国产天井钻机在赞比亚谦比希铜矿的应用研究*

国产天井钻机在赞比亚谦比希铜矿的应用研究*

天井钻机在天井施工中不仅安全高效而且作业环境好，因此在井下各类天井施工中的应用越来越普遍。详细介绍了国产天井钻机AT2000在赞比亚谦比希铜矿主西矿体的应用，分析了天井钻机在实际施工中的关键技术，并根据实际现场应用提出了相应的建议，为今后进一步提高天井钻机的安全性和工作效率起到了一定的指导作用。

天井施工；天井钻机；谦比希铜矿

当前谦比希铜矿正在生产的矿体有主、西矿体，两个矿体均采用竖井、斜坡道联合开拓。主矿体采用崩落法、嗣后充填法和上向水平分层法多种采矿方法开采，西矿体采用上向水平分层法开采。由于两个矿体走向较长，均为2 km左右，同时根据无轨设备的合理运距要求，将出矿溜井距离控制在120～150 m，因此生产溜井数目较多，运用传统钻爆法施工溜井不仅安全性低，而且施工周期长，严重制约矿山生产能力的提高。另外，根据当地法律法规，当天井高度超过30 m时，不得使用手抱钻施工。AT2000天井钻机的投入使用，提高了天井施工的安全性和工作效率，为生产任务的顺利完成提供了可靠保障。

1 天井施工方法比较

天井施工方法有普通法、吊罐法、深孔爆破法和天井钻机钻进法[1]。

其中普通法在国内使用最多，普通法自下而上掘进天井，此法不受岩石条件和天井倾角的限制，但作业环境较差，安全风险高，每个循环都需要架设一次工作平台，当天井高度较大时不适合采用普通法。普通法的月进尺只有20～30 m[2]。

吊罐法使用吊罐代替普通法中的工作平台，工作平台在爆破前下放避炮，作业时提升到工作面。与普通法相比，吊罐法机械化程度高，工序相对简单，可大大缩短循环时间而且成本也降低很多。但是吊罐法只适用于中等硬度以上岩石，吊罐升降如协调不好，易发生安全事故。采用吊罐法掘进天井的高度，一般以30～60 m为宜[3￣4]。

吊罐法和普通法都需上升到井筒工作面作业，因此无法避免粉尘、有毒有害气体和浮石等危险因素。

深孔爆破和天井钻机钻进法不需要进入工作面，安全性大大提高。深孔爆破法按照天井断面尺寸沿天井全高钻凿一组平行深孔通过分段爆破形成天井。这种方法具有安全性高、作业条件好、劳动强度低等优点，但是这种方法施工作业标准要求高，在高天井作业时，钻进速度慢，孔的偏斜大[5]。

钻进法掘进天井时先从上向下钻凿导向孔，然后从下向上扩孔，施工机械化程度高，掘进速度快，功效高。通过机械钻进，井壁规整，成井质量高。因此，钻进法是天井施工发展方向之一[6￣9]。

2 国产AT2000天井钻机用途及特点

AT2000主要用于地下矿山的溜井、风井、管道井的掘进。施工深度可达120 m，井筒倾角60°～90°。该天井钻机具有结构紧凑、安装方便、钻进平稳的特点，采用AT2000施工天井可大大改善作业环境，减轻劳动强度，缩短成井时间[10]。其主要技术性能参数见表1。

3 AT2000天井钻机的现场应用

3.1 施工设计

以主矿体633 mL～700 mL的56#溜井为例，施工设计图如图1所示。

表1 AT2000型天井钻机基本性能参数

图1 主矿体633 mL～700 mL 56#溜井设计

3.2 钻机硐室准备与设备安装

首先根据无轨设备施工参数和AT2000型天井钻机的外形尺寸要求，按照施工设计图完成钻机硐室的施工。钻机硐室尺寸要求：高4～4.5 m、宽5 m、长4.8 m。钻机硐室刷扩过高不利于支撑杆稳定地支撑到硐室顶板，施工中容易产生偏斜。在测量人员放好开口点坐标后，浇筑钻机混凝土基础，强度要求不低于C25。

待钻机平台混凝土强度达到要求后，转运天井钻机主机及相关备件，并且按先后顺序完成天井钻机的安装。同时测量人员按照设计方位和倾角对钻机进行校核。安装完成后如图2所示。

3.3 导孔的施工

导孔直径为260 mm，从上往下施工，在导孔施工中产生的废渣通过高压水排出，要及时清理孔周围堆积的废渣。导孔施工平均钻进速度为0.667 m/h，台班效率为8.0 m/台班。

3.4 扩孔的钻进

导孔钻透下部中段后，根据透孔位置确定是否达到扩孔刀盘的安装要求。刀盘安装后，因滚刀未全部紧贴岩面，因此开始扩孔要保持较慢速度并控制好推进压力，在刀盘完全进入天井后以正常速度扩孔。正常扩孔状态的推进压力为8～10 MPa，回转压力为12～16 MPa。并需要根据实际扩孔遇到的岩石强度情况和钻孔深度对推进压力和回转压力进行适度的调整。扩孔产生的废渣直接掉落至底板，使用铲运机转运废渣。扩孔直径为2 m，平均钻进速度为0.332 m/h，台班效率为4.0 m/台班。

图2 天井钻机安装

4 AT2000天井钻机施工的关键技术

除了在施工中要关注推进压力和回转压力，还需要注意以下关键技术[11￣12]。

(1) 导孔精度控制。导孔钻进6～10 m后，须要测量人员校核导孔的方位和倾角，如果误差超过允许值，须停止导孔继续施工，通过对已完成的导孔灌注高强度的水泥浆或者重新开口来确保导孔的准确。

(2) 泥质岩施工。如岩石含有泥质岩，并且粘性较大，施工导孔时要进行连续施工。如需暂停施工须上提2根钻杆，防止导孔施工产生的废渣沉淀至孔底而堵塞钻头。

(3) 扩孔作业安全。刷扩废渣在天井井筒内的堆积高度不能超过5 m，因刷扩采用湿式作业，同时刷扩废渣较细，堆积高度过大不仅造成堵孔，给疏通工作带来极大风险，而且在铲运机清理时，堆积的废渣可能会形成泥石流，对人员和设备带来很大的安全隐患。

5 AT2000天井钻机的改良建议

为进一步提高该钻机的安全性和施工效率，通过对AT2000型天井钻机在实际施工中的观察提出以下改良建议。

(1) 天井钻机实际以铺设在混凝土基础上的钢轨作为支座，不仅要求钻机巷道长度长，而且不够稳定，若天井钻机底座预设螺栓孔，通过在混凝土中预埋地脚螺栓来固定钻机，可以确保钻机施工中更加稳固，减小偏斜率。

(2) 由于天井钻机钻杆和刀盘的自重，在施工一定角度和深度的斜天井时，所用的扭矩较大，因此作为传动机构的天井钻机，其钻杆和刀盘的丝扣若采用双螺纹较坚固，不易发生丝扣处的断裂。

(3) 现场应用中发生因钻杆损伤导致钻杆断裂事故，造成了工期的延长。因此实际施工中要对钻杆(包括稳定杆上的稳定块)进行不定期检查，如采用超声波探伤仪来检测钻杆的裂纹损伤，以降低风险，避免类似事故的发生。

6 结 论

(1) 该天井钻机成井速度快、生产效率高、安全可靠。

(2) 天井钻机施工中，注意推进压力和回转压力，并且结合岩石性质，控制刷扩废渣堆积高度，可以有效减少设备故障率，降低风险。

(3) 改善天井钻机支座结构，增加双螺纹，加强钻杆等备件的检测力度，可以提高设备施工效率，减少安全隐患的发生。

[1]李亚农.天井施工技术探析[J].建筑技术开发,2016,43(12):53￣54.

[2]刘海波,杨振增,王 磊,等.浅析普通法天井施工方法[A].鲁冀晋琼粤川辽七省金属 (冶金) 学会第十九届矿山学术交流会论文集 (采矿技术卷) [C].济南:山东冶金,2012.

[3]李五中,张 睿,周建川,等.吊罐法施工斜天井工艺[J].现代矿业,2014,30(9):206￣207.

[4]刘宽平.吊罐法掘进天井应注意的几个问题[J].黑龙江冶金,2015,35(3):58￣59.

[5]马维清,张生良.深孔分段爆破天井,溜井施工方法[J].现代矿业,2009 (12):76￣78.

[6]李胜辉,康志强,叶会师,等.反井钻机技术在司家营铁矿溜井施工中的应用[J].矿业工程,2013,11(3):31￣33.

[7]张连恒,郭建清.天井钻机在锡铁山铅锌矿的应用[J].中国矿山工程,2011,40(6):55￣57.

[8]孙书彬,汪忠波.天井钻机在夏甸金矿开拓工程中的应用[J].采矿技术,2010,10(1):54￣56.

[9]聂笃忠.深天井钻机钻进导孔的工作参数研究[J].矿业研究与开发,2010 (6):38￣41.

[10]易建新,周 立,韦世雄.AT2000 天井钻机在高温环境下的应用[J].中国矿山工程,2015,44(2):52￣55.

[11]眭文武,周 欣.天井钻机在吴庄铁矿的应用[J].矿业工程,2012,10(3):41￣43.

[12]眭文武,周 欣.天井钻机在吴庄铁矿的应用[J].矿业工程,2012,10(3):41￣43.(收稿日期：2017￣06￣27)

国家自然科学基金项目(50774011)；教育部长江学者和创新团队发展计划项目(IRT0950).

龚开福(1983-)，男，湖南宁远人，采矿工程师，硕士，主要从事采矿技术与生产管理工作，Email:184258058@qq.com。