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应用背景
巴基斯坦一矿井在开拓竖井的过程中遇到了社区环境限制的难题。
竖井参数:直径2m,深度100m,竖井贯通井下已开拓巷道,作为进风等用途。
竖井地层:致密砂岩、灰岩等,岩石最大单轴抗压强度为80MPa左右。
环境限制:由于地面社区环境限制,不允许放炮震动,所以无法采用传统的打眼放炮方式开拓,因此寻求此种情况下的解决方法。
解决方法
对于竖井普通施工的一般顺序是:自上而下掘进,当井筒达到一个段高后,再由下向上砌壁,掘进和砌壁交替进行。每一段高内的工艺顺序为先打眼放炮,再装岩出矸,最后进行砌壁。
由于社区环境限制,无法使用炮掘,因此推荐采用反井钻机工艺进行竖井开拓。
施工工艺
反井钻机施工工艺包括导孔钻进和扩孔钻进。即先钻进正导孔,再进行反扩孔,具体如图1所示。
图1 正导孔(左)和反扩孔(右)钻进工艺示意图
反井钻进工艺原理是通过钻机的电机带动液压马达,液压马达驱动动力头,利用液压动力将扭矩传递给钻具系统,带动钻杆及钻头旋转,钻头上的滚刀在钻压的作用下,沿井底岩石工作面纯滚动和微量滑移。同时,主机油缸产生的轴向拉、压力,也通过动力头,钻杆作用在钻头上,使钻头的滚刀在钻压作用下滚动,产生冲击载荷,使滚刀齿对岩石产生冲击、挤压和剪切作用,破碎岩石。
对于导孔钻进,被破碎的岩屑在导孔钻进时被正循环的洗井液冲洗,岩屑沿着钻杆与孔壁间的环形空间由洗井液提升至钻孔外(如图2所示)。
图2 反井钻机正向导孔工艺
图中 1-动力头 2-钻杆 3-导孔钻头 4-从泥浆泵压入的泥浆 5-从环形空间返回的携带岩渣泥浆 6-泥浆循环池 7-泥浆泵
对于反向扩孔钻进,岩屑靠自重直接落到下部巷道内,再由装岩机或其他方式及时清理运出(如图3所示)。
图3 反井钻机反向扩孔工艺
在本例中,采用ZFY2.5/400(LM-400)反井钻机开拓,先钻270mm导孔,直至导孔钻透下部巷道,将导孔钻头卸下,接上直径2m的扩孔钻头,再由下往上扩孔至地面即可。
图4 反井钻机
图5 扩孔钻头
图6 导孔钻头
反井钻机工艺与传统放炮施工法的比较
1、速度快
在传统施工方法中,需要工作人员在每一个段高下到井筒内进行打眼、放炮、出渣、支护等作业。相较于传统施工方法,反井钻机工艺存在如下优点可以显著提高施工进度:
a. 省去了打眼放炮的过程。
b. 排矸排渣由下部巷道的运输系统处理,尤其是当井筒深度更大时,反井钻机作业高效率更为明显。
c. 由于在施工过程中人员不进入井筒,并且竖井穿越岩层的岩性为致密砂岩和灰岩,不需要像传统施工方法那样及时支护防止片帮伤人。
例如在古交马兰矿北二区煤仓设计直径3m,全高112m,采用反井钻机工艺,纯导孔工作时间56.75h,纯扩孔工作时间61.5h,两项合计118.26h。类似的镇城底矿76m主煤仓采用传统钻爆方法施工作业两个多月。
2、功效高
传统施工方法工时每班劳动组织包括打眼、放炮、支护、出渣,工人体力消耗大,作业条件艰苦。由上例,镇城底矿主煤仓每班不少于12人,每班进度2m。而采用反井钻机施工,一个班只需要4~5人即可,每小时平均推进1m。劳动强度及施工条件得到根本改善。
3、安全质量有保证
由于施工人员不进入井筒,安全条件得到保障。钻机施工的偏斜率不超过1%,并大大减少了围岩的破坏,质量得到保障。
4、成本低
钻机打反井可节约大量的材料费用,并且人员成本也相较传统施工方法低。
该案例中反井钻机的选择
1. 钻孔扩孔选择
开挖直径大的需要二次扩孔,本工程已经确定了钻孔深度、倾角、直径,根据钻孔参数选择参考表,对于本工程2m开挖直径偏斜要求低的工程可以一次钻成。
2. 钻机参数选择
虽然,此项目仅钻100m,但考虑到设备应用的扩展性等实际情况,选择采用ZFY2.5/400(LM-400)反井钻机开拓。
ZFY2.5/400(LM-400)主要技术参数如下表
HOT
技术验证如下:
由于设备向下最大推力为2450KN,远大于钻导孔所需推力,满足工程需求。下面验证扩孔拉力。
实际工作拉力=动力头重量+扩孔钻头重量+钻杆重量+最大钻压
其中:动力头及油缸重量40KN
扩孔钻头重25KN
钻杆重量=155KG/m*400m*9.8N/KG=607.6KN
最大钻压可参考下表,若速度为1500mm/h,在岩石抗压强度80MPa下,钻压=477.5kN
则实际工作拉=40+25+607.6+477.5=1150.1KN
表1 (D=2.0m)钻速与钻压的关系
一般要求实际工作拉力不超过钻机设计最大提升力的60%。本例选择的ZFY2.5/400(LM-400) 扩孔最大拉力为3000KN,实际工作拉力/最大拉力比是38%,满足需求。
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