金矿通风井反井施工技术研究及应用

程守业，马奕博，于见水

(1.煤炭科学研究总院建井研究分院，北京 100013； 2.北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013； 3.煤矿深井建设技术国家工程实验室，北京 100013)

在矿山、水电、交通、市政等领域进行立井的建设常采用反向凿井法，反向凿井法的发展依次有人工蹬渣法、木垛法、吊罐法、爬罐法、深孔爆破法和反井钻机钻井法[1]。随着反井钻机、反井钻井工艺、新材料以及地层处理工艺的出现，反井钻机钻井法施工效率高，可节省50%左右的工期和40%左右的综合延米单价，成井质量好，作业过程安全。反井钻机钻井法逐渐取代了其他反井施工方法，成为地下工程建设领域重要的工艺技术[2]。反井钻机钻井法能够实现正向导孔、反向扩孔，具有机械破岩、安全环保、精准高效等特点。

国内外采用反井钻机钻井法在金矿井下施工立井已有近50年的历史，国内反井钻机钻井法在金矿的应用多以深120 m、直径1.4 m左右的浅立井为主[3-5]。目前，反井钻机钻井法开始在大型金矿立井建设工程中普及，井下立井设计深度和直径不断变大，施工环境及条件趋向复杂，施工单位面临着质量控制以及安全保障等方面更高的要求，随着反井钻机的研发和工艺技术的新方法，国内金矿大直径反井工程已具备实现的基础。

滩涧山金矿为矿山建设期和运营期加强通风，采用国内煤炭科学研究总院建井分院自主研发生产的BMC400型反井钻机施工两条共300 m通风立井，海拔高达3 726 m，最深井达到160 m，最大直径达3 m，岩层互层现象明显，岩体呈块状镶嵌结构，对反井施工技术要求高，为目前国内金矿首次采用反井钻机钻井法完成的深井160 m、大直径3 m一次成井通风井。使用SPS600地质钻机钻凿先导孔丰富了反井钻机钻井法的内涵，立井施工安全环保、精准高效，偏斜率及钻进精度控制良好，对反井钻井法在金矿领域中的推广应用具有突破性、指导性的意义，为金矿深立井、大直径进一步发展积累了宝贵的经验。

1 工程概况

滩涧山金矿位于柴达木盆地北缘赛什腾山系南东段，海拔高3 200～3 800 m，工程地质条件复杂，施工安全问题突出，地质条件较复杂，岩层互层现象明显，岩体呈块状镶嵌结构。区内矿体赋存情况：M1矿体赋存在3 450～3 630 m；M2矿体赋存在3 510 m以下，该标高以上已经露天开采，目前工程控制M2矿体最低标高3 422 m；M3矿体赋存标高3 450～3 745 m。矿井设计施工立井2条，井筒具体规格见表1。

2 反井钻机参数计算与选型

风井区域位于西北干旱地区，裂隙发育，用水缺乏，难以使用反井钻机施工导向孔，采用地质钻机进行压风正循环施工导向孔。扩孔阶段时钻杆主要受到拉力、扭矩、自重的作用，钻杆所受拉力、扭矩过大会造成钻具长期处于过载而造成钻具的损伤及破坏，过小又会造成破岩压力不够、施工进度缓慢。

表1 通风井规格Table 1 Specification of ventilation shaft

通过分析岩石柱状图获取岩石抗压强度、松散系数并计算反井钻机扩孔阶段的钻压、扭矩主要控制参数，由于两条通风井除井深规模不一致外，其他条件一致，以反井钻机钻进参数更大的160 m北通风井进行计算选型。计算选型过程中结合北京中煤矿山工程有限公司在反井钻机的科研和施工中的大量数据经验并考虑钻具与地层间的复杂受力。

2.1 工程地质岩石情况分析

根据矿区地层岩性特征，依照岩组强度、岩体结构、岩体性质的不同将区内岩体工程地质类型划分如下所述。①第四系松散软弱岩类工程地质岩组：分布于山体缓坡及沟谷两侧，岩性为冲洪积物﹑坡残积物及人工堆积的块石、碎石及少量亚黏土，堆积物分选性及磨圆度均较差，其坡度与自然休止角一致，部分坡积物已弱固结，斜坡较为稳定。②较软岩类工程地质岩组：在矿区中分布最广，出露面积约为1.3 km2。主要岩性为斑点状碳质绢云千枚岩，碳质绢云千枚岩及白云母钙质片岩。该类岩石受构造挤压作用明显，节理裂隙较为发育，局部片理发育，岩层破碎，力学强度低。该岩组的岩石质量指标(RQD)为14.97%～79.93%，岩石质量等级为Ⅲ～Ⅴ级，岩石质量中等，岩体中等完整。③较硬岩类工程地质岩组：岩性主要为厚层状白云石大理岩(SDB)和条带状白云石大理岩，硅化大理岩。该岩组新鲜岩层呈层状构造，地层连续性较好。一般常见2～3组节理。据矿区普查工程编录资料，该岩组的岩石质量指标(RQD)为74.29%～93.91%，岩石质量等级为Ⅱ～Ⅲ级，岩石质量中等，岩体中等完整。④坚硬块状岩类工程地质岩组：主要为区内侵入岩岩组，岩性主要为辉长岩、闪长岩和石英斑岩。这类岩石大部分岩石坚硬、完整，裂隙不发育。该岩组的岩石质量指标(RQD)为89.76%～91.16%，岩石质量等级为Ⅰ～Ⅱ级，岩石质量极好，岩体较完整，力学强度高。

岩石抗压强度：岩石抗压强度约120 MPa。总体来讲工程地质条件较复杂，岩层互层现象明显，岩体呈块状镶嵌结构，对钻具整体稳定性要求高。

2.2 钻进参数计算

分析滩涧山金矿设计施工通风井工程条件以及地质条件，根据施工要求及岩石条件选取扩孔刀盘类型以及破岩滚刀类别，本工程选取3 m直径分体式锥形扩孔钻头，16把5排齿配对6排齿镶齿滚刀，254 mm钻杆以及270 mm三合金翅稳定钻杆等。结合北京中煤矿山工程有限公司在反井钻机的科研和施工中的大量数据及经验，确定涉及计算推拉力及扭矩的多个参数值，包括扩孔刀盘直径Dr、井深H、扩孔钻进速度v、岩石强度R、扩孔钻进从岩石上破碎单位体积岩石所消耗的能量K等参数值[1]。

2.2.1 扩孔扭矩

扩孔钻头在一定钻压、一定岩石条件下破碎岩石所需要的扭矩即为扩孔扭矩，扩孔扭矩根据不同的岩石条件以及钻压是变量，为简化对单个的扩孔钻进过程研究，认为钻进过程中是一致的钻压和岩石条件，但即使在同样的钻压和岩石条件下，由于滚刀破碎岩石的过程是个非线性的变化，扭矩会出现波动变化，只能以稳定的平均值来估算钻进过程中的扭矩大小。

扩孔钻头破碎岩石的能量来自于驱动扩孔钻头旋转的扭矩所做的功，在不考虑额外损耗的前提下，两者数值相等，计算公式见式(1)和式(2)。

E1=E2

(1)

E1=2 000πM

(2)

式中：E1为扩孔钻头破岩时扭矩每转所做功，J；E2为扩孔钻头破碎岩石时每转所需要的能量，J；M为扩孔扭矩，N·m。

镶齿滚刀破碎单位体积岩石所需能量与计算扩孔钻头每转破碎岩石的体积乘积即为扩孔钻头破碎岩石时每转所需要的能量。扩孔钻头每转破岩体积见式(3)。

(3)

式中：Dr为扩孔刀盘直径，m；Dp为导孔钻进直径，m；h为扩孔钻头每转一圈的进尺量，m。h的计算公式见式(4)。

(4)

式中：v为扩孔钻头的钻速值，m/h；n为扩孔钻头的转速，r/min。

每转岩石破碎需要的能量见式(5)。

E2=KV

(5)

式中，K为镶齿滚刀破碎单位体积岩石所消耗的能量，J/m3。

考虑到反井钻机钻杆及扩孔钻头在运行过程中需要克服钻具与岩层间的摩擦力以及在运行期间最大输出扭矩应该满足钻杆拆卸和处理偶然塌孔等事故的能力，扭矩需要乘以扭矩能力系数a才是最终的计算结果。

将式(1)～(4)及系数a代入式(5)，得到扩孔扭矩M计算公式，见式(6)。

(6)

根据相关学者统计的镶齿滚刀在花岗岩全尺寸试验中所得到的能耗数值在75～100 MJ/m3之间，由于本工程地质条件较复杂，岩层互层现象明显，岩体呈块状镶嵌结构，岩石较为坚硬，取镶齿滚刀破碎单位体积岩石所消耗的能量K为50 MJ/m3。结合北京中煤矿山工程有限公司在反井钻机的科研和施工中的大量数据及经验，取扩孔钻头钻进速度为0.4 m/h；钻机转速取5 r/min；扩孔刀盘直径Dr取3 m；导孔钻进直径Dp取0.27 m。扭矩能力系数a一般取1.2～1.5，根据此处工程地质取1.25，M=93 kN·m。

2.2.2 扩孔拉力

反井钻机扩孔拉力F是指沿钻具轴向向上的提升力，拉力的作用包括扩孔钻头破岩钻压、钻具与岩石间的摩擦阻力、钻具重力等，计算公式见式(7)～(9)。

F=b(Fc+Wb+Wp)

(7)

Wp=qH

(8)

(9)

式中：F为扩孔拉力，N；Fc为扩孔钻头总钻压，N；Fci为每把滚刀所需钻压，共16把，N；Wb为扩孔钻头质量，kN；Wp为钻杆质量，kN；q为钻杆线质量密度，kN；H为井深，m；b为考虑到在扩孔阶段运行时，钻具与岩层间的摩擦力和处理意见情况的额外能力的放大系数，一般为1.3～1.5，此处根据工程地质情况判断b取1.4。

本工程采用3 m直径扩孔钻头，钻头自重108 kN；采用254 mm普通钻杆以及270 mm稳定钻杆，钻杆线质量密度q为2.74 kN/m；H取160 m。扩孔钻头在破岩过程中，每把滚刀上的钻压基本一致，则有Fc=16Fc1,本工程岩石抗压强度约120 MPa，Fc1取60 kN，利用式(7)～(9)可得F=2 109 kN。

2.3 反井钻机选型

结合在反井钻机的科研和施工中的大量数据及经验，通过各类型反井钻机参数的对比，本次工程采用BMC400型反井钻机进行施工，额定拉力为2 450 kN和额定扭矩为100 kN·m，均满足该通风井施工的拉力及扭矩要求，并存有一定量富余以应对突发事故。BMC400型反井钻机技术参数见表2。

表2 BMC400型反井钻机技术参数Table 2 Technical parameters of BMC400 raise boring machine

3 反井法施工

3.1 施工准备

北风井上部有7～10 m厚矿渣堆积，施工第一道工序进行上部表土处理，铲除渣石土层并夯实，对场地进行平整、硬化，布置排水系统及出渣道路，施工在稳定的基岩上的反井钻机基础。

对钻杆及滚刀做优化修改，为保障导孔顺利钻进，对稳定钻杆翼板进行了补焊，设计了与导孔井壁之间的接触面积更加均匀的螺旋形稳定钻杆，减小导孔偏斜量。岩渣在翼板间的行走轨迹可随钻进工况的不同而实时改变，实现了岩渣行走轨迹的自适应优化，可有效降低抱钻事故发生的风险。由于滚刀受力不均而对钻杆造成额外弯矩，使用全站仪，对扩孔钻头上滚刀位置进行调整以减小钻杆的额外弯矩[6]。

由于风井区域位于西北用水缺乏，现场水车供水，用水箱储存。施工场地需要配备柴油发电机自发电，钻机电压380 V，总功率500 kW，保证满足反井钻机及SPS600地质钻机等设备用电负荷。

3.2 导孔及偏斜控制

风井区域位于西北干旱地区，裂隙发育，用水缺乏，难以使用反井钻机施工导向孔，SPS600地质钻机采用压风正循环气动潜孔锤技术施工导向孔，导向孔直径216 mm，包括主机、钻塔、排渣系统、偏斜控制系统等。

1) 钻塔安装：钻机安装使用铅垂线进行找平周正，同时使用钻塔旁3～5 m处的两个不同方向的铅垂线进行观察校核，垂直误差控制在2 cm以内，确定孔位坐标后在能够满足地质钻机的反井钻机基础上安装钻机。

2) 开孔控制：把好开孔关，防止钻机摆动、控制好开孔角度，防止开孔偏斜，这是防止孔斜的第一步和关键；开孔5.0 m后，提出钻杆，用倒垂法定出孔底中心，然后调整钻机位置，并检查钻塔天轮、提引器主动钻杆及钻孔中心在一条铅垂线上。

3) 钻进参数及钻具布置：根据钻头直径、钻头上硬质合金柱直径、潜孔锤冲击频率及返渣颗粒直径，钻具转速控制在35 r/min；为保证垂直度，钻压控制在15 kN。为了保证排渣顺畅及孔底清洁，施工中保持风量为30 m3/min。钻具连接依次为冲击器、扶正器、钻铤、扶正器、钻铤、扶正器钻杆、钻杆、主动钻杆等。

4) 钻进技术控制：根据钻进速度及返渣颗粒大小及时调整转速，合理选择钻进技术参数，保持均匀加压，以保证钻柱的稳定性。每当钻进完一个钻杆单根，上提钻具0.3～0.5 m进行吹风，保持孔底清洁、防止孔斜，待孔口不返岩屑时，再加风吹杆。钻进遇到强风化层、松散堆积层和破碎带时，降低钻压，放慢钻速，确保钻孔垂直度。发现钻杆抖动厉害或周期性滞转现象，可能遇到破碎带、较大裂隙或孔内有坍塌掉块等情况，立即提动钻具，上下反复串动，强行吹风冲击，减小钻压，解决问题，防止孔斜、钻杆折断等事故。

5) 偏斜率测量：导孔施工时反井钻机钻井法成功的关键，要求偏斜率必须控制在1%以内，使用测斜仪随钻测量，使用前修正仪器测量读数，仪器下孔前应先准备好悬吊工具，使仪器的轴心线与钻孔轴心线一致；根据现场实际施工情况，每隔10 m设立一个测点，将测斜仪下放到预定测点，使测斜仪保持稳定，测量此点的偏斜度，经过多点测量得到钻孔轨迹，如发现偏斜率超出要求范围则需立即调整钻进参数进行调斜。

3.3 扫孔

通风井的导孔阶段施工采用的SPS600地质钻机钻凿的216 mm直径的导向孔，而BMC400反井钻机配套普通钻杆直径254 mm，稳定钻杆直径270 mm，成型的导向孔和反井钻机钻杆直径不匹配，需要用反井钻机将先导孔扫孔为295 mm。

在反井钻机安装完成后，对钻机进行超平找正，保证开孔垂直度，然后进行二次浇注混凝土，待混凝土达到强度开始进行开孔作业，采用低钻压、低扭矩稳步钻进，防止钻孔出现偏斜。扫孔推力随岩性及钻进深度的变化而调整，在有先导孔的情况下，扫孔偏斜易于控制，但仍应采用低于最佳钻进速度的钻压进行施工，转速基本控制在10～15 r/min。合理选择稳定钻杆的数量与布置方式，减小与岩层间的摩擦力，将多个稳定钻杆连在一起，形成一段刚性的钻具组保证钻进垂直度，还要考虑全部钻具的重力分配，在第1根、第2根、第3根、第8根、第35根和第75根的位置上布置稳定钻杆。

扫孔完成后经过测量，2条井筒的偏斜率均控制在1%以内，偏斜率见表3。

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

3.4 扩孔及完工

扫孔钻进完成后，通过辅助对讲机上下配合接上扩孔钻头在隧道横通道安装3 m扩孔钻头。安装完成后微速向上移动扩孔钻头，直至轻微接触岩石，然后用5 r/min的转速旋转，并缓缓加大马达的驱动力、避免滚刀在缓慢加速的过程中遭受过大的冲击而破坏，等钻头全部均匀接触岩石，才能按照所计算出的以93 kN·m扭矩以及2 209 kN拉力为平均值的参数扩孔钻进，使钻进参数间相互平衡，实现了高效破岩，减小了憋钻情况的产生概率，保证了钻机和滚刀的使用寿命。扩孔钻进时要及时清理扩孔破碎下来的岩屑，防止下口被堵塞。当扩孔钻头运行至距基础3 m时，为防止地面震动出现意外情况，仔细观察地面情况，缓缓降低拉力并慢速钻进，直至钻头露出地面，完成后续设备拆卸工作[7]。

4 结 语

青海滩涧山金矿通风井使用BMC400型反井钻机，采用先进的一次成井施工技术并对钻具进行优化修改，达到安全环保、精准高效、偏斜小、成井质量优等要求，立井工程综合成井速度达到150 m/月，井筒偏斜率均控制在0.2%以内，工程取得圆满成功，为国内金矿首次采用反井钻机钻井法完成的深井160 m、大直径3 m一次成井通风井。施工中采用SPS600地质钻机钻凿先导孔，丰富了反井钻机钻井法的内涵。

使用SPS600地质钻机钻凿先导孔配合BMC400型反井钻机一次成井的效率优于传统反井法，对反井钻井法在金矿领域中的推广应用具有突破性、指导性的意义。实践表明。在金矿深立井、大直径通风立井采用反井施工技术的成功经验值得推广和借鉴。