鐵礦井下近300m深立井反井施工技術(shù)研究

程守業(yè)

(中國煤炭科工集團(tuán)建井研究院，北京 100013)

在我國，采用反井法及反井鉆機(jī)(也稱天井鉆機(jī))在鐵礦井下施工立井工程已有近40年的歷史，但多以100m以內(nèi)的淺立井為主[1-4]。近年來，隨著一些大型露天礦陸續(xù)轉(zhuǎn)入地下開采以及原有地下開采礦井逐步進(jìn)入深部開采，井下立井設(shè)計深度不斷增長，深立井施工無論在質(zhì)量控制還是安全保障方面都對業(yè)主、設(shè)計及施工單位提出了更高的要求[5]。由于具備全機(jī)械化作業(yè)、安全系數(shù)高、井壁質(zhì)量好等特點(diǎn)，使得反井法較普通人工鉆爆法等其他工藝在井下深立井施工中的優(yōu)勢比在淺井中更加明顯[6]。

遷安黑龍山鐵礦采用國內(nèi)自主研發(fā)生產(chǎn)的BMC300型反井鉆機(jī)在井下施工3條近300m深立井，其中最深井達(dá)到297m，為目前國內(nèi)鐵礦井下采用反井法完成最深立井，井筒施工安全高效，鉆進(jìn)精度控制良好，實(shí)現(xiàn)了反井法施工技術(shù)的突破，為我國今后鐵礦井下深立井反井施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

黑龍山鐵礦地處河北省遷安市蔡園鎮(zhèn)，位于華北地臺北緣燕山沉降帶中段，馬蘭峪-山海關(guān)復(fù)背斜的中部，遷安隆起的西部邊緣褶皺帶中，礦床賦存于太古代遷西群三屯營組黑云變粒巖及紫蘇黑云變粒巖中，屬于“鞍山式”沉積變質(zhì)鐵礦床。原為完全露天開采礦井，主要開采Ⅰ號礦體和Ⅲ號礦體，目前在繼續(xù)露天開采的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)入地下開采，一期設(shè)計范圍為1500～2000勘探線之間-400m以上的礦體，開采地質(zhì)儲量為3979.33萬t，依據(jù)開采范圍內(nèi)地質(zhì)儲量、礦體形態(tài)，地下開采建設(shè)規(guī)模為年產(chǎn)鐵礦石100萬t，產(chǎn)品為單一貧磁鐵礦。

礦井設(shè)計井下施工立井3條，井筒具體規(guī)格見表1。

表1 黑龍山鐵礦井下深立井井筒規(guī)格表

2 反井鉆機(jī)的選型

反井法施工主要分為導(dǎo)孔鉆進(jìn)和擴(kuò)孔鉆機(jī)兩個階段，施工前需要對井筒巖石柱狀圖進(jìn)行分析，獲取巖石力學(xué)數(shù)據(jù)，計算出反井鉆機(jī)施工所需導(dǎo)孔推力、導(dǎo)孔扭矩、擴(kuò)孔拉力以及擴(kuò)孔扭矩的最大值，通過這些數(shù)據(jù)選取適合的反井設(shè)備。下面以最深井297m井筒進(jìn)行計算選型。

2.1 井筒巖石情況分析

黑龍山鐵礦礦床地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺構(gòu)造以緊密倒轉(zhuǎn)為特點(diǎn)，斷裂構(gòu)造以韌性斷層呈帶狀展布為特征。

依據(jù)ZK1鉆孔柱狀圖可知，反井施工范圍內(nèi)主要地層由上到下依次為：花崗質(zhì)混合巖、混合片麻巖、黑云混合片麻巖。

花崗質(zhì)混合巖：肉紅色、花崗中粗粒變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要礦物鉀長石、石英、少量斜長石、角閃石。巖芯呈短柱狀，局部為長柱狀，巖芯最長0.4m，采取率87.6%。

混合片麻巖：淺肉紅色-灰綠色，細(xì)粒變晶結(jié)構(gòu)，似片麻狀構(gòu)造。主要礦物為角閃石、斜長石。巖芯以短柱狀為主，局部地段少量呈碎塊狀。巖芯采取率73.0%。

黑云混合片麻巖：淺灰色、中粒變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造。主要礦物成分斜長石、角閃石、石英。巖芯呈短柱狀，巖芯較完整。巖芯采取率83.8%。

巖石抗壓強(qiáng)度：礦石R=120～210MPa，巖石R=80～160MPa；松散系數(shù)：礦石K=1.5，巖石K=1.5[7]。

2.2 鉆進(jìn)參數(shù)計算[8]

2.2.1 導(dǎo)孔推力P1

反井鉆機(jī)采用牙輪鉆頭進(jìn)行導(dǎo)孔鉆進(jìn)，前蘇聯(lián)學(xué)者以直徑Φ214mm鉆頭為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)后得出導(dǎo)孔推力的計算公式，見式(1)。

(1)

式中：f為固定系數(shù)，巖石硬度大于150 MPa時取20；K為巖石松散系數(shù)，K=1.5；D1為導(dǎo)孔直徑,D1=241mm；D0=214mm，將以上數(shù)值代入式(1)求得導(dǎo)孔推力P1=337.9kN。

2.2.2 導(dǎo)孔扭矩M1

(2)

式中：k為巖石特性系數(shù)，k=16×10-5；D1=241mm；P1=337.9kN；將以上數(shù)值代入式(2)求得導(dǎo)孔扭矩M1=7089N·m=7.1kN·m。

2.2.3 擴(kuò)孔拉力P2

擴(kuò)孔施工時鉆機(jī)需要克服所有鉆具的總重量及巖石作用在滾刀上的垂直載荷，可由式(3)計算

P2=mg+F

(3)

式中：m為所有鉆具的總重量，包括297m鉆桿、擴(kuò)孔鉆頭及鉆機(jī)動力頭，m=68885kg；F為巖石作用在滾刀上的總垂直載荷，其可由式(4)計算

F=(6.6D1+η)R

(4)

式中：D1=241mm；η=2～20，為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，此處取最大值20；R為巖石抗壓強(qiáng)度，此處取最大值210MPa，將以上數(shù)值代入式(3)求得擴(kuò)孔拉力P2=1027076N=1027kN。

2.2.4 擴(kuò)孔扭矩M2

(5)

式中：k=16×10-5；D1=241mm；P2=1027kN；將以上數(shù)值代入式(5)求得擴(kuò)孔扭矩M2=37564N·m=37.6kN·m。

2.3 鉆機(jī)選型

結(jié)合計算數(shù)據(jù)以及以往施工經(jīng)驗(yàn)，決定采用北京中煤礦山工程有限公司BMC300型反井鉆機(jī)進(jìn)行施工，該型號反井鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 BMC300型反井鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)表

由表2可知，該型號反井鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)均滿足該礦井施工要求，4項技術(shù)指標(biāo)均大于施工所需最大值且有一定余量可用于應(yīng)對突發(fā)情況[9]。

3 反井法施工

3.1 施工準(zhǔn)備

1)場地。在施工水平巷道內(nèi)完成一條支洞以滿足反井施工，要求洞高不小于5m,寬度不小于5m，長度不小于6m，反井鉆機(jī)主機(jī)以開孔點(diǎn)為中心沿支洞軸線居中布置，布置圖見圖1。鉆機(jī)施工時對地層產(chǎn)生較大的作用力，需要在支洞內(nèi)施工鉆機(jī)基礎(chǔ)，將鉆機(jī)固定在基礎(chǔ)上。

2)供電。反井法施工用電設(shè)備主要有反井鉆機(jī)、泥漿泵、冷卻水泵及照明等，現(xiàn)場需要配備滿足施工所需的總負(fù)荷的供電系統(tǒng)。反井鉆機(jī)額定功率為128.5kW,水泵功率為90kW,其他用電負(fù)荷約10kW，所需供電總負(fù)荷不小于230kW，電壓等級為380V，電源頻率為50Hz。

圖1 鉆機(jī)布置(單位：mm)

3)供水?，F(xiàn)場需架設(shè)50mm供水管路，有專用泵供水。導(dǎo)孔施工時水量不小于10m3/h，用于循環(huán)水排渣及冷卻鉆機(jī)系統(tǒng)。擴(kuò)孔時水量不小于5m3/h，用于冷卻鉆機(jī)系統(tǒng)及擴(kuò)孔鉆頭。

4)通信。導(dǎo)孔結(jié)束后接擴(kuò)孔鉆頭時需要上下水平隨時溝通，擴(kuò)孔過程中下水平安全警戒范圍內(nèi)也需要具備隨時向上水平鉆機(jī)操作人員通報情況，需要在上水平操作臺及下水平透孔點(diǎn)附近建立通信系統(tǒng)。

5)照明。反井鉆機(jī)為連續(xù)作業(yè)，為保證井下施工，在鉆機(jī)、開關(guān)柜、循環(huán)池等位置分別設(shè)置不小于200W的照明燈，并作防水保護(hù)。

3.2 導(dǎo)孔施工及偏斜控制

導(dǎo)孔施工是反井法施工的關(guān)鍵，要求在安全快速施工的同時保證井筒的精度，偏斜率必須控制在1%以內(nèi)，同時需要隨時注意返渣巖石性質(zhì)及數(shù)量的變化，以免發(fā)生塌孔、埋鉆等事故，反井法施工雖然不是取芯鉆進(jìn)，但根據(jù)對鉆進(jìn)過程觀測以及返出巖屑的分析，可以對地層有初步定性和了解，為Φ1.4m擴(kuò)孔鉆進(jìn)、孔壁支護(hù)以及后期刷大提供必要的參考[10-11]。

1)開孔。鉆機(jī)安裝完成后，對鉆機(jī)進(jìn)行超平找正，保證開孔垂直度。二次澆注混凝土，井下需要7天的養(yǎng)護(hù)時間，待混凝土達(dá)到強(qiáng)度既可開孔。將Φ241mm導(dǎo)孔鉆頭與開孔扶正器以絲扣連接在一起進(jìn)行開孔作業(yè)，采用低鉆壓、低扭矩，保證開孔垂直度。

2)導(dǎo)孔推力的控制。導(dǎo)孔推力隨巖性及鉆進(jìn)深度的變化而調(diào)整，推力過大會導(dǎo)致偏斜率的增大及導(dǎo)孔鉆頭的損壞，推力過小則會影響鉆進(jìn)效率，所以應(yīng)采用低于最佳鉆進(jìn)速度的鉆壓進(jìn)行施工。

3)轉(zhuǎn)速的控制。轉(zhuǎn)速可以通過實(shí)驗(yàn)和計算確定，但大多采用廠家出廠時提供的推薦值，且隨著導(dǎo)孔推力的增大，轉(zhuǎn)速應(yīng)減少，反之，導(dǎo)孔推力減小時，轉(zhuǎn)速應(yīng)增加。本項目轉(zhuǎn)速基本控制在10～15r/min之間。

4)穩(wěn)定鉆桿的合理選擇及布置。穩(wěn)定鉆桿是保證導(dǎo)孔偏斜率最有效的工具，穩(wěn)定鉆桿的合理選擇主要是對其直徑的選擇，直徑與導(dǎo)孔鉆頭相比過小容易使鉆桿在鉆孔內(nèi)產(chǎn)生晃動從而失去作用，過大則會增大鉆進(jìn)摩擦阻力降低鉆進(jìn)效率。穩(wěn)定鉆桿的合理布置也很關(guān)鍵，通常將兩個或更多的穩(wěn)定鉆桿連在一起，形成一段剛性的鉆具組保證鉆進(jìn)垂直度，還要考慮全部鉆具的重力分配，在合適的位置布置穩(wěn)定鉆桿。本項目選用直徑Φ241mm三合金翅穩(wěn)定鉆桿，分別布置在1、2、3、7、30、80根的位置上。

5)導(dǎo)孔偏斜控制情況。導(dǎo)孔完成后經(jīng)過測量，3條井筒的偏斜率均控制在1%以內(nèi)，其中297m回風(fēng)井終孔偏斜1.8m，偏斜率0.47%。偏斜率見表3。

表3 井筒偏斜率統(tǒng)計表

3.3 擴(kuò)孔施工

導(dǎo)孔鉆進(jìn)與下水平巷道貫通后，在下水安裝Φ1.4m擴(kuò)孔鉆頭，安裝時確保上下水平通信通暢，連接時上下呼應(yīng)。擴(kuò)孔鉆頭接好后，慢速上提鉆具，直到滾刀開始接觸巖石后停止上提，用最低轉(zhuǎn)速(5～8r/min)旋轉(zhuǎn)，并慢慢給進(jìn)保證鉆頭滾刀不受過大的沖擊而破壞，等刀齒把凸出的巖石破碎掉后正常擴(kuò)孔。在擴(kuò)孔過程中，巖石硬度較大時可適當(dāng)增加鉆壓，反之可以減少鉆壓。下水平需要及時出渣，防止堵孔。

3.4 完孔及鉆機(jī)拆除

擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔至距基礎(chǔ)2.5m時，降低鉆壓慢速鉆進(jìn)，認(rèn)真觀察，如果基礎(chǔ)周圍出現(xiàn)異常情況要及時采取措施處理，繼續(xù)緩慢擴(kuò)孔，直至鉆頭露出地面。完孔后，將擴(kuò)孔鉆頭固定懸掛，將鉆架主機(jī)及輔助設(shè)備拆下，將鉆頭提出孔外，泵車、油箱等拆裝整理、運(yùn)輸，清理現(xiàn)場，全部鉆孔工作結(jié)束。

4 結(jié)語

采用反井法施工黑龍山鐵礦井下3條近300m深立井工程綜合成井速度達(dá)到160m/月，效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通人工鉆爆法，且安全可靠，偏斜控制率高，井壁光滑，無超挖欠挖，反井法施工技術(shù)必將在鐵礦井下深立井安全快速施工中發(fā)揮巨大的作用。

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