杆；钻距超过3m后，可适当提高钻压和转速；钻距超过10m后，需要校验钻孔倾角，如果偏斜率过大，则需重新开孔；钻进20m后，每打完1根钻杆，需要暂停，进行排渣后再接上钻杆继续钻进；当导向孔钻通后，立即测量钻孔的弯曲度，并根据钻孔的弯曲度判定是否为废孔，弯曲度大于2%的导向孔为废孔，废孔禁止扩孔作业，以免损害钻具。在任何情况下，机头、钻杆和钻头必须保持在一条直线上，以免钻机损坏。

（4）扩孔钻进。将扩孔刀盘与钻杆对正摆放，固定刀盘并保证刀盘距离扩孔面约30 cm，正转钻杆将扩孔刀盘装上；扩孔开钻和导向孔开钻一样，保持低转速、低钻压开钻，直至扩孔刀盘整个钻入岩体后才可以适当增加钻压，增速保持不变；当刀盘即将钻通时，立即减小提升压力，进入低速钻进；出于安全考虑，在钻通前的50 cm处立即停止扩孔作业，开始进入拆卸刀盘阶段；当刀盘拆卸完毕后，剩下的50 cm采取爆破的方式贯通。

3.2 施工注意事项

（1）开凿反井钻机作业硐室时，硐室应尽可能地平整，需考虑主机、泵站和钻杆的摆放位置，保证操作的安全性和钻孔排渣的方便性；浇筑的机台基础一定要坚固，否则导向孔和扩孔会发生移位，损坏钻机和钻具。

（2）为避免偏斜率增大，导向孔的钻进速度不能过快，同时还要注意转速和钻压的配合；在碰到裂隙发育的岩层时，需调小推进压力，将钻进速度控制在0.4m/h以下；当导向孔即将贯通时，推进压力也要调小，避免钻具在贯通的一瞬间对钻机产生冲击力；必须保护好钻孔孔口，避免坚硬物体掉入而损坏钻具或发生其他事故。

（3）保证工作断面平整是扩孔作业前的必要条件，工作面与扩孔刀盘面之间的夹角不能过大，以免扩孔刀盘和钻机出现损坏；如果出现扩孔速度陡减、导向孔或井筒内异响、钻杆摆动幅度较大的情况，应立即停止扩孔作业并将刀盘放下，检查故障原因。

（4）随时关注设备的湿度和温度，当湿度和温度较高时，必须采取相应的保护措施；当湿度和温度超过额定值时，立即停止作业，改善工作环境。

（5）检查各部件之间的润滑。检查减速箱中的润滑油量是否足够保护减速箱中的齿轮和轴承；作业前必须检查润滑供油系统是否能将润滑油供到所有需要润滑的部件上；钻杆螺纹需要涂满高温螺纹润滑脂。

（6）每班作业前，需要检查各部件连接处是否紧固，避免钻机发生摇晃；同时，检查设备所有的油管连接处是否存在滴漏的隐患。

（7）钻孔或扩孔作业过程中如果发生故障，必须向相关管理人员如实汇报，召开事故分析会并设计出合理的解决方案。

4 应用效果分析

采用LM-200反井钻机掘进天井，掘进速度约18m/d，相当于普通法掘进速度的4倍。钻井法的安全性远超过普通法，作业人员不需要进入井筒中作业，没有高空坠落和冒顶的安全风险。钻井法施工的天井成形质量好，井筒壁光滑，提高了通风质量，普通法与钻井法天井成形效果对比如图3所示。采用钻井法作业的工人劳动强度低，普通法要求工人上下反复搭建平台和搬运设备；相比普通法，钻井法的作业环境得到极大改善，工人无需在井筒内施工炮孔，只需在作业硐室内操纵机器，避免了粉尘的危害。虽然钻井法有诸多优点，但是钻井法从偏斜率控制、设备安装、工艺细节、事故处理等方面对工人的技术水平要求更高，而且反井钻机对各部件的安装及调试有严格要求，导致反井钻机前期准备工作投入的时间较长。尽管钻井法存在直接成本较高、技术操作难度较大和前期准备工作时间较长的不足，但钻井法从安全、职业健康、机械化等方面带来的综合效益要远远优于普通法。综合考虑钻井法的优劣性、天井施工概况等因素，钻井法更适用于掘进阶段天井、盲竖井、主要回风井等深度较大且围岩较稳固的天井，产生的综合效益也更明显。

图3 普通法与钻井法天井成形效果对比

5 结语

随着社会的发展，为应对地采矿山工人队伍人数越来越少、平均年龄越来越大的危机，地采机械化建设已成为矿山发展的必然趋势。为提高地采天井施工的机械化水平，本文介绍了LM-200型反井钻机在某锰矿的应用情况并进行深入的分析总结，实践证明钻井法是提高建井技术机械化水平的有效方法，它具有效率高、天井成形质量好、施工安全性高、工人劳动强度低等优点。但是，钻井法在前期准备时间、设备搬运便利性等方面还需要做进一步的优化调整，以便推广应用于更多的天井工程施工。