浅析反井钻机在地下金属矿山施工天井中的应用

浅析反井钻机在地下金属矿山施工天井
中的应用
摘要：反井钻机钻井技术是煤矿、金属矿山、水利水电、隧道等地下工程中井孔钻凿的根本性变革技术。

反井钻机法在矿井开挖环节得到了广泛的应用，兼具安全可靠、经济高效等优势。

在该施工工法的应用中，导井开挖属于重难点内容，易出现质量问题。

在地下金属矿山开采矿中，无论采用哪一种采矿方法，为了提高回采效率、确保回采安全，都不可避免地要开掘天井、溜井工程，采场切割天井是采矿的第一步，同时溜井也是地下矿山的必要工程。

天井和溜井均是垂直筒状结构、空间狭小，采用普通岩土爆破法施工，安全隐患多、事故频发始终困扰矿山企业。

通过实践证明，采用天井钻机掘进天井能很好地解决上述问题，本文主要论述在采场切割天井和超过 100 高矿石溜井天井钻机选型及推广应用。

关键词：反井钻机；金属矿山；天井；应用
引言
21 世纪是人类开发利用地下空间的世纪。

机械化、信息化、智能化地建设开发地下空间工程是必然趋势，实现减人提效、高效安全是地下工程建设技术与装备研发的重要核心。

1天井钻机施工天井工艺原理
天井钻机施工天井的原理：通过钻机的动力电机带动液压马达，液压马达驱动动力钻头，利用液压动力将扭矩传递给旋转钻具系统，带动钻杆及钻头旋转，钻头上的滚刀在钻机的作用下，沿井底岩石工作面纯滚动和微量滑移。

同时，主机油缸产生的轴向拉力、压力，也通过动力头，钻杆作用在钻头上，使钻头的滚刀在钻压作用下滚动，产生冲击载荷，使滚刀齿对岩石产生冲击、挤压和剪切作用，使其岩石破碎。

反井钻机施工分两个步骤进行，首先，采用小钻头从上至下
钻进到钻下部巷道内，在钻进过程中采用潜水泵从蓄水池抽至动力水龙头，高压
水沿钻杆至钻头排水孔压出，将矿渣从钻杆与孔壁间的环行空间排至排渣槽，最
后进入沉渣池。

当导孔贯通后卸下小钻头，改换成镶齿盘形滚刀钻头，由下至上
滚刀对岩石切削、挤压反向扩孔形成竖井，反向扩孔时的矿渣经过冷却水的冲刷
和自重坠落到下部巷道内，适时由铲运机清理矿渣运出巷道。

2反井钻机施工工艺
2.1施工工艺流程
首先处理竖井井口表土段, 定位浇筑钻机就位平台, 然后采用反井钻机自上
而下施工导孔, 导孔下穿至导流平洞后, 在井底改换镶齿滚刀钻头(扩孔钻头),
自下而上通过滚刀旋转对岩石切割一次扩孔成型, 形成溜渣井(反扩孔), 最后采
用钻爆法自上而下全断面扩挖、支护, 全断面扩挖的石渣料从溜渣井在自重的
作用下溜渣至导流平洞后出渣。

导孔施工完成前, 必须施工完成连接竖井和导
流平洞的垂直交叉部位, 否则无法在导流平洞处安装扩孔钻头
2.2施工准备
施工前需在竖井井口区域坚实基础上, 浇筑一个规格尺寸为 4. 00 m×3.
00 m×1. 00 m(长×宽×高)的混凝土井场机座作为钻机作业平台, 浇筑时在中
部预留0. 20 m × 0. 20 m 的水沟, 基础平面距轨道面底0. 10 m。

作业现场铺设两条轨道, 长 4. 00~6. 00 m,轨距 600. 00 mm, 轨道之间采用接
头夹板连接, 轨道铺设至距中心线 1. 00 m 处, 与混凝土机座固定牢固。

在中
心线位置的顶板上打 1 根起重锚杆, 用于钻进组装及固定。

钻机周边做好井场
的循环水冷却系统、污水泥浆抽排系统、施工沉渣池。

循环水冷却系统所需
的洗井液池容积不宜低于 3. 00 m 3。

机座安装好后打设 8 根地锚用于钻机固定。

待钻机基座混凝土达到设计强度 75%以上后, 钻机设备方可入场安装。

反
井钻机就位安装是反井钻井法施工的关键工序之一, 其进场顺序依次为钻机车、
操作车、泵车, 当所有部件吊卸完成后, 由钻机车牵引操作车、泵车沿轻轨推
引至工作面。

反井钻机基本就位后, 接通工作电源, 启动钻机车, 操作钻机臂架, 使其中心轴线与水平面夹角成90°, 与竖井中心轴线吻合, 钻头对准测量
预先放样的起孔点。

再次对钻杆倾角及中心线进行复核测量, 精确定位, 若出
现偏差通过地脚螺栓微调。

复测完成后, 锁紧地脚螺栓, 适当回填混凝土固定。

2.3导孔钻进
ZFY1. 2/200 D 反井钻机采用全液压驱动, 导孔孔径为 244 mm, 其导孔钻
进采用清水钻进工艺, 利用泥浆泵压入清水将钻进中产生的岩屑返至地面。

导孔
正常钻进前, 先采用开孔钻杆进行开孔钻进, 其深度约 5. 00 m, 同时适当增加
粗径钻杆的长度, 用钻杆扶正器进行辅助。

待开孔结束后, 拆除开孔钻杆和扶
正器, 换上正常钻进的钻具组合。

导孔开始钻进时采用高转速低钻压, 随后在
钻进过程中视地质情况合理调节钻压。

在每根钻杆钻进结束时, 应将钻具上提
0. 30~0. 50 m, 通过吹风来清扫孔底, 待孔内的石屑被冲洗干净后再接长钻杆
继续钻进。

当遇到裂隙较大、破碎带或塌孔掉块时, 应立即将钻具提动, 利用
强行吹风的形式上下反复进行冲击实现串洞, 从而击碎掉块并将其带到孔外。

每钻进 20 m,应对孔位、孔斜率进行一次检测, 如发现偏斜超标(一般孔斜率不
大于 1%), 应通过扩孔、重新进行钻机支垫、压力调整等方式来进行纠偏。

导
孔贯通前 10. 00 m, 须在钻孔下口的导流平洞周围 20. 00 m 处布设警戒线,
安排人员看护, 禁止车辆、行人通行, 并提前做好钻孔下口排浆的处理工作,
如发现漏浆, 及时进行引排。

2.4扩孔钻进
导孔钻穿岩层至导流平洞后, 拆除导孔的钻杆和机具, 在导流平洞内安装:
ϕ1. 20 m 三牙轮钢齿钻头+短接+ϕ176 mm 钻杆, 并在钻杆末端套接上加工好的丝扣挂钩, 自下而上一次扩孔成型, 岩渣靠自重下落至导流平洞底板, 由装载机铲
运出洞外装车。

在扩孔钻头未完全进入扩孔钻进时, 为防止钻头剧烈晃动而损
坏机具, 采用低钻压、低转速钻进, 待钻头全部钻进时再加压。

扩孔过程中应
根据围岩硬度实时调整钻压、转速, 在硬岩地段可适当加压, 在软岩地段可适
当减压。

当扩孔钻头钻至距井口约 2. 50 m 时, 应降低钻进速度, 仔细观察钻
机基础情况, 判断其周边是否出现局部隆起、沉降等异常, 采取加强监测、慢
速钻进等合理措施予以处理, 直至钻头露出井口地面为止。

扩孔至一定深度后,
及时用装载机清除钻孔下口的岩屑, 防止岩屑堆积阻碍导流平洞内通风。

2.5正向分层开挖
反井钻机扩孔形成溜渣井后, 采用 5 mm 厚花纹钢板制作ϕ1. 40 m 井盖,
盖在溜渣井井口, 防止采用钻爆法进行造孔作业时或支护施工时有松动的石渣从
溜渣井坠落至其下方的导流平洞内伤人。

正向分层开挖前, 首先施工竖井钢筋
混凝土锁口圈梁, 待其混凝土达到设计强度的 75%、锁口完成后方可实施正向
分层开挖支护。

竖井正向全断面分层开挖采用钻爆法, 自上而下手风钻造孔, 采
用毫秒延时非电雷管、岩石乳化炸药装药爆破, 分层厚度 1. 50 m, 开挖至设
计轮廓, 每茬炮后用 25 t 汽车吊吊入 PC30 液压反铲(考虑竖井直径仅为 6.
00 m, 反铲回转工作半径的要求)扒渣至溜渣井, 渣体溜至井底后, 在井底采用
装载机装渣至导流平洞出口装车。

出渣完成后, 竖井侧壁锚杆支护随扩挖及时
跟进。

结束语
对于露天向下施工天井却是非常的便捷，是采矿施工天井最优的选择。

因此，针对天井钻机在矿山实际生产中的不足，随着国家科学技术的发展，反井钻机将
大量采用先进的料、液压件，在设备宽度和高度尺寸方面进行优化，在工作参数
方面进行智能化控制，设计能自主行走转场方便的多功能反井钻机，才能适应我
国井巷狭小矿山和现代矿山发展的需要。

参考文献
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