大直径反井钻机在巴基斯坦杜达铅锌项目中的应用

黄少攀（湖南有色诚信工程监理有限责任公司，湖南长沙 410015）

大直径反井钻机在巴基斯坦杜达铅锌项目中的应用

黄少攀
（湖南有色诚信工程监理有限责任公司，湖南长沙 410015）

介绍了巴基斯坦杜达铅锌项目的工程背景、BMC－400B型反井钻机（直径2.5 m）的成井技术以及在杜达铅锌项目的实践。这也是大直径反井钻井技术首次在我国有色冶金系统的成功应用，具有一定的推广意义。

BMC－400B型反井钻机；高天井；杜达铅锌项目

巴基斯坦杜达铅锌项目系湖南有色金属控股集团有限公司与中国冶金建设集团联合出资的地下矿山项目。该项目地处南亚茫茫戈壁，地质条件复杂，工程设计采用“明竖井＋箕斗斜井”联合开拓方式，中段高度定为100 m／中段，段高100～200 m，高天井工程总量达2 000自然米。天井掘进是该项目的主要施工重点、难点。经过选择，采用了直径2.5 m BMC－400B型反井钻机施工天井。这也是大直径反井钻机在我国有色冶金系统的第一次运用，取得了很好效果。

1 概 述

1.1 工程概况

巴基斯坦杜达铅锌项目，位于巴基斯坦俾路支省南部拉斯贝拉（Lasbela）地区的坎拉杰（Kanraj）山谷中，南距巴基斯坦国最大城市卡拉奇市200 km。该项目由中国冶金建设集团、株洲冶炼集团股份有限公司，湖南黄沙坪铅锌矿三方共同出资，在巴基斯坦成立中冶集团杜达矿业有限公司，对项目进行管理，委托中国有色工程设计研究总院设计。设计采选生产能力为66万t／a，主要产品为铅精矿、锌精矿，计划于2008年10月投产。

杜达铅锌项目采用“明竖井＋箕斗斜井”联合开拓方式，中段高度定为100 m／中段，设计有回风井、充填井、矿石溜井、矸石溜井、电梯井等计13条天井，段高100～200 m，高天井工程量达2 000自然米。在项目总体网络进度计划中，天井掘进是关键线路上的瓶颈工作。如何安全、高效、低成本地施工高天井是该项目建设中的的重点、难点。

1.2 地质情况

杜达铅锌矿床赋存于冈瓦纳古陆（Gondwanland）沉降和盆地形成期间的海浸运动所堆积的侏罗系碳酸盐岩和碎屑沉积岩之中。矿体上、下盘围岩主要有含黄铁矿结核炭质泥岩、含砾炭质泥岩、黄铁矿体、灰岩、泥质灰岩，局部地段为钙质泥岩。在上盘存在的破碎脆性页岩中，部分夹有膨润土。

褶皱、断层、软弱夹层都很发育，岩石的单轴抗压强度数值大约在20～100 MPa范围之内，RQD值则常常出现明显的跳跃。地下水类型为构造裂隙承压水，水量不大，但有很强的腐蚀性。

杜达铅锌工程原岩应力较大，勘探孔岩芯椭圆饼状风化现象十分普遍，经重庆大学土木工程学院测试，该矿区最大主应力为水平应力，方向为东西向，最大主应力与最小主应力之比为2.75，强度仅次于我国金川镍矿，地采复杂程度位居前列。在工程揭露过程中，因围岩自支撑能力差，原设计井巷50%支护，50%不支护的技术方案，不得不调整为100%支护。

1.3 施工方法的选择

针对杜达铅锌项目工程地质条件差、坑内作业条件差、高天井（100～200 m高）、工程量大、缺少熟练作业人员、工程进度十分紧迫的特点，经过反复比较，放弃初步设计推荐的吊罐法、爬罐法、深孔凿岩分段爆破成井法等方案，最终选择了反井钻机法来施工高天井。

反井钻机工艺原理如图1所示，是将钻机安装在地面或上水平巷道，先从地面或上水平巷道向下水平巷道钻一个直径190～270 mm的先导孔，用清水或泥浆做循环洗井液，钻透后在下水平巷道卸去导孔钻头，安装上直径900～3 500 mm的扩孔钻头，然后沿导孔由下水平向上水平扩孔，成井后，扩孔钻头从上水平提出。利用此法，100 m左右高天井从开孔到完成整个过程度只要一月左右，而且井壁光滑平整，真正做到了安全、高效，有利于缩短总体工程进度。

图1 反井钻机工艺原理图1－反井钻机；2－钻杆；3－导孔钻头；4－下水平巷道；5－等候装接的扩孔钻头；6－扩孔工作中的扩孔钻头；7－扩孔后的导井井筒；8－自由落下的岩渣

国外从20世纪60年代、国内从20世纪80年代开始应用反井钻机法［1］。2006年，平顶山煤业集团四矿采用BMC－300型反井钻机钻凿成560 m深井一条，创国内反井工艺施工井筒深度新纪录。2007年元月，山西晋城煤业集团寺河矿利用BMC－400型反井钻机施工完成直径3.5 m、深270m的小东山垂直风井，创国内采用反井工艺施工井筒大断面新纪录。考虑有色冶金系统与煤炭系统的不同地质条件和天井偏斜率的更高要求，又是首次在有色冶金系统应用大直径反井钻机，从稳妥、谨慎、适用出发，将杜达铅锌项目的反井工程技术指标调整为直径不大于2.5 m、深度不大于200 m、偏斜率控制在0.5%以下的垂直天井。

1.4 BMC－400B型反井钻机介绍［2］

BMC－400B型强力反井钻机如图2所示，主要包括上水平部分和孔内部分。上水平部分有三大系统：（1）主机系统，包括主机、泵站、操作车（小吊车、机械手、翻转架）；（2）电控系统，包括电器控制开关、启动柜等；（3）辅助系统，主要是洗井液循环系统，如清水泵、泥浆泵、潜水泵等。孔内部分包括导孔钻头、普通钻杆、稳定钻杆、异形接头、扩孔钻头等。

图2 BMC－400型强力反井钻机结构

BMC－400B型反井钻机技术参数和设备消耗功率见表1、表2。

表1 BMC－400B型反井钻机主要技术参数

表2 BMC－400B型反井钻机功率kW

2 地表～420分段主回风井反井施工实践

地表～420分段主回风井，井深110 m，直径2.5 m，是用反井钻机施工的第一条天井。

2.1 施工准备

2.1.1 运输准备

由于施工地点在巴基斯坦俾路支省腹地，考虑国内物资运输到当地采用集装箱船运输远比散装船运输方便快捷等因素，反井设备制作加工时，设备尺寸按集装箱空间尺寸进行加工和组装，坑内运输通道中断面规格不够的少数区段提前进行扩刷。

2.1.2 四通一平

施工道路：根据测量放线，首先完成地面道路满足设备运输机人员进场要求。

工程供水：（1）从提升斜井接供水管路接至施工现场，保证工作时间能持续供水，水量不小于10～15 m3／h；（2）在距主回风井井孔中心5 m范围内施工不小于5 m3的洗井液循环池及不小于3 m3的液压系统冷却水循环池，洗井循环池上沿应低于钻机基础上平面20 cm左右，以利于洗井液回流。

供电：本项工程采用固定电源供电，电压等级为380 kW，频率50 Hz，所需的供电负荷：导孔钻进功率229.55 kW，扩孔钻进功率137.35 kW，总功率229.55 kW。

通讯：在地面安设一台固定电话，并在天井下口附近也安设一台。保持通讯畅通。

施工场地平整：在运输不方便的位置，场地标高和运输进场道路高度尽量一致，

2.1.3 夏季施工措施

因为当地气温较高，且施工周期正值雨季，还对地面现场进行遮阳措施和防洪维护。

2.1.4 钻孔准备［3］

场地内首先安装起吊设施、布置钻机基础、导孔钻进排渣循环池、摆放主机、泵站、操作台、钻杆、循环泵等，搭设防护施工篷。

2.1.4.1 钻机基础

一般情况下，在井孔上方布置主机位置浇筑混凝土基础，用于紧固主机，承载钻机工作时的反作用力，钻机基础要求有一定的体积和强度，用素混凝土浇筑，混凝土标号C25。

BMC－400B型基础尺寸：长4.0 m×宽3.5 m×厚度1.2 m（钻机基础图如图3所示）。

注意事项：（1）基坑必须开挖到完整基岩，井筒中心Φ80 cm范围内基岩保持水平、无破碎，允许深挖；井筒中心220 cm见方范围内基础厚度为110 cm，其余处厚度≥80 cm；（2）基础上平面高于地面5～20 cm；（3）基础砼标号不低于C25。

图3 BMC－400B反井钻机基础图

如果表土深度较大，超过10 m时，则沿天井中心正向掘砌，达到稳定岩石后，在钻孔中心埋设和钻杆直径匹配的钢管，用于导孔钻进循环，上部基础则改用钢梁制作。

2.1.4.2 起吊设施

在地面，钻机起吊一般采用汽车吊，如果不具备汽车吊装条件，可以在钻孔上端安装起吊设施，起吊设施采用门字型结构，其上设有起吊15 t重物的电动葫芦和手动葫芦，用于钻机装卸和钻机组装。

2.2 人力资源配置

导孔、扩孔施工时现场人力资源配置为：操作班由9人组成，3人一组进行三班倒，9人中有机械技术员一名，修理工一名，水工技术人员一名。另设一名机械工长期跟踪服务，适时进行现场指导。

2.3 施工过程

工程部测量人员根据施工组织设计对风井位置和设备基础测量放线，规划简易道路并施工。设备基础坑以外场地平整，水、电、通讯接入施工场地（距地表风井10 m范围）。然后进行设备基坑开挖，水泥、砂石备料，砼搅拌机安装好后，进行反井钻砼基础浇注及砼基础养护。同时设备经海运运输到现场，开箱检查的结果是设备完好。将设备运输到风井井口上方，进行反井钻机吊装，系统调试试运转。然后预埋地脚螺栓，进行二次砼浇筑。

8月26日，开始导孔钻进施工，同时制定反井钻钻头下放420的方案和做好准备工作。9月1日，导孔透孔420分段，导孔测斜，偏斜率0.2%，合格。9月5日，井下钻头运输线路扩刷及调轨等准备工作完成，开始下放钻头。9月8日，钻头到达420分段巷，420钻头安装空间不够，进行扩刷施工。9月11日，拆导孔钻头，安装扩孔钻头，进行扩孔施工。同时下口出渣以保证扩孔空间。9月30日，扩孔完成，同时保护好成孔，做好警戒防护。地表～420分段主回风井成井用时36 d，其中导孔用了4 d完成，扩孔用了18 d（排碴影响在内）完成。

地表～420分段主回风井反井施工成功后，又进行了400～300水平矿石溜井（井深100 m）、400～300水平废石溜井（100 m井深）、420～320水平主充填井（100 m井深）等天井的施工，均顺利成井。

2.4 反井施工造价分析

由于当时国外反井钻机（赞比亚的谦比西铜矿）成井单价为1 000美元／m（导井1.4 m），而国内只有水电工程定额中有反井钻机项目。在进行费用测算时，是以2004年版水电工程定额《导井1.4 m预算基价表（编号21040）》和反井钻机台时费定额（编号1152）为基础，再按杜达项目的人工费、当时的材料费、海运等因素进行调整，并按有色定额计取综合费率来进行测算，单价为3 500元／m（天井直径1.4 m），或7 500元／m（天井直径2.5 m）。

2.5 技术关键和管理事项

反井钻机施工高天井的技术关键首先是钻孔精度控制，导孔钻进关系到高天井施工的成败，导孔的偏斜也就是扩孔后整个天井的偏斜，特别是深孔和斜孔，偏斜更易发生。必须全面了解并仔细研究工程地质、水文地质资料以及相关工程的施工情况，以此合理地确定钻机位置、钻具布置以及钻井参数和循环液的选择，并努力提高操作人员的技术水平等。要保证钻孔精度，认真准确操作和细心控制非常重要。操作人员必须按照要求合理控制钻进参数，掌握钻机工作状况和地层条件，减少孔内事故发生。正常钻进时，要保持扭矩稳定，钻速均匀，并根据钻出的岩屑了解地层状况，根据地层的变化及时调整钻进参数。

导孔钻透后，拆除导孔循环系统，并适当改造冷却系统。将导孔钻头拆下，装上大直径的扩孔钻头。扩孔钻头上的破岩滚刀在压力和扭矩的联合作用下，对岩面产生冲击、挤压和削刮，破碎岩石进行扩孔。扩孔时，孔口上下人员要保持通讯联络的通畅，并保持下口及时出碴，不能堵塞。扩孔前，可根据实际情况决定是否需要测斜和纠偏。

从钻机方面来看，影响钻孔偏斜率的主要因素是钻具（包括导孔钻头、普通钻杆、稳定钻杆）及其布置。钻具布置既要考虑导孔钻进，又要考虑扩孔安全，还要根据施工状况和孔内情况进行调整。钻具布置通常按导孔钻头＋稳定钻杆＋普通钻杆＋稳定钻杆＋…＋普通钻杆。施工时布置钻具包括开孔、正常导孔钻进以及事故处理时不同阶段的布置。开孔时采用低钻压、高转速，控制钻速均匀。随着孔深和钻具增加，可以适当增加钻压，但一定要控制钻速均匀。循环液将导孔内的岩屑排到孔外，并冷却钻头。地质条件较好时，可采用清水循环，地质较差的地段，如断层、破碎带等，必须用泥浆作循环液。泥浆循环具有临时支护作用，可以避免或减少塌孔、漏浆等意外情况。

其次是对破岩刀具的选择。破岩刀具包括导孔钻头和扩孔破岩滚刀。导孔钻头一般选择石油钻井用标准的镶齿型三牙轮钻头，它的选择一般按厂家推荐的钻头适用范围以及工程具体岩石情况选择。扩孔破岩滚刀破碎的岩石量占总破碎量的90%，合理选择破岩滚刀，对加快钻进速度、降低成本有重要意义，破岩滚刀有单刃盘型滚刀、镶齿盘型滚刀等，如何选择主要根据岩石的硬度、磨蚀性来确定齿形和布置。

必须加强现场管理：施工前，必须认真分析钻孔地质条件，确定钻具布置制定需采用的钻进参数，并对钻进过程中可能发生的影响钻孔质量的事故进行预测，做到心中有数。在实际钻孔中，应对参加施工人员进行培训，使其全面掌握所制定的施工方案，并高度重视钻机安装、开孔钻进、钻进参数控制、复杂地层通过等重要钻进工序，以减少影响钻孔质量事故的发生。

2.6 天井施工时存在的困难

1.在风井施工时，涉及反井钻设备下放坑内运输。扩孔钻头2.5m直径，重约7 t。为确保安全，自制了专用于扩孔钻头下放的平板车，且用了箕斗轮对。实际上在后续的天井施工中，还涉及更重的主机设备运输，都需要专用平板车和调轨加固。

2.400 中段回风平巷及主运输巷设计宽度2.7 m，高度2.55 m（轨面以上），虽大部分区域实际有超挖现象，但其中钢骨架喷砼支护区（6 m长）巷道净规格尺寸最窄位置仅2.35 m宽度，实际轨道中线与巷道中线不重合，钻头设备通过比较困难。为了将扩孔钻头运输到风井的下口位置，对运输通道进行了大量扩刷。

3.反井钻施工时间比预期变长不是围岩变硬，而是生产管理方面的原因，由于提升能力所限，浙江队为保自身掘砌任务完成，将自身的掘砌废石优先提升，反井钻扩孔出碴放在第二位，致使扩孔出碴不及时，扩孔排碴空间不够而停工。

4.破岩大量用水、围岩承压水和泥质灰岩碎碴混合，形成了大量粘稠泥浆，污染巷道，尤其是进入了排水沟和临时水仓，排水、清淤困难，工作量大。

5.在井下施工矿石溜井（400～300）曾因停电卡钻，处理卡钻相当困难和耗费时间，随之将反井施工供电确定为双向回路供电。

6.矿石溜井施工时有小涌水现象，导致掉碴，对风化严重的井筒，采取全段或局部喷砼支护。

3 结 论

杜达铅锌项目采用了直径2.5 m BMC－400B型反井钻机，施工垂高100～200 m深高天井并获得成功，这也是大直径反井钻机在有色冶金系统的第一次成功实践。通过这次实践，证明了在有色冶金矿山采用反井钻机机械成井并一次形成大直径天井的可行性，对加快地下矿山建设速度，减少成井施工强度，提高成井安全性具用重要意义，在经济条件允许的条件下，具有较好的推广性。

［1］ 刘志强.水电工程应用反井钻井技术的新进展［J］.水力发电，2004，30（11）：23－24.

［2］ 刘志强，杨春来.反井钻机导扩孔技术在水电工程中的应用［J］.水利水电施工，2006，（4）：22－26.

［3］ 刘志强，龚建宇.济宁3号副井反井钻机施工技术［J］.建井技术，1999，（2）：5－7.

Application of the Raising Drill in Duda Lead-zinc Project in Parkistan

HUANG Shao-pan
（Hunan Nonferrous Chengxin Project Management Co．，Ltd．，Changsha 410015，China）

This paper maily introduces engineering background of the Duda lead-zinc project in Parkistan，drilling completion technology of the BMC-400B raising drilling，and the pratice in the Duda lead-zinc project.This is the large-diameter raising drilling technology being succesfully used to nonferrousmetallurgy system of China at the first time，so it has certain extenging significance.

BMC－400B raising drilling；high raise；Duda lead-zinc project

TD422.1

A

1003－5540（2016）02－0005－05

2016－01－06

黄少攀（1970－），男，工程师注册矿业一级建造师，主要从事采矿技术管理工作。