程守業(yè)，馬奕博，于見水

(1.煤炭科學(xué)研究總院建井研究分院，北京 100013； 2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013； 3.煤礦深井建設(shè)技術(shù)國家工程實驗室，北京 100013)

在礦山、水電、交通、市政等領(lǐng)域進行立井的建設(shè)常采用反向鑿井法，反向鑿井法的發(fā)展依次有人工蹬渣法、木垛法、吊罐法、爬罐法、深孔爆破法和反井鉆機鉆井法[1]。隨著反井鉆機、反井鉆井工藝、新材料以及地層處理工藝的出現(xiàn)，反井鉆機鉆井法施工效率高，可節(jié)省50%左右的工期和40%左右的綜合延米單價，成井質(zhì)量好，作業(yè)過程安全。反井鉆機鉆井法逐漸取代了其他反井施工方法，成為地下工程建設(shè)領(lǐng)域重要的工藝技術(shù)[2]。反井鉆機鉆井法能夠?qū)崿F(xiàn)正向?qū)Э住⒎聪驍U孔，具有機械破巖、安全環(huán)保、精準(zhǔn)高效等特點。

國內(nèi)外采用反井鉆機鉆井法在金礦井下施工立井已有近50年的歷史，國內(nèi)反井鉆機鉆井法在金礦的應(yīng)用多以深120 m、直徑1.4 m左右的淺立井為主[3-5]。目前，反井鉆機鉆井法開始在大型金礦立井建設(shè)工程中普及，井下立井設(shè)計深度和直徑不斷變大，施工環(huán)境及條件趨向復(fù)雜，施工單位面臨著質(zhì)量控制以及安全保障等方面更高的要求，隨著反井鉆機的研發(fā)和工藝技術(shù)的新方法，國內(nèi)金礦大直徑反井工程已具備實現(xiàn)的基礎(chǔ)。

灘澗山金礦為礦山建設(shè)期和運營期加強通風(fēng)，采用國內(nèi)煤炭科學(xué)研究總院建井分院自主研發(fā)生產(chǎn)的BMC400型反井鉆機施工兩條共300 m通風(fēng)立井，海拔高達(dá)3 726 m，最深井達(dá)到160 m，最大直徑達(dá)3 m，巖層互層現(xiàn)象明顯，巖體呈塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，對反井施工技術(shù)要求高，為目前國內(nèi)金礦首次采用反井鉆機鉆井法完成的深井160 m、大直徑3 m一次成井通風(fēng)井。使用SPS600地質(zhì)鉆機鉆鑿先導(dǎo)孔豐富了反井鉆機鉆井法的內(nèi)涵，立井施工安全環(huán)保、精準(zhǔn)高效，偏斜率及鉆進精度控制良好，對反井鉆井法在金礦領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用具有突破性、指導(dǎo)性的意義，為金礦深立井、大直徑進一步發(fā)展積累了寶貴的經(jīng)驗。

1 工程概況

灘澗山金礦位于柴達(dá)木盆地北緣賽什騰山系南東段，海拔高3 200～3 800 m，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，施工安全問題突出，地質(zhì)條件較復(fù)雜，巖層互層現(xiàn)象明顯，巖體呈塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)。區(qū)內(nèi)礦體賦存情況：M1礦體賦存在3 450～3 630 m；M2礦體賦存在3 510 m以下，該標(biāo)高以上已經(jīng)露天開采，目前工程控制M2礦體最低標(biāo)高3 422 m；M3礦體賦存標(biāo)高3 450～3 745 m。礦井設(shè)計施工立井2條，井筒具體規(guī)格見表1。

2 反井鉆機參數(shù)計算與選型

風(fēng)井區(qū)域位于西北干旱地區(qū)，裂隙發(fā)育，用水缺乏，難以使用反井鉆機施工導(dǎo)向孔，采用地質(zhì)鉆機進行壓風(fēng)正循環(huán)施工導(dǎo)向孔。擴孔階段時鉆桿主要受到拉力、扭矩、自重的作用，鉆桿所受拉力、扭矩過大會造成鉆具長期處于過載而造成鉆具的損傷及破壞，過小又會造成破巖壓力不夠、施工進度緩慢。

表1 通風(fēng)井規(guī)格Table 1 Specification of ventilation shaft

通過分析巖石柱狀圖獲取巖石抗壓強度、松散系數(shù)并計算反井鉆機擴孔階段的鉆壓、扭矩主要控制參數(shù)，由于兩條通風(fēng)井除井深規(guī)模不一致外，其他條件一致，以反井鉆機鉆進參數(shù)更大的160 m北通風(fēng)井進行計算選型。計算選型過程中結(jié)合北京中煤礦山工程有限公司在反井鉆機的科研和施工中的大量數(shù)據(jù)經(jīng)驗并考慮鉆具與地層間的復(fù)雜受力。

2.1 工程地質(zhì)巖石情況分析

根據(jù)礦區(qū)地層巖性特征，依照巖組強度、巖體結(jié)構(gòu)、巖體性質(zhì)的不同將區(qū)內(nèi)巖體工程地質(zhì)類型劃分如下所述。①第四系松散軟弱巖類工程地質(zhì)巖組：分布于山體緩坡及溝谷兩側(cè)，巖性為沖洪積物﹑坡殘積物及人工堆積的塊石、碎石及少量亞黏土，堆積物分選性及磨圓度均較差，其坡度與自然休止角一致，部分坡積物已弱固結(jié)，斜坡較為穩(wěn)定。②較軟巖類工程地質(zhì)巖組：在礦區(qū)中分布最廣，出露面積約為1.3 km2。主要巖性為斑點狀碳質(zhì)絹云千枚巖，碳質(zhì)絹云千枚巖及白云母鈣質(zhì)片巖。該類巖石受構(gòu)造擠壓作用明顯，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，局部片理發(fā)育，巖層破碎，力學(xué)強度低。該巖組的巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)為14.97%～79.93%，巖石質(zhì)量等級為Ⅲ～Ⅴ級，巖石質(zhì)量中等，巖體中等完整。③較硬巖類工程地質(zhì)巖組：巖性主要為厚層狀白云石大理巖(SDB)和條帶狀白云石大理巖，硅化大理巖。該巖組新鮮巖層呈層狀構(gòu)造，地層連續(xù)性較好。一般常見2～3組節(jié)理。據(jù)礦區(qū)普查工程編錄資料，該巖組的巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)為74.29%～93.91%，巖石質(zhì)量等級為Ⅱ～Ⅲ級，巖石質(zhì)量中等，巖體中等完整。④堅硬塊狀巖類工程地質(zhì)巖組：主要為區(qū)內(nèi)侵入巖巖組，巖性主要為輝長巖、閃長巖和石英斑巖。這類巖石大部分巖石堅硬、完整，裂隙不發(fā)育。該巖組的巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)為89.76%～91.16%，巖石質(zhì)量等級為Ⅰ～Ⅱ級，巖石質(zhì)量極好，巖體較完整，力學(xué)強度高。

巖石抗壓強度：巖石抗壓強度約120 MPa。總體來講工程地質(zhì)條件較復(fù)雜，巖層互層現(xiàn)象明顯，巖體呈塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，對鉆具整體穩(wěn)定性要求高。

2.2 鉆進參數(shù)計算

分析灘澗山金礦設(shè)計施工通風(fēng)井工程條件以及地質(zhì)條件，根據(jù)施工要求及巖石條件選取擴孔刀盤類型以及破巖滾刀類別，本工程選取3 m直徑分體式錐形擴孔鉆頭，16把5排齒配對6排齒鑲齒滾刀，254 mm鉆桿以及270 mm三合金翅穩(wěn)定鉆桿等。結(jié)合北京中煤礦山工程有限公司在反井鉆機的科研和施工中的大量數(shù)據(jù)及經(jīng)驗，確定涉及計算推拉力及扭矩的多個參數(shù)值，包括擴孔刀盤直徑Dr、井深H、擴孔鉆進速度v、巖石強度R、擴孔鉆進從巖石上破碎單位體積巖石所消耗的能量K等參數(shù)值[1]。

2.2.1 擴孔扭矩

擴孔鉆頭在一定鉆壓、一定巖石條件下破碎巖石所需要的扭矩即為擴孔扭矩，擴孔扭矩根據(jù)不同的巖石條件以及鉆壓是變量，為簡化對單個的擴孔鉆進過程研究，認(rèn)為鉆進過程中是一致的鉆壓和巖石條件，但即使在同樣的鉆壓和巖石條件下，由于滾刀破碎巖石的過程是個非線性的變化，扭矩會出現(xiàn)波動變化，只能以穩(wěn)定的平均值來估算鉆進過程中的扭矩大小。

擴孔鉆頭破碎巖石的能量來自于驅(qū)動擴孔鉆頭旋轉(zhuǎn)的扭矩所做的功，在不考慮額外損耗的前提下，兩者數(shù)值相等，計算公式見式(1)和式(2)。

E1=E2

(1)

E1=2 000πM

(2)

式中：E1為擴孔鉆頭破巖時扭矩每轉(zhuǎn)所做功，J；E2為擴孔鉆頭破碎巖石時每轉(zhuǎn)所需要的能量，J；M為擴孔扭矩，N·m。

鑲齒滾刀破碎單位體積巖石所需能量與計算擴孔鉆頭每轉(zhuǎn)破碎巖石的體積乘積即為擴孔鉆頭破碎巖石時每轉(zhuǎn)所需要的能量。擴孔鉆頭每轉(zhuǎn)破巖體積見式(3)。

(3)

式中：Dr為擴孔刀盤直徑，m；Dp為導(dǎo)孔鉆進直徑，m；h為擴孔鉆頭每轉(zhuǎn)一圈的進尺量，m。h的計算公式見式(4)。

(4)

式中：v為擴孔鉆頭的鉆速值，m/h；n為擴孔鉆頭的轉(zhuǎn)速，r/min。

每轉(zhuǎn)巖石破碎需要的能量見式(5)。

E2=KV

(5)

式中，K為鑲齒滾刀破碎單位體積巖石所消耗的能量，J/m3。

考慮到反井鉆機鉆桿及擴孔鉆頭在運行過程中需要克服鉆具與巖層間的摩擦力以及在運行期間最大輸出扭矩應(yīng)該滿足鉆桿拆卸和處理偶然塌孔等事故的能力，扭矩需要乘以扭矩能力系數(shù)a才是最終的計算結(jié)果。

將式(1)～(4)及系數(shù)a代入式(5)，得到擴孔扭矩M計算公式，見式(6)。

(6)

根據(jù)相關(guān)學(xué)者統(tǒng)計的鑲齒滾刀在花崗巖全尺寸試驗中所得到的能耗數(shù)值在75～100 MJ/m3之間，由于本工程地質(zhì)條件較復(fù)雜，巖層互層現(xiàn)象明顯，巖體呈塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，巖石較為堅硬，取鑲齒滾刀破碎單位體積巖石所消耗的能量K為50 MJ/m3。結(jié)合北京中煤礦山工程有限公司在反井鉆機的科研和施工中的大量數(shù)據(jù)及經(jīng)驗，取擴孔鉆頭鉆進速度為0.4 m/h；鉆機轉(zhuǎn)速取5 r/min；擴孔刀盤直徑Dr取3 m；導(dǎo)孔鉆進直徑Dp取0.27 m。扭矩能力系數(shù)a一般取1.2～1.5，根據(jù)此處工程地質(zhì)取1.25，M=93 kN·m。

2.2.2 擴孔拉力

反井鉆機擴孔拉力F是指沿鉆具軸向向上的提升力，拉力的作用包括擴孔鉆頭破巖鉆壓、鉆具與巖石間的摩擦阻力、鉆具重力等，計算公式見式(7)～(9)。

F=b(Fc+Wb+Wp)

(7)

Wp=qH

(8)

(9)

式中：F為擴孔拉力，N；Fc為擴孔鉆頭總鉆壓，N；Fci為每把滾刀所需鉆壓，共16把，N；Wb為擴孔鉆頭質(zhì)量，kN；Wp為鉆桿質(zhì)量，kN；q為鉆桿線質(zhì)量密度，kN；H為井深，m；b為考慮到在擴孔階段運行時，鉆具與巖層間的摩擦力和處理意見情況的額外能力的放大系數(shù)，一般為1.3～1.5，此處根據(jù)工程地質(zhì)情況判斷b取1.4。

本工程采用3 m直徑擴孔鉆頭，鉆頭自重108 kN；采用254 mm普通鉆桿以及270 mm穩(wěn)定鉆桿，鉆桿線質(zhì)量密度q為2.74 kN/m；H取160 m。擴孔鉆頭在破巖過程中，每把滾刀上的鉆壓基本一致，則有Fc=16Fc1,本工程巖石抗壓強度約120 MPa，F(xiàn)c1取60 kN，利用式(7)～(9)可得F=2 109 kN。

2.3 反井鉆機選型

結(jié)合在反井鉆機的科研和施工中的大量數(shù)據(jù)及經(jīng)驗，通過各類型反井鉆機參數(shù)的對比，本次工程采用BMC400型反井鉆機進行施工，額定拉力為2 450 kN和額定扭矩為100 kN·m，均滿足該通風(fēng)井施工的拉力及扭矩要求，并存有一定量富余以應(yīng)對突發(fā)事故。BMC400型反井鉆機技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 BMC400型反井鉆機技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of BMC400 raise boring machine

3 反井法施工

3.1 施工準(zhǔn)備

北風(fēng)井上部有7～10 m厚礦渣堆積，施工第一道工序進行上部表土處理，鏟除渣石土層并夯實，對場地進行平整、硬化，布置排水系統(tǒng)及出渣道路，施工在穩(wěn)定的基巖上的反井鉆機基礎(chǔ)。

對鉆桿及滾刀做優(yōu)化修改，為保障導(dǎo)孔順利鉆進，對穩(wěn)定鉆桿翼板進行了補焊，設(shè)計了與導(dǎo)孔井壁之間的接觸面積更加均勻的螺旋形穩(wěn)定鉆桿，減小導(dǎo)孔偏斜量。巖渣在翼板間的行走軌跡可隨鉆進工況的不同而實時改變，實現(xiàn)了巖渣行走軌跡的自適應(yīng)優(yōu)化，可有效降低抱鉆事故發(fā)生的風(fēng)險。由于滾刀受力不均而對鉆桿造成額外彎矩，使用全站儀，對擴孔鉆頭上滾刀位置進行調(diào)整以減小鉆桿的額外彎矩[6]。

由于風(fēng)井區(qū)域位于西北用水缺乏，現(xiàn)場水車供水，用水箱儲存。施工場地需要配備柴油發(fā)電機自發(fā)電，鉆機電壓380 V，總功率500 kW，保證滿足反井鉆機及SPS600地質(zhì)鉆機等設(shè)備用電負(fù)荷。

3.2 導(dǎo)孔及偏斜控制

風(fēng)井區(qū)域位于西北干旱地區(qū)，裂隙發(fā)育，用水缺乏，難以使用反井鉆機施工導(dǎo)向孔，SPS600地質(zhì)鉆機采用壓風(fēng)正循環(huán)氣動潛孔錘技術(shù)施工導(dǎo)向孔，導(dǎo)向孔直徑216 mm，包括主機、鉆塔、排渣系統(tǒng)、偏斜控制系統(tǒng)等。

1) 鉆塔安裝：鉆機安裝使用鉛垂線進行找平周正，同時使用鉆塔旁3～5 m處的兩個不同方向的鉛垂線進行觀察校核，垂直誤差控制在2 cm以內(nèi)，確定孔位坐標(biāo)后在能夠滿足地質(zhì)鉆機的反井鉆機基礎(chǔ)上安裝鉆機。

2) 開孔控制：把好開孔關(guān)，防止鉆機擺動、控制好開孔角度，防止開孔偏斜，這是防止孔斜的第一步和關(guān)鍵；開孔5.0 m后，提出鉆桿，用倒垂法定出孔底中心，然后調(diào)整鉆機位置，并檢查鉆塔天輪、提引器主動鉆桿及鉆孔中心在一條鉛垂線上。

3) 鉆進參數(shù)及鉆具布置：根據(jù)鉆頭直徑、鉆頭上硬質(zhì)合金柱直徑、潛孔錘沖擊頻率及返渣顆粒直徑，鉆具轉(zhuǎn)速控制在35 r/min；為保證垂直度，鉆壓控制在15 kN。為了保證排渣順暢及孔底清潔，施工中保持風(fēng)量為30 m3/min。鉆具連接依次為沖擊器、扶正器、鉆鋌、扶正器、鉆鋌、扶正器鉆桿、鉆桿、主動鉆桿等。

4) 鉆進技術(shù)控制：根據(jù)鉆進速度及返渣顆粒大小及時調(diào)整轉(zhuǎn)速，合理選擇鉆進技術(shù)參數(shù)，保持均勻加壓，以保證鉆柱的穩(wěn)定性。每當(dāng)鉆進完一個鉆桿單根，上提鉆具0.3～0.5 m進行吹風(fēng)，保持孔底清潔、防止孔斜，待孔口不返巖屑時，再加風(fēng)吹桿。鉆進遇到強風(fēng)化層、松散堆積層和破碎帶時，降低鉆壓，放慢鉆速，確保鉆孔垂直度。發(fā)現(xiàn)鉆桿抖動厲害或周期性滯轉(zhuǎn)現(xiàn)象，可能遇到破碎帶、較大裂隙或孔內(nèi)有坍塌掉塊等情況，立即提動鉆具，上下反復(fù)串動，強行吹風(fēng)沖擊，減小鉆壓，解決問題，防止孔斜、鉆桿折斷等事故。

5) 偏斜率測量：導(dǎo)孔施工時反井鉆機鉆井法成功的關(guān)鍵，要求偏斜率必須控制在1%以內(nèi)，使用測斜儀隨鉆測量，使用前修正儀器測量讀數(shù)，儀器下孔前應(yīng)先準(zhǔn)備好懸吊工具，使儀器的軸心線與鉆孔軸心線一致；根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況，每隔10 m設(shè)立一個測點，將測斜儀下放到預(yù)定測點，使測斜儀保持穩(wěn)定，測量此點的偏斜度，經(jīng)過多點測量得到鉆孔軌跡，如發(fā)現(xiàn)偏斜率超出要求范圍則需立即調(diào)整鉆進參數(shù)進行調(diào)斜。

3.3 掃孔

通風(fēng)井的導(dǎo)孔階段施工采用的SPS600地質(zhì)鉆機鉆鑿的216 mm直徑的導(dǎo)向孔，而BMC400反井鉆機配套普通鉆桿直徑254 mm，穩(wěn)定鉆桿直徑270 mm，成型的導(dǎo)向孔和反井鉆機鉆桿直徑不匹配，需要用反井鉆機將先導(dǎo)孔掃孔為295 mm。

在反井鉆機安裝完成后，對鉆機進行超平找正，保證開孔垂直度，然后進行二次澆注混凝土，待混凝土達(dá)到強度開始進行開孔作業(yè)，采用低鉆壓、低扭矩穩(wěn)步鉆進，防止鉆孔出現(xiàn)偏斜。掃孔推力隨巖性及鉆進深度的變化而調(diào)整，在有先導(dǎo)孔的情況下，掃孔偏斜易于控制，但仍應(yīng)采用低于最佳鉆進速度的鉆壓進行施工，轉(zhuǎn)速基本控制在10～15 r/min。合理選擇穩(wěn)定鉆桿的數(shù)量與布置方式，減小與巖層間的摩擦力，將多個穩(wěn)定鉆桿連在一起，形成一段剛性的鉆具組保證鉆進垂直度，還要考慮全部鉆具的重力分配，在第1根、第2根、第3根、第8根、第35根和第75根的位置上布置穩(wěn)定鉆桿。

掃孔完成后經(jīng)過測量，2條井筒的偏斜率均控制在1%以內(nèi)，偏斜率見表3。

表3 井筒偏斜率Table 3 Deviation rate of shaft

3.4 擴孔及完工

掃孔鉆進完成后，通過輔助對講機上下配合接上擴孔鉆頭在隧道橫通道安裝3 m擴孔鉆頭。安裝完成后微速向上移動擴孔鉆頭，直至輕微接觸巖石，然后用5 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，并緩緩加大馬達(dá)的驅(qū)動力、避免滾刀在緩慢加速的過程中遭受過大的沖擊而破壞，等鉆頭全部均勻接觸巖石，才能按照所計算出的以93 kN·m扭矩以及2 209 kN拉力為平均值的參數(shù)擴孔鉆進，使鉆進參數(shù)間相互平衡，實現(xiàn)了高效破巖，減小了憋鉆情況的產(chǎn)生概率，保證了鉆機和滾刀的使用壽命。擴孔鉆進時要及時清理擴孔破碎下來的巖屑，防止下口被堵塞。當(dāng)擴孔鉆頭運行至距基礎(chǔ)3 m時，為防止地面震動出現(xiàn)意外情況，仔細(xì)觀察地面情況，緩緩降低拉力并慢速鉆進，直至鉆頭露出地面，完成后續(xù)設(shè)備拆卸工作[7]。

4 結(jié) 語

青海灘澗山金礦通風(fēng)井使用BMC400型反井鉆機，采用先進的一次成井施工技術(shù)并對鉆具進行優(yōu)化修改，達(dá)到安全環(huán)保、精準(zhǔn)高效、偏斜小、成井質(zhì)量優(yōu)等要求，立井工程綜合成井速度達(dá)到150 m/月，井筒偏斜率均控制在0.2%以內(nèi)，工程取得圓滿成功，為國內(nèi)金礦首次采用反井鉆機鉆井法完成的深井160 m、大直徑3 m一次成井通風(fēng)井。施工中采用SPS600地質(zhì)鉆機鉆鑿先導(dǎo)孔，豐富了反井鉆機鉆井法的內(nèi)涵。

使用SPS600地質(zhì)鉆機鉆鑿先導(dǎo)孔配合BMC400型反井鉆機一次成井的效率優(yōu)于傳統(tǒng)反井法，對反井鉆井法在金礦領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用具有突破性、指導(dǎo)性的意義。實踐表明。在金礦深立井、大直徑通風(fēng)立井采用反井施工技術(shù)的成功經(jīng)驗值得推廣和借鑒。