反井钻井技术在硬岩条件下矿山竖向开拓中的应用

2024-01-08刘克安

科技创新与应用 2024年1期

刘克安

（中国有色金属建设股份有限公司，北京 100029）

反井钻井施工技术近年来得到长足的发展，在煤矿、金属矿山、水利水电和交通运输等诸多行业得到成功的应用，有效解决各类工程建设中竖向通道的工程施工[1-3]。在水电工程中成功应用反井钻井施工技术完成大直径引水井的一次成井[4-5]，在隧道工程中成功应用反井钻机施工技术完成通风竖井的施工[6-7]，在矿山工程中，反井钻机施工技术分别被用于大直径通风井、进回风井、溜井施工、人行天井和暗立井掘进[8-10]工程中，都能有效解决这些工程的施工建设。反井钻机施工利用机械破岩，在人员安全方面有巨大优势，随着大型反井钻机设备、刀具、控制系统的研发，应用的范围将会越来越广泛。印度竖井工程建设过程中，涉及大量的竖向开拓工程，在硬岩条件下利用反井钻机完成竖向开拓工程，取得良好的应用效果。

1 工程概况

印度竖井项目位于印度拉贾斯坦邦，工程主体为一条千米混合井及井下溜破系统，地表高程为511.5 m，井筒净直径7.5 m，井深1 051.5 m。项目区域内地质环境为前寒武纪带状片麻岩复合群岩层，主要岩石为片麻岩和片岩及其带状片麻岩复合体，竖向开拓工程主要位于石黑云母片麻岩、钙质硅酸盐、白云岩和黑云母片岩等岩层。工程范围内岩石硬度较大，岩石质量较好，水文地质条件简单。工程范围内的竖向开拓工程包括回风天井、人行天井、原矿仓、成品矿仓、矿石溜井、废石溜井和采区通风井等。竖向工程技术特征及工程量清单见表1。

2 施工工艺

在反井施工过程中，除了2 条直径3 m 的长反井采用国外Robbins 反井钻机施工外，其余反井均由国产钻机完成，根据井筒担负的功能及支护形式不同，分别采用反井钻机一次扩孔成井及二次钻爆法扩孔成井，下面对施工应用范围最广泛，完成工程量最大的直径为2.4 m 的采区通风反井施工工艺进行介绍。

2.1 设备选型及参数

采区通风反井的反井钻机施工，由于受到分段巷道尺寸的限制，采用ZFY-2.5/100D 系列低矮型反井钻机进行施工。由上至下导孔施工时配直径为270 mm三牙球齿合金钻头；导向孔透孔后，由下至上扩孔施工时配直径为2 400 mm 镶齿盘式滚刀反孔钻头。由钻机提升钻头扩孔，最后成井尺寸为2 400 mm。钻杆直径为210 mm，单根钻杆长度为1 000 mm。

2.2 施工准备

反井钻机施工硐室断面为L10 m×B4.5 m×H4.0 m（钻机高度5 m，硐室高度不够需挑顶，挑顶面积不少于2.5 m2，位置在钻孔的正上方，以基础表面为基准），独头巷道设备摆放长度不少于19 m，宽度不少于4.5 m，可满足反井钻机施工需要。对反井钻机施工硐室进行锚网喷临时支护，支护技术参数：锚杆间排距1 000 mm×1 000 mm，网片搭接100 mm，喷浆厚度50 mm，喷射砼强度C20。

复核矿区巷道布置图等技术资料，确定反井的上、下口坐标，进行测量定位。提前按照导孔的上口坐标浇筑好反井钻机基础，以反井导孔中心线为中心，浇筑基础尺寸L5 m×B3 m×H0.6 m，混凝土强度M20，浇筑过程中预留出排渣沟槽，反井钻机主机基础如图1 所示。压风、水、电源等连接至施工现场，确保反井上下口具备施工条件。风筒连接至施工现场，距工作面距离不大于6 m。施工现场准备低压配电柜，以备钻机主泵、副泵、水泵等设备搭接电源，另在工作面安装一台污水泵便于排水。

图1 反井钻机主机基础图

2.3 施工方案

2.3.1 测量放线

根据矿区巷道布置图等技术资料确定的反井上、下口坐标，在反井钻机施工硐室顶部放样出上口中心点，在下口巷道顶板放样出下口中心点，下口若无放样条件，可放出下口中心点的十字方向。上、下2 点确保打钻时不倾斜。

2.3.2 设备运输

反井钻机技术参数：钻机型号为ZFY-2.5/100D，钻机主要分为6 大部分，即主机，主，副泵站，钻具，主机基础梁，液压控制台和一些零散小部件，以及电控箱，工具箱，其中最重和外形尺寸最大部分为扩孔钻头部分5.3 t。矿井能够提供的箕斗大小为4.0 m×1.9 m×2.6 m，提升重量不大于6 t，拆解后的钻机各部件符合罐笼下放条件。矿井运输巷道断面为3.5 m×3 m，钻机部件的拆卸需满足运输要求，井下运输采用铲运车将钻机主机运输至施工现场。

2.3.3 直径270 mm 导孔施工

导孔先用低钻压钻进，以防打偏或震坏孔口，钻进5 m 后，即可以正常压力钻进，ZFY-2.5/100D 反井钻机的推进油缸为3 只直径为200 mm 的油缸，每个油缸的下推力都很大，而钻进所使用的三牙轮钻头许用最大推力只有222.5 kN（23 t）。因此，工作时钻孔推进压力不宜超过10 MPa，否则将造成三牙轮钻头的提前损坏。每钻进10 m，加1 根稳定钻杆，以防钻杆拧的过紧和锈蚀，应该在钻杆丝扣上涂抹黄油，钻孔要及时清除至井口的岩渣。并随时观察排量和粒度，发现排渣不畅时，应加大水量，降低转速。

2.3.4 直径2 400 mm 反向扩孔施工

当导孔施工完毕时，将大钻头运至溜井下口位置，利用人工将导孔钻头卸掉，电话通知钻机操作手，放下动力水龙头，电机正转旋接丝扣，旋紧钻机后，提出动力水龙头，取出上卡瓦，进行扩孔钻进。扩孔开始时，要特别注意压力，不要连续推进，一般每推进一次，待刀具无碰撞后再行推进，每次推进距离不大于10 mm，待整个刀盘全断面钻进后，方可按正常压力扩孔。扩孔发生卡钻时，应立即反向推进，使刀具远离岩石，再缓缓推进，不得在刀具接触岩石时使电机反转。反井快扩通时，应低压顺序或间断推进。

2.3.5 反井下口排渣

在扩孔钻进过程中，每完成两班扩孔钻进，必须停止扩孔，在反井下口完成排渣，排渣使用铲运机完成，排除的废渣用于井下采空区回填。排渣过程中需要检查废渣的颗粒大小，如果颗粒较大说明所钻地层岩性较软，镶齿滚刀能够抠落围岩，此时扩孔钻进速度较快；但如果废渣颗粒较小并大部分呈粉末状，则说明所钻地层围岩较硬，扩孔时需要保持高钻压、低扭矩钻进，控制钻进压力及扩孔速度。

3 故障分析

由于反井钻机施工过程中受地质条件因素影响，可能遇到的施工故障多变，这就需要操作过程中不断总结施工经验，针对不同故障采取相应补救措施。

3.1 遇破碎带的施工措施

反井钻机在导孔钻进过程中，一旦遇到岩石断层、破碎带，就会出现洗井液（排渣水）漏损，不返水或水流量不足、排渣不畅现象，如不及时处理，将造成因岩粉抱死钻杆，所有钻杆都无法取出的重大事故。因此，一旦发现不向外出水或水流量不足、排渣不畅现象，及时停止继续往下钻进，将钻杆往上提0.5～1 m，继续用洗井液冲洗小孔，如果洗井液回流量能够逐渐加大直到正常，说明岩粉能够将裂隙或破碎带慢慢填满，这样就可以继续慢速钻进，观察施工情况，钻进2～3 m 后才可以正常钻进；如果洗井液回流量一直很小或继续变小就必须立即将所有钻杆从导孔中取出，往孔内灌注水泥浆，将裂隙或破碎带堵死，待水泥浆完全凝固后才能重新开孔钻进。

3.2 急倾斜岩层导孔钻进方法

钻孔偏斜率是反井钻机施工成败的关键考核指标，钻头钻进的方向在很大程度上取决于钻头与硬度变化的岩石表面相遇时的角度，如果角度小，由于钻头受到岩石表面对钻头的水平分力较大，因而钻头一般朝着与变化的岩石平面平行的方向钻进；如果角度大，由于钻杆受到偏心载荷，使得钻杆朝着受力较大的一侧弯曲，因而钻孔的偏斜将趋向与变化的岩石平面成垂直的方向钻进。因此在施工前必须了解施工段岩层的结构变化情况，深孔施工时根据施工前勘探所得到的地质柱状图在遇到软硬岩层交接处提前1 m 左右就做好防偏斜措施，将钻压尽量降低，待三牙轮钻头（导孔钻头）完全进入交接岩层并超过1 m 以上再开始正常钻进。

3.3 硬岩条件下扩孔钻进方法

相比于常规的地质岩层条件，硬岩条件下扩孔钻进需要采取措施，岩石较硬时，要高钻压、低扭矩，经常憋钻时，要降低钻压，在将扩透时，必须降低钻压和扭矩，直到扩孔钻头露出。扩孔钻进时，发现排渣不畅，钻头激烈晃动，压力不稳，钻进困难时，可能是有大块矸石落在刀具上挤压刀具所致，此时将刀具下放一定距离，多次高速旋转，将矸石甩掉，若无效果时，把钻头下放到底进行处理。在扩孔钻进过程中，由于岩石硬度较大，会导致镶齿滚刀的合金刀头磨损严重，甚至造成滚刀的直接脱落，施工中出现的镶齿滚刀损坏及脱落现象如图2 所示。因此，硬岩条件下扩孔施工，一是要确定合理的扩孔刀盘滚刀布置形式，选择适用于硬岩条件的镶齿滚刀；二是要采用一体式扩孔钻头，加固滚刀底座，加密扩孔钻头边刀；三是要根据地质情况动态调整钻进参数，通过试验获得合适的钻压及扭矩。对于扩孔钻头的滚刀布置方式改进如图3 所示。

图2 扩孔钻进过程中滚刀出现的问题

图3 改进后的扩孔钻头

4 应用效果

4.1 质量控制

钻机竖立安装时，为确保垂直，必须将主机水平找正并加固，确认无误后方可开钻。反井钻机在导孔钻进期间，应根据岩石硬度灵活调整油压，以防止钻进时主机移位，出现导孔偏斜。扩孔期间应对各部油压表细致观察，根据岩石的硬度随时调整油压操作，当扩孔钻头至上部时，应缓慢转至上口，停钻后将大钻头用钢丝绳提起，方可拆除主机。反井钻机施工满足成孔直径2.4 m，反井孔壁平滑，偏差率不超过1%。反井施工质量与地质条件和施工操作密不可分，本工程在硬岩中完成反井施工，成井效果较好，扩孔后反井井壁光滑，裸巷无需进行支护，成井后效果如图4 所示。

图4 反井成井后效果图

4.2 工程进度

根据本工程中近30 条反井施工的进度统计，施工过程中主机基础浇筑，以及风水电等辅助设施的准备需要约15 d，设备的运输、组装及找正需要约12 d，导孔钻进过程中每班完成4～5 m，每天3 个班可以完成约14 m 导孔，扩孔钻进过程中每个班完成3～4 m 扩孔，每天安排两个班扩孔一个班排渣，每天可以完成约8 m扩孔，完成一条百米反井需要约45 d。