反井钻施工技术在高应力不良岩层溜井中的应用

李建东，程国龙，汪小平，夏胜衍

(金川集团股份有限公司，甘肃 金昌 737100)

金川公司二矿区是金川公司的主力矿山，开拓系统采用竖井、斜井、斜坡道联合开拓法，先后经历一期工程、二期工程、金川矿山改扩建工程、850 m工程，目前年生产能力为420万t。二矿区深部开采工程(700 m 中段及以下)是集团公司“十三五”重点项目，建成后将接替1 000 m 中段。深部开采工程有多条溜井有待施工，现有溜井施工工艺费时费力，对工程进度按期完成存在一定的影响，须采用其他溜井施工工艺以缩短施工工期，为二矿区深部投产打好基础。

1 工程简介

废石溜井上井口位于814 m水平，下井口位于已完成施工的700 m水平运输道侧方，见图1，溜井设计深度为115.314 m。井筒正常段荒径Φ4.0 m，单层喷锚网+单层钢筋混凝土+钢衬板支护[1]，净直径Φ3.0 m，井筒贮矿段荒径4.5 m，支护形式与正常段相同，净直径Φ3.5 m。

图1 废石溜井位置图(700 m平面)Fig.1 Location of waste rock chute(700 m plane)

2 反井钻机法施工方案

反井钻机法施工[2]溜井顺序：井筒中心导孔(Φ246 mm)至700 m水平→更换为滚刀钻头自下而上扩刷(直径1.2 m)→安装提绞设备，自上而下将井筒掘至设计断面并进行一次支护→自下而上进行钢筋砼+钢衬板永久支护。

2.1 反井钻施工工艺

1)设备选型

设计选用一台ZFY1.2/30/150(AT1200)型反井钻机施工，基本参数：导孔直径246 mm，扩孔直径1.2 m，钻孔深度114 m，出轴转速5～33 r/min，导孔额定扭矩15 kN·m，扩孔最大扭矩30 kN·m，钻头许用最大推力350 kN，扩孔最大拉力850 kN；钻孔倾角60°～90°，主机质量6 t，主机运输尺寸2 290 mm×1 110 mm×1 430 mm，主机工作尺寸2 977 mm×1 422 mm×3 977 mm，钻杆有效长度1 000 mm，电机功率90 kW。

2)钻进工艺流程

该钻孔在施工过程中需要严格控制钻孔偏斜率。为保证施工顺利进行及钻孔垂直度，该孔钻进工艺分为5个步骤，具体施工方案如下：

(1)700 m水平钻孔联络道施工

因钻孔导孔位于700 m水平单轨运输巷道左帮内，故需以钻孔坐标为中心垂直运输巷道左帮施工钻孔联络道。施工钻孔联络道时应采用U36钢拱架+双层喷锚网+注浆加强支护，确保导孔钻进施工安全。

(2)定向孔钻进

根据岩石条件、钻具级配(钻铤及钻杆直径)，选用Φ216 mm牙轮钻头配Φ220 mm×1 m扶正器钻进20 m，起到开孔导正作用。

(3)导孔钻进

期间每钻进20 m测一次钻孔偏斜，以便及时纠偏。为保障后期井筒扩刷，导孔钻进偏斜应控制在500 mm范围内，打通至底部硐室。

(4)反向扩孔

使用Φ246 mm牙轮钻头打通底部水平后，在孔底更换Φ1 200 m滚刀钻头。扩孔开始施工时一般围岩破坏较为严重，钻头周圈难以均匀受力。等钻头全部均匀接触岩石，才能正常扩孔钻进。

(5)钻进风险预防及管控

①导孔施工前，底部硐室要提前做好加固措施，防止导孔钻通及反向扩孔过程中底部垮塌。

②导孔钻进过程中，要做好水文观测，根据钻进情况总结地层变化概况并做好记录，为反向扩孔施工时钻进参数的选择提供依据。

③反向扩孔时，发现钻头晃动大、压力不稳、扩孔困难时，可能是大块岩石落在刀具上磨挤刀具所致，此时应将刀具下放一定距离，试着将大块甩掉，若无效果时，把钻头下放到底进行处理。

④正常扩孔时，每钻进15 m，必须及时将岩屑清除运走，防止下孔口堵塞，底部清理岩屑与上部扩孔不能同时施工。

2.2 井筒施工

井筒施工按照掘砌单行作业考虑，采用1 m3矸石吊桶提升，双层吊盘双绳悬吊，吊盘既是掘进的保护盘，又是永久支护的工作盘。吊桶布置在井筒中心位置，吊盘绳兼做稳绳使用[3]。

1)施工顺序

井筒掘进时，若围岩较稳定，采用掘进和单层喷锚网支护一次到底，然后由下至上利用吊盘作为工作台连续进行单筋砼+钢衬板永久支护。若井筒围岩破碎不稳定，则采用分段掘进并及时进行二次永久支护，分段高度根据实际情况20～40 m为宜，即掘进和一次喷锚网支护施工达到分段高度后，再由下而上利用吊盘作为工作台对此段进行单筋砼+钢衬板永久支护。在分段混凝土浇筑时，在每分段最下层第一模井帮位置上下布置两层Φ22 mm×1.5 m的螺纹钢锚杆，锚杆间排距均为800 mm，外露300 mm，与绑扎的钢筋进行焊接，确保在该分段内井筒的混凝土浇筑安全。

2)凿岩爆破

凿岩采用手持式YT-28凿岩机，采用两台凿岩机同时作业。掏槽方式为直线型掏槽，也可以根据岩石裂隙情况进行调整。平巷掏槽眼深2.4 m，辅助眼和周边眼深2.2 m，有效循环进尺2 m；辅助眼和周边眼深1.3 m，有效循环进尺1.2 m。井筒内布置炮孔时，缩小炮孔之间的间距，避免井筒爆破过程中产生大块，堵塞钻孔，炮孔布置见图2，爆破参数见表1。

图2 溜井炮孔布置图(单位：mm)Fig.2 Layout of borehole(Unit:mm)

表1 溜井爆破参数

2.3 井筒支护

井筒设计支护形式：单层喷锚网+单筋混凝土+钢衬板支护，施工时分两次进行支护。

自上而下掘砌时，爆破出毛作业完成后，井筒立即进行单层喷锚网支护。二次支护为单筋混凝土+钢衬板支护，施工人员利用吊盘作为工作平台，由下而上施工。先按照设计绑扎好钢筋，然后以井筒中心线为准支钢衬板，焊接后将钢衬板用木撑子固定牢固，确认无误后即可进行砼浇筑作业[4]。

2.4 通风

井筒和卷扬硐室等措施工程施工采用压入式通风，选用22 kW风机，风筒选用Φ400 mm的阻燃风筒，风机设在矿石溜井联络道岔口，风筒距掘进作业面距离不应超过15 m，并随掘砌长度的增加及时接长风筒。施工放炮后通风排烟时间不得少于30 min，人员携带气体检测仪及呼吸自救器进入作业面进行安全确认。

2.5 材料及毛石运输

该工程施工期间施工材料为无轨运输，毛石拉运采用有轨运输方式。施工材料由地表经主斜坡道及分斜坡道运输至814分段废石井，材料按定置管理办法存放，施工时随用随取。该工程出毛通过施工的钻孔排至700 m水平，耙装机装入矿车后，蓄电池式电机车运输至18行副井700 m水平井口，经18行副井提升至地表进行翻卸。

3 钻孔堵塞、垮帮处理技术研究

二矿区深部岩石条件破碎，钻机施工易发生堵孔事故[5]，为防止钻孔发生堵塞，井筒在爆破时缩小爆破孔间排距，孔间排距不得超过500 mm，防止出现大块。若爆破后仍有大块产生，则必须进行二次爆破，将大块破碎降至块度500 mm以下时，再进行出毛。井筒出毛时，在钻孔孔口设置格筛，格筛孔大小为500 mm×500 mm，防止大块毛石掉入钻孔内。

钻孔出现堵塞时，为便于处理，在钻孔内下放2根Φ21.5 mm的钢丝绳，钢丝绳每间隔5 m加装一个相应的绳卡。在无异常时，钢丝绳可悬挂在吊盘上，下部必须伸出下井口20 m并盘挂在下部巷道壁上。若钻孔一旦出现堵塞，将钢丝绳通过绳扣与主提升钩头连接，上提钢丝绳松动堵塞的毛石，达到疏通的目的。

在井筒扩刷过程中出现钻孔垮帮时，则考虑在分斜坡道790 m联络道内施工措施联络道，将废石井与790 m中段进行贯通，后在该位置安装翻矸平台，溜井掘进产生的毛石由790 m中段进行翻卸。

4 结论

1)本文综合考虑了废石溜井岩石条件状况，制定了溜井施工采用单层喷锚网+单筋混凝土+钢衬板支护方式。

2)提出采用反井钻施工废石溜井，极大地提高了施工效率，及时改善了700 m平面的通风效果，一定程度上解决了高应力不良岩层条件下井筒掘进难题，为类似工程项目竖井施工提供了经验。

3)针对施工过程中可能出现的钻孔垮帮问题，创造性地提出在分斜坡道790 m联络道内施工措施联络道，将废石井与790 m中段进行贯通，继续完成溜井掘进工作的措施。