反井鉆機(jī)在開磷礦山立井施工中的應(yīng)用

蹇明星,李 忠

(貴州開磷礦業(yè)總公司， 貴州 貴陽 550302)

開磷集團(tuán)擁有得天獨(dú)厚的磷礦資源，開磷礦區(qū)探明磷礦石儲(chǔ)量達(dá)10億t， P2O5平均含量33.67%，且有害雜質(zhì)少、重金屬元素鎘含量低。目前公司年生產(chǎn)能力已達(dá)坑采600萬t，計(jì)劃年生產(chǎn)能力將達(dá)到800～1000萬t。

隨著開磷采礦工藝的革新和采掘設(shè)備的大量引進(jìn)，礦山生產(chǎn)能力、工效大幅提升，礦山現(xiàn)代化建設(shè)已取得重大突破，目前礦山井下主要生產(chǎn)工藝都采用了進(jìn)口大型無軌采掘設(shè)備，而且部分鑿巖設(shè)備已采用了智能化，固定設(shè)備設(shè)施已全面實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，其礦山現(xiàn)代化程度已達(dá)到了國內(nèi)一流。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

礦區(qū)出露地層為南華系上統(tǒng)南沱組冰磧礫巖、紫紅色砂質(zhì)頁(泥)巖，震旦系上統(tǒng)陡山沱組砂巖、磷礦層及燈影組白云巖、寒武系下統(tǒng)牛蹄塘組碳質(zhì)頁巖及明心寺組灰綠色砂頁巖等。礦層底板為灰綠色細(xì)砂巖，呈中厚層狀產(chǎn)出，致密堅(jiān)硬，普氏系數(shù)f=7.3～15.9。礦層的直接底板為厚0～0.5 m的黃、灰白色硅質(zhì)頁巖，呈強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)，易產(chǎn)生滑動(dòng)。磷礦層由呈粒狀結(jié)構(gòu)，致密塊狀，條帶狀構(gòu)造的磷塊巖構(gòu)成，菱形節(jié)理發(fā)育，厚5～7 m，f=6.2～22.2。礦層的直接頂板為棕褐色，黃褐色泥質(zhì)頁巖，呈強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)，厚0～0.3 m，極不穩(wěn)固，f=2～3。上面為含錳白云巖，性脆，較破碎，厚0～2 m，f=8～10。再上為鮞狀白云巖及細(xì)晶白云巖，致密堅(jiān)硬，較穩(wěn)固，f=5.6～18.3，但局部地段存在構(gòu)造破碎帶，節(jié)理裂隙發(fā)育，甚至發(fā)育溶洞，賦存地下水及溶洞裂隙填充物。白云巖以上的為碳質(zhì)頁巖，易風(fēng)化，較軟，f=8～14.5。

2 原立井施工工藝

開磷礦山井下主要生產(chǎn)工藝都采用了進(jìn)口大型無軌設(shè)備，但其風(fēng)井、溜井等立井或斜井工程的施工，仍采用傳統(tǒng)手持式鑿巖機(jī)施工的鉆爆法自下而上(或自上而下)進(jìn)行掘進(jìn)，該方法的施工勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)安全性差，施工進(jìn)度慢等，該施工工藝機(jī)械化程度低，與礦山現(xiàn)代化建設(shè)要求不相匹配。

3 設(shè)備選型及施工工藝

目前國內(nèi)煤礦山、水利工程在井筒、導(dǎo)水孔的施工中，大量采用了反井鉆機(jī)，采取一次成井或預(yù)先施工導(dǎo)井后刷擴(kuò)的施工工藝。該施工工藝具有一次成井、井壁光滑、對圍巖破壞小、施工人員無需進(jìn)入井筒作業(yè)因而施工安全、勞動(dòng)組織簡單、工效高，勞動(dòng)強(qiáng)度低等。根據(jù)開磷礦山現(xiàn)代化建設(shè)的需要，結(jié)合礦山的地質(zhì)特點(diǎn)，開磷決定引進(jìn)反井鉆機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)和探索。

(1) 設(shè)備選型。經(jīng)過查詢，進(jìn)口與國產(chǎn)同類型的反井鉆機(jī)其價(jià)格相差近五倍，根據(jù)開磷礦區(qū)地質(zhì)特征，考慮先進(jìn)行試驗(yàn)性應(yīng)用，選取了適合開磷礦區(qū)最堅(jiān)硬巖層施工的ZFY1.8/40/250型和ZFY2.5/200型反井鉆機(jī)。該型鉆機(jī)目前主要用于煤礦山和水電系統(tǒng)豎井和斜井施工，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

(2) 工作原理。由主機(jī)通過鉆桿給鉆具部分的破巖刀具提供強(qiáng)大的工作扭矩和有效工作壓力，使破巖刀具作用于巖石上，對巖石進(jìn)行沖擊，擠壓和剪切，從而破碎巖石。鉆進(jìn)導(dǎo)孔時(shí)，破碎的巖渣被正循環(huán)的洗井液排出鉆孔；擴(kuò)孔破巖石時(shí)，產(chǎn)生的巖渣在重力作用下落入下水平巷道或硐室，被及時(shí)清理(見圖1)。

(3) 工藝流程。先從豎井上水平面由上向下鉆進(jìn)Φ250 mm導(dǎo)孔，貫通后，再在下水平面接擴(kuò)孔鉆頭，由下向上擴(kuò)孔，擴(kuò)孔直徑1.4～2.0 m。施工步驟為：作業(yè)平臺(tái)的施工→ 反井鉆機(jī)基礎(chǔ)及循環(huán)水池的施工→ 安放干凈油桶配小潛水泵做主機(jī)冷卻循環(huán)水→ 安裝反井鉆機(jī)，并進(jìn)行調(diào)試→ 由上向下鉆進(jìn)Φ250 mm導(dǎo)孔→ 導(dǎo)孔貫通后，拆掉導(dǎo)孔鉆頭，接上Φ1.4 m/Φ2.0 m擴(kuò)孔鉆頭，由下向上進(jìn)行擴(kuò)孔施工→拆除鉆機(jī)并做好防護(hù)。

表1 ZFY系列反井鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 反井鉆機(jī)工作原理示意

4 反井鉆機(jī)在開磷礦山的應(yīng)用

4.1 應(yīng)用情況總結(jié)

應(yīng)用反井鉆機(jī)分別在開磷青菜沖礦、馬路坪礦、用沙壩礦井下進(jìn)行了不同深度的溜井或風(fēng)井掘進(jìn)試驗(yàn)，涉及的巖層有不同硬度的白云巖、紅頁巖、磷礦巖、碳質(zhì)頁巖、砂巖；井筒角度大部分為90°，其中有60°和79°。在進(jìn)行1.4 m直徑井筒擴(kuò)孔試驗(yàn)成功后，進(jìn)行了2.0 m直徑井筒擴(kuò)孔試驗(yàn)，并取得了成功，現(xiàn)都按2.0 m井筒直徑進(jìn)行施工。到2013年底，共計(jì)施工豎井24條，斜井2條，完成工程量1650 m，其中最深的井筒為257 m。導(dǎo)孔施工工效平均為1.48 m/h，擴(kuò)孔施工工效平均為0.57 m/h，平均偏斜率0.49%，最大偏斜率0.7%。

4.2 應(yīng)用效果評價(jià)

(1) 社會(huì)效益。反井鉆機(jī)立井施工在開磷礦山的應(yīng)用取得了成功，該施工工藝體現(xiàn)了本質(zhì)安全和施工高效的特點(diǎn)，徹底改變了傳統(tǒng)作業(yè)方式的不安全性，并提高了礦山工程建設(shè)的工效，對企業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用。

(2) 可行性評價(jià)。從試驗(yàn)狀況來看，目前ZFY1.8/40/250型和ZFY2.5/200型反井鉆機(jī)適用于開磷礦山各類地質(zhì)條件下的井筒施工要求，施工方式連續(xù)性較好，工效遠(yuǎn)高于普通鉆爆法，而且井筒施工質(zhì)量較好。其掘進(jìn)斷面直徑目前可達(dá)2.0 m，能夠滿足于采場溜井和通風(fēng)井的使用需求。由于作業(yè)人員不直接進(jìn)入井筒內(nèi)作業(yè)，安全風(fēng)險(xiǎn)小。

5 結(jié) 論

ZFY1.8/40/250型和ZFY2.5/200型反井鉆機(jī)分別在開磷礦山中硬、硬白云巖、紅頁巖、磷礦體中進(jìn)行不同斷面、不同深度的豎井、斜井掘進(jìn)試驗(yàn)取得了成功，該施工工藝具有井壁光滑、對圍巖破壞小、施工安全，施工人員勞動(dòng)強(qiáng)度低，勞動(dòng)組織簡單、工效高等優(yōu)點(diǎn)。因此反井鉆機(jī)立井施工工藝可在開磷礦山推廣應(yīng)用，下一步將進(jìn)行直徑大于2.0 m的井筒的進(jìn)一步試驗(yàn)。 由于目前的采掘設(shè)計(jì)，大部分中段高度不大，采場溜井或措施風(fēng)井總體工程量太小，導(dǎo)致設(shè)備有效施工時(shí)間短，而轉(zhuǎn)場時(shí)間多，因此，該設(shè)備和工藝更適宜主通風(fēng)井或主溜井之類的大工程；同時(shí)由于巖層的地質(zhì)構(gòu)造對施工制約較大，甚至損傷設(shè)備，因此在工程設(shè)計(jì)時(shí)盡量回避大的地質(zhì)構(gòu)造。

參考文獻(xiàn)：

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