利用反井钻机加快井筒建设工艺技术

摘要  本文介绍了反井钻机及反向凿井施工技术，并根据反井钻机施工工艺特点，对其进行了分类；总结了各类钻机适用范围、优缺点；例举了利用反井钻机辅助施工某些下水平有巷道的井筒实例，从破岩、装运，支护等方面与普通凿井法作了比较。认为这种工艺先进、效率高、安全可靠，有十分显著的经济效益和社会效益，有广泛的应用前景。最后，分析了部分工程实例。
关键词：  反井钻机；反向凿井； 井筒
反井是矿井建设中的重要工程项目，主要包括井下煤仓、暗井和通风孔等。过去常用的反井施工方法有木垛法、吊卸法和爬卸法。这些方法存在着工效低、工人要在裸露的顶板下作业，受落石、沼气、炮烟和粉尘的危害，伤亡事故时有发生，安全没保障。50年代末，国外采用反井钻机将工人从繁重的体力劳动下解脱出来，反井工程实现了机械化，提高了施工速度，彻底改善了反井施工的安全状况。70年代，我国开始反井钻机的研制，目前已有几种定型产品，施工工艺也逐渐的完善与成熟，应用范围不断扩大，除施工煤仓、暗井等浅孔外，还进行了反井钻机施工井筒的尝试，取得了较好的效果。
1  反井钻机
在地下巷道之间的竖直或倾斜联络通道、煤仓、暗井等工程，由于无法像地面施工井筒那样，布置稳车、绞车等大量设备，一般要采用反井法。施工反井是先由下向上掘出小断面溜渣孔，然后再由上向下刷大成井。反井和刷井过程中破碎下来的岩石和地层涌水，通过溜渣孔落到下水平。传统的反井施工方法，需要人员进入工作面工作，而采用反井钻机凿井，则实现反井施工机械化。
根据钻机安装位置、导孔和扩孔钻进方向，目前我国反井钻机分为三类（表1）：
表1     三种类型反井钻机比较

钻机         类别 项目	第I类	第II类	第III类
钻机安装位置	上水平	下水平	下水平
导孔方向	由上向下	由下向上	无导孔
拆导孔钻头接扩孔钻头位置	下水平	上水平	——
扩孔方向	由下向上	由上向下	由下向上
扩孔出渣	下水平	下水平	下水平
适用条件	上下水平都有巷道	上下水平都有巷道	下水平有巷道
优点	钻机和出渣在两水平互不干扰，工作条件好；受地质条件影响小；钻孔垂直度容易控制。	钻机功率小，相对体积和重量小。	可以在上水平没巷道时采用
缺点	导孔钻进难度大，需要的辅助设备较多。	出渣和钻进相互影响；一次扩孔直径较小，需要分级扩孔；钻孔垂直度难以保证。	钻机功率大；钻具较复杂；出渣和钻进相互影响。

第一类，反井钻机安装在上水平，由上水平向下钻进导孔，在下水平拆导孔钻头，接扩孔钻头，由下向上扩孔。
第二类，钻机安装在下水平，由下水平向上钻进导孔，在上水平拆导孔钻头，接扩孔钻头，由上向下扩孔。
第三类，钻机安装在下水平，由下水平全断面向上水平钻进，一次成孔。
例如，北京建井研究所研制的LM系列、南京煤研所研制的AF系列、长砂矿山研究院研制的ATY系列、从美国引进的83RM-HE型和从芬兰引进的Rhino1000型为第一类；从西德引进的PLEH1200型为第二类；重庆煤研所仿制苏联飞箭-77的ZOQ100/100型为第三类。
2．利用反井钻机施工井筒
对于改扩建和某些下水平有生产系统的井筒，可以利用反井钻机施工。该工艺主要包括用反井钻机钻溜矸孔和用爆破法刷大。这种方法充分利用反井钻机施工小直径钻孔速度快、质量好和钻眼爆破法破岩效率高等特点，实现井筒快速施工。这种施工工艺和普通法施工工艺比较有以下优点：
（1）破岩效率高
反井钻机施工溜矸孔时破碎下来的岩石靠本身自重落到下水平，避免了普通钻井方法重复破碎，因此破岩效率高。扩孔刷大时，由于有溜矸孔的自由面存在，使爆破效率提高（钻爆法炮眼利用率一般在85%）。采用这种方法施工，精心布置炮眼，可将爆破效率提高5%~10%，并且有利于实现深孔光面爆破。
（2）提高装岩速度
装岩是普通法施工循环中最繁重的工作，消耗工时多、效率低，通常占整个循环的50%以上。 我国虽然已拥有斗谷0.4m³、0.565m³，0.6m³的多种型号的抓岩机，但装岩速度仍很低，直接影响了掘进速度，因此，加快凿井速度的关键在于提高装岩速度。采用反井钻机钻出溜矸孔后，爆破下来的矸石直接落到下水平巷道，用耙斗装岩机将矸石装入矿车，由井下生产系统运往地面，与普通施工法的抓岩机将矸石抓入吊桶提升到地面，经翻矸台、溜矸槽装入矿车或汽车的装运方式相比效率提高很多。正是由于利用反井钻机施工井筒，很好地解决了矸石的装运问题，所以可以提高凿井速度，同时由于吊桶只作人员和材料运输，吊桶容积和绞车的型号都可减小，也省掉了翻矸台和溜矸槽等设施。
（3）井壁质量高
    采用反井钻机钻出溜矸孔，为光面爆破创造了良好的条件，减小对围岩的破坏作用；可采用锚喷作临时支护和液压滑模作永久支护，减少井壁接茬，提高井壁质量。
（4）节省通风和排水设备
普通法施工井筒，需安设临时通风设备和提吊系统，而反井钻机钻出溜矸孔后，可以利用井下原有的通风系统，解决掘进过程中的通风问题。同时井筒的涌水可以从溜矸孔流到井下，由井下泵站排到地面，节省吊泵等临时排水设备，降低成本，提高掘进速度。
然而每个井筒的条件都不尽相同，应作具体分析，采取不同的施工方案，以上介绍的不同类型反井钻机，为不同条件下井筒施工提供了设备保障（表2）。由于反井法施工井筒需要有下水平巷道，因此，在井巷设计和施工排队时就要作统筹考虑，以便能利用这种工艺，快速、经济地完成井筒施工。例如，在表土浅或没有表土的井田，选择开拓布置方案时，尽量避免建井初期开凿大直径风井，以采区风井为主的通用方式。根据采区的生产能力和服务年限，当一个或相邻的几个采区共用一个风井，需风量不足时，可直接利用反井钻机钻孔通风；当服务年限长，需风量大，将钻孔再刷大到所需直径，这样即可减少建井初期投资，又可简化通风系统。又如，新建矿井一般有两个或三个井筒相距较近，主、副井相距几十米，这样可先用普通法施工完一个井，形成出渣系统；然后，再利用反井钻井施工另一口井。采取混合方式开拓的井田，如斜井一立井或平峒—立井开拓，可以先施工斜井或平峒，再用反井钻井法施工立井。
3．工程实例
随着我国煤炭工业的发展，每年都有新建井筒和改扩建井筒工程，其中部分井筒我们尝试采用反井钻井法施工，取得了较好的经济效益和社会效益。
（1）焦家寨煤矿副立井
焦家寨矿副立井是该矿扩建的关键工程。该井深309m，净直径6.5m，上部主要以卵石为主的冲积层，含水丰富；下部为二迭系上石盒子组，下石盆子组、山西组、石炭类系太原群，岩石以砂岩、砂页岩、页岩和煤为主。根据井筒地质条件确定了“冲积层段采用降水疏干加局部注浆，基岩段采用反井钻机钻凿溜矸孔，然后，爆破刷大成井的施工方案。1991年2月完成冲积层段施工，下部基岩段的反井施工采用前面介绍的第二种方案，采用LM-120型反井钻机。1991年7月12日下放钻机，到8月16日完成236m的基岩段钻进。
（2） 蒋庄煤矿南风井
枣庄矿业集团蒋庄煤矿进行通风系统改扩建新建一回风井，井深272m，净径4.5m，上部125m表土段采用冻结法施上。为加快基岩段施工速度，充分利用矿原有生产系统，采用LM-120型反井钻机钻进溜矸孔，然后再刷大的施工方案。2002年4月14日反井钻机下井，到4月28日，钻成直径1.2m，深度147m，钻孔偏差300mm的溜矸孔，然后爆破刷大，用时1.5个月，快速完成基岩段凿井工作，为该矿增产创造了有利条件。
（3）       许疃煤矿副井
许疃煤矿副井井筒，上部表土段深度300m，采用钻井法凿井，成井直径6.5m。由于该矿主井、风井已形成生产系统，确定基岩段采用反井钻机施工溜矸孔，然后再刷大的施工方案。溜矸孔直径1.2m，钻孔深度139m，钻孔时间9d，现正进行扩挖和支护工作。
4．结语
    利用反井钻井法施工井筒，可以充分利用井筒上下的生产系统实现快速施工，可降低1/3~1/2的工程造价，并且安全可靠，经济效益和社会效益显著。这种工艺除了应用于改建、扩建井筒之外，还可以从井巷设计上创造条件，使其应用到一些新建井筒。