周 興,程守業(yè),荊國(guó)業(yè)
(1.北京中煤礦山工程有限公司,北京 100013;2.天地科技建井研究院,北京 100013)
反井是地下采礦連接不同水平巷道的暗立井,是重要的井巷工程,一般采用由下向上的反向鑿井方法(稱為反井法)施工。我國(guó)最初的反井施工較多采用木垛法、吊罐法、爬罐法,這些施工方法均需施工人員進(jìn)入井筒中鑿巖爆破,勞動(dòng)強(qiáng)度高,安全隱患大。反井鉆機(jī)施工法施工時(shí),設(shè)備及人員均位于上水平作業(yè)平臺(tái),人員不需要進(jìn)入井筒,完全采用機(jī)械破巖的施工方法。該方法從根本上改善了作業(yè)條件,降低勞動(dòng)強(qiáng)度,消除安全隱患。反井鉆機(jī)鉆井先自上而下導(dǎo)孔,再接大鉆頭自下而上擴(kuò)孔。目前,國(guó)內(nèi)研制的BMC系列反井鉆機(jī),鉆孔直徑從0.75m到5.0m,鉆井深度從100m到600m。研制的系列破巖滾刀,解決了堅(jiān)硬的、磨蝕性強(qiáng)的巖石有效鉆進(jìn)和刀具壽命問題[1,2]。
金礦由于巖石堅(jiān)硬,工程條件特點(diǎn)及反井鉆機(jī)施工能力限制等原因,豎井反井施工通常在直徑2.0m,深度200m以內(nèi)的井筒。施工大直徑深立井時(shí)(直徑>Ф2.0m,井深>200m),不能一步到位,通常先采用反井鉆機(jī)導(dǎo)井Ф1.4m,再人工鉆爆刷大成井。夏甸金礦開創(chuàng)金礦領(lǐng)域反井施工記錄,535線專用回風(fēng)井采用大直徑BMC600反井鉆機(jī)施工,一次擴(kuò)孔成井Ф3.5m,深度366m,無需再刷大爆破。實(shí)踐表明,該方法施工效果良好,為金礦深部開采通風(fēng)條件帶來新技術(shù),新裝備,新工藝。不僅具有占地小,快速、施工安全環(huán)保的優(yōu)點(diǎn),還能解決擾民和地面出渣等諸多問題。
夏甸金礦位于山東省招遠(yuǎn)市夏甸鎮(zhèn)西芝下村,距市區(qū)38km,交通方便。是山東招金礦業(yè)主力礦井,具有日處理能力達(dá)6000t的大型生產(chǎn)礦井,年產(chǎn)黃金達(dá)12萬兩。該礦開采深度已達(dá)-1080m,井下溫度超過30℃,深部開拓急需解決通風(fēng)問題。535線專用回風(fēng)井井口坐標(biāo)為Z=+160.526m,井底坐標(biāo)Z=-206.048m,井深366m,直徑3.5m。該井表土層9m,金礦巖石堅(jiān)硬,花崗巖為主,f>12,無涌水。該井附近緊鄰水庫、空壓機(jī)房和民房,施工場(chǎng)地狹小。該工程采用BMC600大直徑反井鉆機(jī)施工。
根據(jù)工程施工特點(diǎn),綜合井深、巖石硬度,施工場(chǎng)地及地質(zhì)等條件,采用國(guó)內(nèi)性能最強(qiáng)的BMC600大直徑反井鉆機(jī)(見表1)。該鉆機(jī)已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)水電、煤礦、有色、交通等領(lǐng)域,成功施工多條直徑為Ф3.0m~5.0m的井筒。鉆井深度可達(dá)600m,鉆孔直徑5.0m。
具有代表性的反井工程有:山西柴溝煤礦風(fēng)井,直徑5.0m,井深308m;甘肅敦格鐵路當(dāng)金山隧道通風(fēng)井,直徑3.0m,井深442m;貴州開陽磷礦井下施工豎井,直徑5.0m,井深156m;河北豐寧抽水蓄能電站引水斜井,傾角53°,直徑2.5m,斜長(zhǎng)224m;重慶松藻煤電瓦斯抽放管道井,直徑1.6m,井深495m。
由于BMC600反井鉆機(jī)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生近400t的壓力作用于地層,因此需要對(duì)鉆機(jī)基礎(chǔ)及表土段進(jìn)行處理。表土及風(fēng)化巖層厚9m,施工時(shí)采用挖機(jī)配合人工開挖,開挖荒井直徑為4.6m,井壁采用鋼筋混凝土制作,壁厚500mm,開挖后回填素混凝土C10。
使用大型設(shè)備施工井筒,設(shè)備基礎(chǔ)是關(guān)鍵工程之一。直接影響整體施工進(jìn)度、質(zhì)量和降低工程造價(jià),尤其是需要表土開挖的井筒。鉆機(jī)基礎(chǔ)作為支撐鉆機(jī)重量及鉆壓,極其重要,要求牢固平整。本工程在處理井筒鎖口段時(shí),鉆機(jī)基礎(chǔ)和鎖口段作為一個(gè)整體塊填實(shí)混凝土C30,以增強(qiáng)鉆機(jī)基礎(chǔ)的強(qiáng)度。實(shí)際表明本工程鉆機(jī)基礎(chǔ)在反井施工過程中及成井后非常牢固穩(wěn)定[3,4]。
反井鉆機(jī)導(dǎo)孔鉆進(jìn)是關(guān)鍵,關(guān)系到整個(gè)井筒質(zhì)量的好壞,既要滿足偏斜要求,又要防止堵孔、塌孔和埋鉆等事故的發(fā)生。通過導(dǎo)孔返渣情況可了解地層的結(jié)構(gòu),為擴(kuò)孔和成井提供依據(jù)。施工區(qū)域地質(zhì)沒有詳細(xì)的地質(zhì)柱狀圖,由于之前該部施工過2條放料孔,但由于該處地層復(fù)雜,在原放料孔多次進(jìn)行鉆孔施工及挪位后均未取得成功。為了安全順利完成導(dǎo)孔施工,采用SL600A鉆機(jī)進(jìn)行導(dǎo)孔施工,分兩步工序,先鉆Ф114mm的小孔,再換上Ф350mm鉆頭刷大;鉆完之后開始安裝BMC600反井鉆機(jī),再用Ф350mm小鉆頭掃孔。該鉆機(jī)優(yōu)點(diǎn)是具有快速通過不良地層條件的能力,缺點(diǎn)是不易控制偏斜。
擴(kuò)孔施工包括:Ф3.5m鉆頭下井運(yùn)輸、鉆頭拼接及安裝、擴(kuò)孔進(jìn)尺、井幫穩(wěn)定成型,鉆頭滾刀的消耗及更換、出渣(包括降塵排水)系統(tǒng)等工作。
鉆頭下井時(shí)需要通過罐籠或斜坡道,夏甸金礦罐籠尺寸為3600mm×1600mm×2700mm,斜坡道斷面規(guī)格為4.5m×3.6m,巷道斷面規(guī)格為3.2m×2.4m。根據(jù)工程特點(diǎn)及巷道低、窄的條件,為便于運(yùn)輸和安裝,將Ф3.5m擴(kuò)孔鉆頭設(shè)計(jì)為分體式結(jié)構(gòu)。為安全、快速地將擴(kuò)孔鉆頭由斜坡道通過運(yùn)礦車分體運(yùn)至井下工作面,再在井下進(jìn)行拼裝。
表1 BMC600反井鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)
擴(kuò)孔時(shí)每米出渣為11m3,每天進(jìn)尺6m~8m,出渣量超過80m3,該井排渣量總共約3600m3,由于渣量大,必須在施工前考慮出渣方式、排渣地點(diǎn)。在井下,出渣一般采用用鏟運(yùn)機(jī)倒進(jìn)卡車,再運(yùn)至地面,存在線路過長(zhǎng)的問題,不僅影響效率,而且車輛交叉作業(yè),工作面環(huán)境惡劣。出渣不及時(shí)容易堵井,造成安全隱患,嚴(yán)重影響進(jìn)尺。因此出渣方式需提前綜合考慮,以提高出渣效率。
反井施工的成本主要是鉆桿、滾刀的消耗??刂坪勉@桿、滾刀的成本,反井工程成本基本就可控。在堅(jiān)硬巖石條件下采用大直徑機(jī)械破巖,必須方案可行,成本可控。因此,對(duì)鉆桿、鉆頭及滾刀的質(zhì)量要求較高。工程首先需對(duì)鉆桿進(jìn)行探傷,確保鉆桿完好無損。鉆頭要求其滾刀選型、布置和加工水平等匹配、質(zhì)量可靠。
夏甸金礦535線專用回風(fēng)井采用反井施工法,一擴(kuò)成井,工程自2017年3月開始施工,6月工程結(jié)束(施工詳細(xì)統(tǒng)計(jì)見表2)。工期3.5月,平均每月成井120m,比傳統(tǒng)鉆爆正井法開挖工期提前2個(gè)月,提前出礦36萬t,按該礦黃金年產(chǎn)量12萬兩計(jì)算,新增產(chǎn)值1020萬元。該工程成井質(zhì)量好,井壁穩(wěn)定光滑;施工場(chǎng)地占地小,省去了通風(fēng)、排水、矸石提升等鑿井輔助設(shè)施;工人的工作條件得到極大的改善,勞動(dòng)強(qiáng)度也大大的降低,安全保障性高,施工速度快。在目前環(huán)保要求嚴(yán)格的條件下,使用該工法,可以減少大量的征地費(fèi)用和繁瑣的審批程序;大大減少粉塵和噪聲等的污染,非常有利于環(huán)保達(dá)標(biāo)。
表2 夏甸金礦535線專用回風(fēng)井反井鉆井施工統(tǒng)計(jì)
大直徑反井鉆機(jī)鉆井技術(shù)的應(yīng)用,改變了落后的傳統(tǒng)人工鉆爆鑿井方式,滿足地面、井下等各種復(fù)雜工況條件下深立井、大直徑井筒建設(shè)方面的需求。其安全性、機(jī)械化和自動(dòng)化方面在地下采礦建井方面取得巨大進(jìn)步,是今后施工的趨勢(shì),值得大力應(yīng)用與推廣。