反井鉆施工技術(shù)在高應(yīng)力不良巖層溜井中的應(yīng)用

李建東，程國(guó)龍，汪小平，夏勝衍

(金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅 金昌 737100)

金川公司二礦區(qū)是金川公司的主力礦山，開(kāi)拓系統(tǒng)采用豎井、斜井、斜坡道聯(lián)合開(kāi)拓法，先后經(jīng)歷一期工程、二期工程、金川礦山改擴(kuò)建工程、850 m工程，目前年生產(chǎn)能力為420萬(wàn)t。二礦區(qū)深部開(kāi)采工程(700 m 中段及以下)是集團(tuán)公司“十三五”重點(diǎn)項(xiàng)目，建成后將接替1 000 m 中段。深部開(kāi)采工程有多條溜井有待施工，現(xiàn)有溜井施工工藝費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)工程進(jìn)度按期完成存在一定的影響，須采用其他溜井施工工藝以縮短施工工期，為二礦區(qū)深部投產(chǎn)打好基礎(chǔ)。

1 工程簡(jiǎn)介

廢石溜井上井口位于814 m水平，下井口位于已完成施工的700 m水平運(yùn)輸?shù)纻?cè)方，見(jiàn)圖1，溜井設(shè)計(jì)深度為115.314 m。井筒正常段荒徑Φ4.0 m，單層噴錨網(wǎng)+單層鋼筋混凝土+鋼襯板支護(hù)[1]，凈直徑Φ3.0 m，井筒貯礦段荒徑4.5 m，支護(hù)形式與正常段相同，凈直徑Φ3.5 m。

圖1 廢石溜井位置圖(700 m平面)Fig.1 Location of waste rock chute(700 m plane)

2 反井鉆機(jī)法施工方案

反井鉆機(jī)法施工[2]溜井順序：井筒中心導(dǎo)孔(Φ246 mm)至700 m水平→更換為滾刀鉆頭自下而上擴(kuò)刷(直徑1.2 m)→安裝提絞設(shè)備，自上而下將井筒掘至設(shè)計(jì)斷面并進(jìn)行一次支護(hù)→自下而上進(jìn)行鋼筋砼+鋼襯板永久支護(hù)。

2.1 反井鉆施工工藝

1)設(shè)備選型

設(shè)計(jì)選用一臺(tái)ZFY1.2/30/150(AT1200)型反井鉆機(jī)施工，基本參數(shù)：導(dǎo)孔直徑246 mm，擴(kuò)孔直徑1.2 m，鉆孔深度114 m，出軸轉(zhuǎn)速5～33 r/min，導(dǎo)孔額定扭矩15 kN·m，擴(kuò)孔最大扭矩30 kN·m，鉆頭許用最大推力350 kN，擴(kuò)孔最大拉力850 kN；鉆孔傾角60°～90°，主機(jī)質(zhì)量6 t，主機(jī)運(yùn)輸尺寸2 290 mm×1 110 mm×1 430 mm，主機(jī)工作尺寸2 977 mm×1 422 mm×3 977 mm，鉆桿有效長(zhǎng)度1 000 mm，電機(jī)功率90 kW。

2)鉆進(jìn)工藝流程

該鉆孔在施工過(guò)程中需要嚴(yán)格控制鉆孔偏斜率。為保證施工順利進(jìn)行及鉆孔垂直度，該孔鉆進(jìn)工藝分為5個(gè)步驟，具體施工方案如下：

(1)700 m水平鉆孔聯(lián)絡(luò)道施工

因鉆孔導(dǎo)孔位于700 m水平單軌運(yùn)輸巷道左幫內(nèi)，故需以鉆孔坐標(biāo)為中心垂直運(yùn)輸巷道左幫施工鉆孔聯(lián)絡(luò)道。施工鉆孔聯(lián)絡(luò)道時(shí)應(yīng)采用U36鋼拱架+雙層噴錨網(wǎng)+注漿加強(qiáng)支護(hù)，確保導(dǎo)孔鉆進(jìn)施工安全。

(2)定向孔鉆進(jìn)

根據(jù)巖石條件、鉆具級(jí)配(鉆鋌及鉆桿直徑)，選用Φ216 mm牙輪鉆頭配Φ220 mm×1 m扶正器鉆進(jìn)20 m，起到開(kāi)孔導(dǎo)正作用。

(3)導(dǎo)孔鉆進(jìn)

期間每鉆進(jìn)20 m測(cè)一次鉆孔偏斜，以便及時(shí)糾偏。為保障后期井筒擴(kuò)刷，導(dǎo)孔鉆進(jìn)偏斜應(yīng)控制在500 mm范圍內(nèi)，打通至底部硐室。

(4)反向擴(kuò)孔

使用Φ246 mm牙輪鉆頭打通底部水平后，在孔底更換Φ1 200 m滾刀鉆頭。擴(kuò)孔開(kāi)始施工時(shí)一般圍巖破壞較為嚴(yán)重，鉆頭周圈難以均勻受力。等鉆頭全部均勻接觸巖石，才能正常擴(kuò)孔鉆進(jìn)。

(5)鉆進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防及管控

①導(dǎo)孔施工前，底部硐室要提前做好加固措施，防止導(dǎo)孔鉆通及反向擴(kuò)孔過(guò)程中底部垮塌。

②導(dǎo)孔鉆進(jìn)過(guò)程中，要做好水文觀測(cè)，根據(jù)鉆進(jìn)情況總結(jié)地層變化概況并做好記錄，為反向擴(kuò)孔施工時(shí)鉆進(jìn)參數(shù)的選擇提供依據(jù)。

③反向擴(kuò)孔時(shí)，發(fā)現(xiàn)鉆頭晃動(dòng)大、壓力不穩(wěn)、擴(kuò)孔困難時(shí)，可能是大塊巖石落在刀具上磨擠刀具所致，此時(shí)應(yīng)將刀具下放一定距離，試著將大塊甩掉，若無(wú)效果時(shí)，把鉆頭下放到底進(jìn)行處理。

④正常擴(kuò)孔時(shí)，每鉆進(jìn)15 m，必須及時(shí)將巖屑清除運(yùn)走，防止下孔口堵塞，底部清理巖屑與上部擴(kuò)孔不能同時(shí)施工。

2.2 井筒施工

井筒施工按照掘砌單行作業(yè)考慮，采用1 m3矸石吊桶提升，雙層吊盤(pán)雙繩懸吊，吊盤(pán)既是掘進(jìn)的保護(hù)盤(pán)，又是永久支護(hù)的工作盤(pán)。吊桶布置在井筒中心位置，吊盤(pán)繩兼做穩(wěn)繩使用[3]。

1)施工順序

井筒掘進(jìn)時(shí)，若圍巖較穩(wěn)定，采用掘進(jìn)和單層噴錨網(wǎng)支護(hù)一次到底，然后由下至上利用吊盤(pán)作為工作臺(tái)連續(xù)進(jìn)行單筋砼+鋼襯板永久支護(hù)。若井筒圍巖破碎不穩(wěn)定，則采用分段掘進(jìn)并及時(shí)進(jìn)行二次永久支護(hù)，分段高度根據(jù)實(shí)際情況20～40 m為宜，即掘進(jìn)和一次噴錨網(wǎng)支護(hù)施工達(dá)到分段高度后，再由下而上利用吊盤(pán)作為工作臺(tái)對(duì)此段進(jìn)行單筋砼+鋼襯板永久支護(hù)。在分段混凝土澆筑時(shí)，在每分段最下層第一模井幫位置上下布置兩層Φ22 mm×1.5 m的螺紋鋼錨桿，錨桿間排距均為800 mm，外露300 mm，與綁扎的鋼筋進(jìn)行焊接，確保在該分段內(nèi)井筒的混凝土澆筑安全。

2)鑿巖爆破

鑿巖采用手持式Y(jié)T-28鑿巖機(jī)，采用兩臺(tái)鑿巖機(jī)同時(shí)作業(yè)。掏槽方式為直線型掏槽，也可以根據(jù)巖石裂隙情況進(jìn)行調(diào)整。平巷掏槽眼深2.4 m，輔助眼和周邊眼深2.2 m，有效循環(huán)進(jìn)尺2 m；輔助眼和周邊眼深1.3 m，有效循環(huán)進(jìn)尺1.2 m。井筒內(nèi)布置炮孔時(shí)，縮小炮孔之間的間距，避免井筒爆破過(guò)程中產(chǎn)生大塊，堵塞鉆孔，炮孔布置見(jiàn)圖2，爆破參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 溜井炮孔布置圖(單位：mm)Fig.2 Layout of borehole(Unit:mm)

表1 溜井爆破參數(shù)

2.3 井筒支護(hù)

井筒設(shè)計(jì)支護(hù)形式：?jiǎn)螌訃婂^網(wǎng)+單筋混凝土+鋼襯板支護(hù)，施工時(shí)分兩次進(jìn)行支護(hù)。

自上而下掘砌時(shí)，爆破出毛作業(yè)完成后，井筒立即進(jìn)行單層噴錨網(wǎng)支護(hù)。二次支護(hù)為單筋混凝土+鋼襯板支護(hù)，施工人員利用吊盤(pán)作為工作平臺(tái)，由下而上施工。先按照設(shè)計(jì)綁扎好鋼筋，然后以井筒中心線為準(zhǔn)支鋼襯板，焊接后將鋼襯板用木撐子固定牢固，確認(rèn)無(wú)誤后即可進(jìn)行砼澆筑作業(yè)[4]。

2.4 通風(fēng)

井筒和卷?yè)P(yáng)硐室等措施工程施工采用壓入式通風(fēng)，選用22 kW風(fēng)機(jī)，風(fēng)筒選用Φ400 mm的阻燃風(fēng)筒，風(fēng)機(jī)設(shè)在礦石溜井聯(lián)絡(luò)道岔口，風(fēng)筒距掘進(jìn)作業(yè)面距離不應(yīng)超過(guò)15 m，并隨掘砌長(zhǎng)度的增加及時(shí)接長(zhǎng)風(fēng)筒。施工放炮后通風(fēng)排煙時(shí)間不得少于30 min，人員攜帶氣體檢測(cè)儀及呼吸自救器進(jìn)入作業(yè)面進(jìn)行安全確認(rèn)。

2.5 材料及毛石運(yùn)輸

該工程施工期間施工材料為無(wú)軌運(yùn)輸，毛石拉運(yùn)采用有軌運(yùn)輸方式。施工材料由地表經(jīng)主斜坡道及分斜坡道運(yùn)輸至814分段廢石井，材料按定置管理辦法存放，施工時(shí)隨用隨取。該工程出毛通過(guò)施工的鉆孔排至700 m水平，耙裝機(jī)裝入礦車(chē)后，蓄電池式電機(jī)車(chē)運(yùn)輸至18行副井700 m水平井口，經(jīng)18行副井提升至地表進(jìn)行翻卸。

3 鉆孔堵塞、垮幫處理技術(shù)研究

二礦區(qū)深部巖石條件破碎，鉆機(jī)施工易發(fā)生堵孔事故[5]，為防止鉆孔發(fā)生堵塞，井筒在爆破時(shí)縮小爆破孔間排距，孔間排距不得超過(guò)500 mm，防止出現(xiàn)大塊。若爆破后仍有大塊產(chǎn)生，則必須進(jìn)行二次爆破，將大塊破碎降至塊度500 mm以下時(shí)，再進(jìn)行出毛。井筒出毛時(shí)，在鉆孔孔口設(shè)置格篩，格篩孔大小為500 mm×500 mm，防止大塊毛石掉入鉆孔內(nèi)。

鉆孔出現(xiàn)堵塞時(shí)，為便于處理，在鉆孔內(nèi)下放2根Φ21.5 mm的鋼絲繩，鋼絲繩每間隔5 m加裝一個(gè)相應(yīng)的繩卡。在無(wú)異常時(shí)，鋼絲繩可懸掛在吊盤(pán)上，下部必須伸出下井口20 m并盤(pán)掛在下部巷道壁上。若鉆孔一旦出現(xiàn)堵塞，將鋼絲繩通過(guò)繩扣與主提升鉤頭連接，上提鋼絲繩松動(dòng)堵塞的毛石，達(dá)到疏通的目的。

在井筒擴(kuò)刷過(guò)程中出現(xiàn)鉆孔垮幫時(shí)，則考慮在分斜坡道790 m聯(lián)絡(luò)道內(nèi)施工措施聯(lián)絡(luò)道，將廢石井與790 m中段進(jìn)行貫通，后在該位置安裝翻矸平臺(tái)，溜井掘進(jìn)產(chǎn)生的毛石由790 m中段進(jìn)行翻卸。

4 結(jié)論

1)本文綜合考慮了廢石溜井巖石條件狀況，制定了溜井施工采用單層噴錨網(wǎng)+單筋混凝土+鋼襯板支護(hù)方式。

2)提出采用反井鉆施工廢石溜井，極大地提高了施工效率，及時(shí)改善了700 m平面的通風(fēng)效果，一定程度上解決了高應(yīng)力不良巖層條件下井筒掘進(jìn)難題，為類(lèi)似工程項(xiàng)目豎井施工提供了經(jīng)驗(yàn)。

3)針對(duì)施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的鉆孔垮幫問(wèn)題，創(chuàng)造性地提出在分斜坡道790 m聯(lián)絡(luò)道內(nèi)施工措施聯(lián)絡(luò)道，將廢石井與790 m中段進(jìn)行貫通，繼續(xù)完成溜井掘進(jìn)工作的措施。