反井钻井技术在黄金矿山中的应用现状及展望

周 兴，于中鹏

（1.北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013；2.天地科技建井研究院，北京 100013；3.山东黄金矿业（玲珑）有限公司，山东 烟台 265400）

金矿资源作为重要战略资源的一种，在全球经济发展中有着十分重要的作用。中国金矿资源储量丰富，已有200多年的金矿开采历史[1]。随着浅部资源的开采殆尽，黄金矿山开发已逐步进入1000m～2000m的深部开采阶段。深部开采面临高温高热，井下温度达30°以上。随着开采深度的增加，地下岩层温度大约以3℃/100m的梯度上升[2]。为解决深部开采的通风降温和高效开采，急需快速建设大量的风井和溜井等井筒。普通法凿井建设井筒，需要投入大量稳、绞车等大型设备，排出大量矸石，临时占地面大，且安全风险高。尤其是在金矿井下施工井筒时，巷道狭窄，井下空间十分逼㡱，大型设备的运输、安装等诸多困难因素，导致井筒施工工效大为降低，建设工期成倍增加。反井钻井技术是采用反井钻机钻井法施工。设备及人员全部位于上水平作业平台，不需要进入井筒，完全采用机械破岩的施工方法。该方法从根本上改善了作业条件，降低劳动强度，安全系数高。且能充分利用井下已有生产系统，施工速度快、井筒质量好、临时占地少。井筒施工完成后，能迅速恢复原有生产功能。反井钻机机械破岩掉落的岩石粒径均匀，基本控制在35mm左右，可以直接作道渣和路渣使用。

1 反井钻井技术的发展现状

国内已生产十几种型号的反井钻机，在金矿应用比较广泛的包括北京中煤矿山工程有限公司（天地科技建井研究院）研制的LM和BMC系列反井钻机、长沙矿山研究院研制的AT系列天井钻机和湖南创远高新研制的CY-R系列移动式天井钻机。目前，国内反井钻机钻井技术的发展现状主要体现以下几方面：

（1）反井钻机设备方面。其中由天地科技建井研究院研制的BMC600大直径反井钻机，采用多油缸推进、多马达推动、双导向柱、新型可拆卸钻架结构。钻孔直径5.0m，钻井深度600m，为国内目前最大的反井钻机。钻机设备性能的大大提高，不但加大了钻井直径和深度，同时加快了井筒施工速度，扩展了反井应用范围。反井钻机直接一次成井降低了二次扩挖风险。采用BMC600反井钻机施工的代表性工程有：山东招金矿业夏甸金矿井下风井，直径4.0m，井深368m；山西柴沟煤矿风井，直径Φ5.0m，井深310m；甘肃敦格铁路当金山隧道通风井，直径Φ3.0m，井深442m；贵州开阳磷矿井下风井，直径5.0m，井深156m。这些反井工程均创国内各行业的反井施工记录。

（2）反井钻机自动化方面。新型BMC600反井钻机是基于PLC的电-液自动控制系统，该系统可完成对钻机各动力部分的配电、电动机启动—停止控制、电液控制和电液比例控制以及对设备和工况参数状态的监视和保护。系统尚设有应急控制功能，在紧急状态下可实现主机、辅机和电液比例控制功能。基本达到“机械化换人，自动化减人”的安全生产水平。钻机正常运行下，每班仅需2人～3人。

（3）反井钻机的快速移动。传统反井钻机井下运输、转场、组装占用时间长，影响综合作业效率。湖南创远高新研制的CY-R系列移动式反井钻机搭载RCS2.0程控操作系统。柴油机驱动履带行走，电动机进行掘进作业，不需要拆解，转场运输方便快捷。该系列钻机适用于有斜坡道的地下矿山。

（4）反井钻井工艺方面。包括先导孔定向钻工艺、地表土层处理工艺、不稳定地层改性加固工艺等。这些工艺的开发，大大扩展了反井钻井技术的适用性。尤其是在长距离，大倾角的深斜井施工，开发了先导孔定定向钻+反井钻的工艺，解决了导井偏斜的问题。例如：在浙江长龙山抽水蓄能电站，采用“定向钻（先导孔）+反井钻”的工艺，成功钻凿目前国内最大的斜井。该斜井深415m，倾角58°，钻孔直径2.0m。

（5）扩孔钻头新型结构的研制。根据大直径反井需要，为方便钻头井下运输及安装，研制出阶梯式分体组装钻头，能够快速拼装成直径2.0m～5.0m的系列大直径扩孔钻头。这些分体式钻头质量可靠，结构稳定，可快速拆装，运输方便。大大增加了反井钻机在井下狭小空间内施工大直径井筒的适用性。

（6）滚刀破岩效率方面。为提高滚刀高效破岩的使用寿命，研制出人造金刚石涂层碳化钨硬质合金钻齿、双金属复合离心铸造的滚刀刀壳、矿用深井破岩滚刀恒压复合密封结构等。这些技术的应用解决了滚刀钻齿耐磨性、刀壳耐磨性和密封性。提高了滚刀的使用寿命，使滚刀的使用寿命超过1500m，充分保证滚刀满足深反井施工要求。

2 应用实例

近年来，随着反井钻井技术的发展，金矿大直径、深立井施工应用反井钻机一次钻凿成井的技术得到推广应用（典型工程见表1），从根本上解决了竖井施工的本质安全性问题。

表1 金矿采用反井钻机施工竖井典型工程统计（直径Φ2.0m以上）

2.1 夏甸金矿535线回风井工程

招金矿业股份有限公司夏甸金矿位于山东省招远市西芝下村。该矿为国内十大金矿之一。为解决深部开采通风问题，设计一条专用回风井，井深366m，钻孔直径3.5m。工程地质复杂，含表土及风化层，基岩段岩石坚硬（f＞12）。井筒位于矿区7#井工业广场内，紧邻水库、空压机房和民房，施工场地狭小。该工程采用BMC600反井钻机施工、地表土层处理工艺、分体组装扩孔钻头结构、新型硬岩滚刀等。由于风井表土风化层较厚，深度达9m，采用反井钻井法施工需要先进行预处理。人工开挖至基岩段，然后绑扎钢筋，浇筑混凝土，形成钢筋混凝土井壁。开挖荒井直径为4.6m，壁厚500mm，开挖后回填素混凝土C10。表土层处理完成后，在上面安装反井钻机。工程自反井钻机导孔至扩孔结束，工期仅花4个月。扩孔(Φ3.5m)完成后，井筒井壁光滑，井帮稳定，无超欠挖，无需再爆破刷大，直接作为回风井使用。

2.2 三山岛金矿-960溜井工程

三山岛金矿是山东黄金集团重要的产金矿区，是国内机械化程度最高的地下开采金矿。其西山矿区开采深度已达-1140m，为解决深部高效开采，在-960至-1140中段，设计三条矿石溜井。工程采用AT-3500反井钻机施工，井深180m，一次扩孔直径3.0m。该工程属于井下深部反井施工的典型工程。井下施工与地面施工相比，施工质量和安全要求更高。针对井下大直径反井施工，采用钻机模块化拆装、井下平板大吨位无轨运输、硐室开挖及天锚吊装技术、分体组装式扩孔钻头结构等。这些措施保证了井下反井施工的高效完成，对井下深部井筒机械化施工具有重要参考意义。

3 反井钻井技术存在的问题及展望

3.1 偏斜控制问题

反井钻井施工的技术关键是导孔偏斜精度的控制，钻孔精度直接影响工程质量和成败。反井钻机作为连续钻进的机械设备，它本身的缺点是不能自动纠偏，尤其是在深竖井钻进中，导孔的偏斜率决定了整个深反井施工的偏斜率。在施工时，虽然可以通过提高开工精度，优化稳定钻杆布置，合理控制钻进参数等措施提高导孔钻进的偏斜率，但还是达不到完全有效的精度控制。尤其是在斜井、深井、大倾角岩层等条件下施工，导孔偏斜控制要求更高也更为复杂。目前采取比较多的方法是定向钻机先导孔，再反井钻机刷大相结合的工艺实现导孔偏斜的控制。

3.2 井帮稳定性问题

随着反井钻井直径的增大和钻井深度的增加，扩孔后形成的井帮长时间的裸露，而不能及时支护。尤其是在岩石复杂的地质条件下，对于井帮稳定性非常不利。尤其是最下部的井帮，在整个扩孔钻进时，暴露的时间最长。具有井帮围岩坍塌、被破坏的风险，从而造成井筒堵塞或埋钻头的事故，致使扩孔钻进无法进行，最终钻头钻具损坏或工程报废的风险。为使反井钻井技术满足大直径、深井的施工需要，扩孔完成后，做好工序间的快速转换，进行井帮支护，不让井帮长时间裸露；或者进一步研究反井钻井随钻支护技术，扩孔和支护交替作业，达到控制井帮稳定。解决了井帮稳定性，将更好的拓展反井钻井技术的应用范围。

3.3 钻杆无损检测技术。

在反井钻机施工过程中，由于失效钻杆的使用导致钻杆断裂掉落井下的严重事故偶有发生，但因反井钻杆制造成本较高，钻具部分占整个设备成本的比值较大，一旦出现钻杆断裂事故将给反井正常生产和施工带来巨大的经济损失。因此在钻杆使用前，有必要做钻杆无损检测，发现失效钻杆并淘汰，尽最大概率降低钻杆断裂风险。通常我们采用超声波检测、液体渗透法检测、磁粉法检测、交流电磁场检测等技术。但目前这些技术在现场并未有达到成熟应用。因此，进一步加强无损检测技术在反井钻杆的应用研究，有效预防钻杆断裂事故，避免经济损失及危险情况发生。

4 结语

反井钻机大直径、深立井成套钻井技术的发展应用，对矿山井筒施工带来良好的经济效益和社会效益。少人化或无人化是反井钻井技术发展的方向。随着矿山深部开采井筒施工日益增长的需要，反井钻井技术将更好的应用于黄金矿山，也必将为我国绿色矿山、智能矿山建设起到重要的推动作用。