天井钻机掘进高深天溜井在大红山铁矿的应用及发展前景

梁琨锋 李雪明 杨国永

（玉溪大红山矿业有限公司云南 玉溪 653405）

天井钻机掘进高深天溜井在大红山铁矿的应用及发展前景

梁琨锋 李雪明 杨国永

（玉溪大红山矿业有限公司云南 玉溪 653405）

本文首先介绍反井钻机法与传统方法施工天溜井的优劣比选，结合大红山铁矿二期工程实际情况，采用BMC300型反井钻机结合吊罐法扩刷溜井成井技术工艺，并在大红山铁矿二期溜井成功应用。其次介绍天井钻机钻进过程中存在的施工问题预防、处理，为溜井及天井等竖向工程的施工积累了施工经验。最后介绍国内外大直径天井钻机的发展现状及发展前景，为大直径天井钻机可在大红山铁矿等类似矿山的应用值得推广和借鉴。

天井钻机；天溜井；钻进；大直径；前景

1 引言

近几年来，国外各主要制造厂为深部开采和坚硬岩石制造了大扭矩、大推力的天井钻机。随着天井钻机的进步和发展，天井钻机功率已由75kW发展到750kW，扩孔直径可达到7.1m，钻孔深度达到1500m。目前，Atlas copco的Robbins系列、Wirth公司的HG系列、Tamtock公司Rhino系列天井钻机在当前市场同类产品中，处于领先地位，在世界各地矿山都得到了广泛应用。随着我国钻机技术的研究开发，目前国内天井钻机功率可达到285kW，扩孔直径可达到5m，且在国内已应用先例，取得良好的效果。昆钢大红山铁矿在Ⅰ号铜矿带150万/a采矿工程溜破系统主溜井施工时，大胆采用反井技术施工上矿仓主溜井，并取得良好的效果，为400万t/a二期工程及二道河矿段100万t/a采矿工程高深天溜井的施工积累宝贵经验和奠定坚实基础。

2 二期工程概述

2.1 工程简述

大红山铁矿深部铁矿有表内储量2.80亿t，主要矿体为Ⅱ1矿组，共有表内储量2.45亿t，TFe43.52%，占全矿详勘表内矿量的79.73%，B+C级储量1.94亿t，TFe43.84%，占详勘表内B+C级储量的89.74%，主要阶段的阶段储量近5000万t，相当于一般的中型铁矿山储量，有大规模开采的条件，首期开拓系统的控制标高定为380m水平以上。一期工程于2006年底建成投产后，生产顺利，为满足昆钢对铁矿石的急需，产量提升很快，第二年就超过了设计能力，目前产量达到了500万t/a以上，现在保有地质资源/储量4366.8万t。400m标高以下的矿体开拓由已建成的胶带系统、斜坡道、进回风系统、辅助盲竖井系统下延控制+50m标高以上矿体，于0m水平新建破碎系统，形成深部二期开拓系统，二期采矿工程是一期采矿工程的下延，开采矿体为Ⅱ1矿组的深部，是大红山铁矿持续稳定生产的重要工程，二期采矿工程按美20m布置分段（首采分段为30m），进路间距20m。在180m设集中运输水平，矿（废）石经溜破系统，用胶带（废石用箕斗井）运送到地表进行选矿，作为连接各开采分段的溜井工程就成为二期工程能否按节点与一期工程顺利衔接的关键线路，二期采矿工程共有41条溜井，220m的高溜井达15条之多，为保证二期溜井安全、优质、快速的与各开采分段贯通，二期溜井采用反孔钻机配合吊罐进行施工。

2.2 工程地质情况

深部Ⅱ1矿组是大红山铁矿品质最好，矿量最大的资源，为矿区最主要的铁矿带。Ⅱ1矿组顶板为变钠质熔岩、绢云片岩及Ⅲ1含铜铁矿体；底板多与辉长辉绿岩体接触，南北两翼多与辉长辉绿岩、白云石钠长石岩接触，接触界面清楚，矿体内夹石与围岩岩性一致，为变钠质熔岩，围岩及夹石平均含TFe17%左右。岩体总的来看属坚硬至半坚硬岩类，完整的矿岩强度高，岩性比较好，节理裂隙不发育，岩体稳固，岩石硬度系数：f=8-10具体情况见表1。

2.3 水文地质情况

铁矿体赋存于大红山群裂隙含水层中，该含水层主要由变钠质熔岩、凝灰岩、不纯的白云石大理岩以及以黑云母、角闪石、绿泥石等为主的各种片岩组成，且有较多的辉长辉绿岩侵入。裂隙是地下水集存和运移的主导条件，富水规律受岩层裂隙发育规律的控制，总的富水规律是浅强深弱，往深部渐至隔水，从以往的施工和生产情况看，坑道涌水量小于5m3/h，无特殊软弱地层和溶洞，水文地质情况简单。

表1 大红山铁矿岩石物理力学性质试验成果表

3 应用、实践效果

针对目前大红山铁矿二期采矿工程溜井6-5、5-4等溜井在30m、100m、150m将钻杆全部拆除，通过测斜仪进行测量。若发生少量偏移，可采用变化钻具组合和变化钻压的方法进行纠偏；也可采用潜孔马达和一个弯接头纠偏；还可以采用充填偏斜孔段，重新钻孔的方法解决。

表2 钻孔偏斜率计算表

大红山铁矿二期溜井使用BMC300型反井钻机直接施工导井，通过对反井钻机在溜井施工中产生偏斜的原因分析与采取的纠偏措施，采用吊罐法扩刷成井，成功解决了溜井施工中通风、排水，安全隐患大、协调困难等难题；大大提高了溜井施工速度，加快了二期采矿工程的建设进度，为今后高溜井、天井等竖向工程施工提供了借鉴作用。

4 天井钻机应用发展前景

4.1 天井钻机掘进技术展望

天井钻机正朝着大、小、深、盲、斜、智能化和两级迈步式扩孔刀头的方向发展。

（1）钻井直径不断增大。国内天井钻机的量大钻井直径仅为5m，而国外已达7.1m。根据隧道通风井和竖井工程的要求，还将发展更大直径的天井钻机。

（2）钻机低矮小巧化。对于岩石不太稳固的矿山，希望钻机工作硐室矮，运输巷道断面小，以减少安全支护费用。国内外设计的低矮型天井钻机的工作高度仅为2.6～2.8m，设备运输宽度（最小）不到1m。

（3）钻井越来越深。随着采矿技术的发展，有些新出现的先进采矿方法往往要求加大中段高度，从而增加了天井的一次掘进长度。尤其是一些需要改造的老矿山，有许多更长的天井要掘进。用普通法极难掘进这么长的天井。我国天井钻机的设计钻进深度一般在150～300m，最深的也才600m。国外天井钻机的设计钻进深度最深已达1200m，今后还会突破。

（4）盲天井钻机稳定持续发展。盲天井广泛使用在地下采矿的探矿和开拓中。1967年美国Calweld公司为新墨西哥铀矿设计了世界首台盲天井钻机（VTB）。然而直到1983和1984年，成熟的盲天井钻机产品——德国Wirth公司的BHB152型和美国RobbinsRH型盲天井钻机才问世。1985年初，瑞典公司开始研制新一代盲天井钻机，印MBM型多用途钻机。这种钻机取消了传统的钻杆，采用迈步移动式，印钻机进入井内钻进．并运用了计算机控制和激光制导等先进技术。我国于20世纪90年代中期，成功研制出国内第一代盲天井钻机——ATM1200型和ATM15OO型盲天井钻机。

（5）钻进倾角越来越小。国内天井钻机的钻进角度（与水平线夹角）一般为60～90°，斜天井钻机能钻45°的斜井，而国外的天井钻机大都能钻45～90°的天井。早在20世纪70年代，澳大利亚蒙特艾萨铜矿用钻机就钻出倾角56°、深104m的天井，美国考恩昌加矿钻成倾角24°、深110m和倾角21.5°、深120m的平缓天井。芬兰公司生产的1000型钻机和日本Koken公司生产BM型钻机的钻进角度范围更大，能钻0～90°的天井。英吉利海峡两条海底之间的多条水平联络巷遭就是用芬兰的1000E型钻机钻成的。

（6）智能化钻机。1983年，瑞典Copco公司采用计算机控制的智能式R200天井钻机，在加拿大一矿山完成了一条天井钻进试验。智能化钻机能根据岩石的硬度、节理发育情况和钻进深度等因素，自动调整钻机的推力、拉力、转数、扭矩、推进速度等钻进参数，使之达到最优钻进参散匹配，得到较高的穿孔速度和钻具使用寿命。

（7）两级迈步式扩孔刀头。两级迈步式扩孔刀头是用小型钻机钻大直径天井的一个有效途径。德国Wirth公司于20世纪80年代中期，率先研制出两级迈步式扩孔刀头，分别在南非和澳大利亚矿山投入使用。用扩孔能力4000mm的HG330型天井钻机一次钻出6000mm的天井，取得较好的效果。我国20世纪90年代中期开始研制两级迈步式扩孔刀头，现已取得阶段性成果。

（8）无轨自行式天井钻机运输车。我国大、中型现代化矿山正朝着无轨化方向发展。铲运机、凿岩台车、锚杆台车、服务台车、井下运输车、抛石充填车和装药车等等均已实现无轨化。目前国内各种天井钻机基本上为轨轮式运输或靠其他辅助设备运输。因此，需要发展履带式和轮胎式天井钻机自行运输车，以适应现代化矿山的发展方向。

4.2 在大红山铁矿应用前景

即将建设的二道河工程井下两条220m长的回风井、3条回风斜井、12条溜井，部分溜井高度达到300m以上。二期、二道河溜井施工，可采用直接钻进成3m溜井，人员无需进入溜井作业，保证施工安全，提高了掘进效率，且钻井对于围岩稳定性基本无破坏，可以减少溜井的支护工程量，减少支护费用，降低成本。

随着工业的进步和技术的不断创新，大直径天井钻机的研究和发展，大直径天井钻机制造技术得到提供，设备成本有所降低，在掘进天溜井应用必将越来越广泛。国内大直径天井钻机研究和开发，其它矿山的应用和实践经验的积累，必将能使国内大直径天井钻机掘进天溜井技术得到长足的进步。因此，大直径天井钻机在大红山铁矿应用是必然的，这也是发展趋势。

[1]谢长标、汪炳昌.国外大直径天井钻机现状[J].采矿技术，2010（09）.

[2]采矿手册编委会.《采矿手册》（第二卷）[M].工业出版社出版，1990（12）.

李雪明（1972.4-），男，采矿高级工程师，研究生，主要从事矿山管理工作。

P634.3+1

A

1004-7344（2016）16-0151-02

2016-4-10

梁琨锋（1987-），男，助理工程师，本科，主要从事采矿生产技术管理工作。