豎井反向開挖專利技術(shù)分析

王海林

【摘 要】本文通過對豎井反向開挖的基本概念和各種反井施工方法進行分析，檢索、整理國內(nèi)外相關(guān)專利文獻，總結(jié)歸納出了重點申請人的研發(fā)方向，為反井施工工作提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】豎井；反向開挖；專利技術(shù)

一、豎井反向開挖基本概念

通常我們也將豎井反向開挖稱為反井法，該方法的主要特點是從下往上向豎井內(nèi)開挖，有時也采用大傾角斜井的方式。傳統(tǒng)的反井法包括普通法、吊罐法和爬罐法。不同的領(lǐng)域，其采用的反井方法不同，例如煤炭行業(yè)，在反井過程中主要使用木垛法；對于冶金領(lǐng)域，則普遍使用吊罐法；在水電領(lǐng)域，使用爬罐法較為常見。不論是以上哪種行業(yè)，工作面都存在塌方、落石等安全隱患，工人的人身安全很難得到保障，出現(xiàn)工程事故屢見不鮮?；诖耍?0世紀(jì)60年代，世界各國對此加大了重視，試圖使用機械方法進行反井，在人們不懈的努力下，終于研制出反井鉆機。該操作方法不僅能夠有效減少傷亡率，還可以利用計算機進行控制，為反井施工提供了有效的技術(shù)支撐。

二、反井施工方法

1.普通反井法

普通反井法在井深較淺或一些特定條件下，至今仍被采用。作為臨時支架的木井框，將反井?dāng)嗝娣殖身肥g、吊桶提升間和梯子間。矸石間用作儲存爆破下來的矸石；提升間用于吊桶升降材料；梯子間用于上下人員和敷設(shè)氣水管、風(fēng)筒和電纜等。施工人員站在頂部臨時工作平臺上，進行打眼、裝藥和支護作業(yè)；當(dāng)掘進到接近上水平巷道時，停止掘進，待下部井筒刷砌和安裝完畢后，破除巖柱。其斷面形狀多為矩形，一般采用壓入式通風(fēng)。

普通反井法的優(yōu)點：輔助工程量小，不需要大型提絞設(shè)備，對其他作業(yè)影響小，適用于水平巷道尚未形成、井深較淺的井筒施工；缺點：人員爬梯子上下困難，勞動強度大，材料運輸不方便，木材消耗量大，工作面易集聚有害氣體，安全性差。

2.吊罐反井法

吊罐反井法施工工藝：先自上水平巷道鉆提升鉆孔；然后在上水平巷道安設(shè)提升機，提升鋼絲繩穿過鉆孔至下水平巷道，與吊罐連接。作業(yè)人員在吊罐上，自下而上進行反井施工。反井?dāng)嗝嫘螤钔ǔ２捎脠A形，一般多采用混合式通風(fēng)，局部通風(fēng)機布置在距反井下口約20m處，抽出乏風(fēng)和炮煙。

吊罐反井法與普通反井法相比，具有工效高、施工速度快、勞動強度低、經(jīng)濟性好等優(yōu)點。缺點是事先要鉆精度較高的提升鉆孔，前期準(zhǔn)備時間較長，工作面易集聚有害氣體；同時隨著掘進深度的增加，輔助時間加長，施工速度會明顯減慢。吊罐反井法一般不架設(shè)臨時支護，適用于圍巖比較穩(wěn)定的地層，井深通常不超過100m。

3.爬罐反井法

爬罐結(jié)構(gòu)及反井施工工藝：首先在下井口用普通法上掘3～5m；然后鋪設(shè)爬罐導(dǎo)軌，安裝爬罐，通過自帶動力的爬罐，將人員和設(shè)備運到工作面。人員在爬罐作業(yè)平臺上，自下而上進行反井施工；打眼、裝藥、聯(lián)線結(jié)束，人員、爬罐撤至安全地點后，進行起爆。放炮后，壓氣和水從導(dǎo)軌頂端保護蓋板噴出，排除炮煙和粉塵。裝巖工作在井下巷道進行，與打眼可平行作業(yè)。當(dāng)反井掘進到接近上水平巷道時，應(yīng)從上水平巷道自上而下打眼放炮。

爬罐反井法與吊罐反井法同樣具有工效高、施工速度快、勞動強度低等優(yōu)點。其缺點是：設(shè)備投資較大，通風(fēng)條件差，工作面易集聚有害氣體；同時隨著掘進深度的增加，輔助時間較長，施工速度會明顯減慢。爬罐反井法不需要事先開鑿上水平輔助巷道，從理論上講，井筒施工深度可以很大；但由于受通風(fēng)、排除炮煙等因素影響，施工深度通常不超過150m。

4.反井鉆井法

利用反井鉆機鉆鑿反井上世紀(jì)50年代始于南非金屬礦，當(dāng)時主要用于鉆鑿小直徑淺孔。我國從上世紀(jì)70年代開始研制反井鉆機，當(dāng)時主要用于金屬礦山，鉆鑿?fù)L(fēng)井、提升井、溜井等。進入上世紀(jì)80年代，反井鉆機首先在我國煤礦、冶金礦山得到廣泛應(yīng)用，90年代進一步推廣應(yīng)用到國內(nèi)外水利水電、非煤礦山、交通隧道等領(lǐng)域，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。由煤炭科學(xué)研究總院建井研究分院研制的LM系列和BMC系列反井鉆機，最大鉆孔直徑達到5m，最大鉆深達到600m，創(chuàng)造了多項反井鉆井施工全國記錄。

三、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

1.申請量年度分布及變化

在全球范圍內(nèi)，豎井反向開挖技術(shù)專利申請始于20世紀(jì)60年代末期，二戰(zhàn)結(jié)束后，全球各國對礦產(chǎn)品的需求不斷增加，采礦機械等地下施工裝備日新月異，隨之而來20世紀(jì)70年代中期是豎井反向開挖技術(shù)申請量高峰期；隨著前蘇聯(lián)、瑞典、德國等歐洲礦業(yè)大國的崛起，世界采礦技術(shù)和豎井開挖技術(shù)不斷改進和發(fā)展，到20世紀(jì)80年代末，以前蘇聯(lián)為代表的采礦技術(shù)強國掀起了豎井反向開挖技術(shù)專利申請的高潮；但1991年前蘇聯(lián)解體給世界各國經(jīng)濟狀況和政治局面都造成了不小的沖擊，加之20世紀(jì)90年代全球礦業(yè)大蕭條，期間采礦技術(shù)發(fā)展相對停滯，相關(guān)專利申請量下降；中國作為新興發(fā)展中國家，是礦業(yè)需求大國，尤其是改革開放以來，我國采礦工程技術(shù)取得了長足進步，雖然在豎井反向開挖技術(shù)方面的研發(fā)起步較晚，但包括地下工程建設(shè)在內(nèi)的各類工程領(lǐng)域快速發(fā)展，不管是傳統(tǒng)的豎井反向開挖方法還是現(xiàn)代的反井鉆機開挖方法，都隨著施工機械的改進和巖土力學(xué)理論的進步而取得了可喜的成果，并體現(xiàn)在專利申請量上。21世紀(jì)初期至今，我國在豎井反向開挖技術(shù)專利申請量上不斷增加，占全球申請量比例也逐年攀升，一方面說明發(fā)達國家的基礎(chǔ)建設(shè)和基本工業(yè)原料需求量的相對飽和，另一方面也體現(xiàn)了我國工程建設(shè)水平的不斷提高和經(jīng)濟狀況的不斷改善。

2.申請原創(chuàng)國分布

前蘇聯(lián)（包括俄羅斯）、中國、美國、日本、瑞典是豎井反向開挖技術(shù)的主要原創(chuàng)國家，上述幾個國家的相關(guān)申請量占到了全球申請總量的近 90%，這些國家是豎井反向開挖技術(shù)最主要的技術(shù)原發(fā)地和創(chuàng)新市場，其相關(guān)企業(yè)和科研院所主導(dǎo)著豎井反向開挖技術(shù)的動向和發(fā)展。其中，瑞典是爬罐法的發(fā)明國，日本的側(cè)重點則在頂推掘進方法上，美國以鉆頭的研發(fā)為主，而前蘇聯(lián)（包括俄羅斯）和我國則更注重機械的應(yīng)用和施工方法的改進。

3.重點申請人及其技術(shù)分布

根據(jù)全球范圍內(nèi)的專利申請，對豎井反向開挖技術(shù)重要申請人進行統(tǒng)計，結(jié)果顯示，豎井反向開挖技術(shù)領(lǐng)域重要申請人大部分為世界知名的礦業(yè)機械企業(yè)，例如阿力馬克（ALIMAK）公司、阿特拉斯（ATLAS）公司、羅賓斯（ROBBINS）公司、修斯工具（HUGHESTOOL）公司、山特維克（SANDVIK）公司、史密斯國際（SMITHIN-TERNATIONAL）、長年（LONGYEAR）公司等。其中，阿力馬克（ALIMAK）公司申請量最大，其他主要是美國的企業(yè)，少部分是俄羅斯的科研院所?？梢?，歐美國家在豎井反向開挖技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)了絕對的優(yōu)勢。

對于普通法專利，其申請人主要是排名前三的阿力馬克（ALIMAK）公司、阿特拉斯（ATLAS）公司和羅賓斯（ROBBINS）公司；對于爬罐法專利，瑞典作為爬罐法的發(fā)明國，瑞典企業(yè)擁有最多的爬罐法專利，其次是美國企業(yè)和前蘇聯(lián)（包括俄羅斯）的企業(yè)和科研院所；對于擴孔法（包括上擴法和下擴法）專利，其申請人分布相對均勻，說明該技術(shù)分支獲得了廣泛的關(guān)注和較高的投入。

四、結(jié)語

綜上所述，隨著社會的發(fā)展和新需求的出現(xiàn)，豎井反向開挖法已成為各個領(lǐng)域的寵兒，其應(yīng)用范圍不斷擴大。通過對豎井反向開挖技術(shù)概念以及專利技術(shù)的分析，給各個領(lǐng)域進行技術(shù)開發(fā)和專利構(gòu)建提供了參考依據(jù)。

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