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      天井鉆機(jī)掘進(jìn)高深天溜井在大紅山鐵礦的應(yīng)用及發(fā)展前景

      2016-08-11 11:04:05梁琨鋒李雪明楊國(guó)永
      大科技 2016年16期
      關(guān)鍵詞:天井采礦工程鐵礦

      梁琨鋒 李雪明 楊國(guó)永

      (玉溪大紅山礦業(yè)有限公司云南 玉溪 653405)

      天井鉆機(jī)掘進(jìn)高深天溜井在大紅山鐵礦的應(yīng)用及發(fā)展前景

      梁琨鋒 李雪明 楊國(guó)永

      (玉溪大紅山礦業(yè)有限公司云南 玉溪 653405)

      本文首先介紹反井鉆機(jī)法與傳統(tǒng)方法施工天溜井的優(yōu)劣比選,結(jié)合大紅山鐵礦二期工程實(shí)際情況,采用BMC300型反井鉆機(jī)結(jié)合吊罐法擴(kuò)刷溜井成井技術(shù)工藝,并在大紅山鐵礦二期溜井成功應(yīng)用。其次介紹天井鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中存在的施工問題預(yù)防、處理,為溜井及天井等豎向工程的施工積累了施工經(jīng)驗(yàn)。最后介紹國(guó)內(nèi)外大直徑天井鉆機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展前景,為大直徑天井鉆機(jī)可在大紅山鐵礦等類似礦山的應(yīng)用值得推廣和借鑒。

      天井鉆機(jī);天溜井;鉆進(jìn);大直徑;前景

      1 引言

      近幾年來,國(guó)外各主要制造廠為深部開采和堅(jiān)硬巖石制造了大扭矩、大推力的天井鉆機(jī)。隨著天井鉆機(jī)的進(jìn)步和發(fā)展,天井鉆機(jī)功率已由75kW發(fā)展到750kW,擴(kuò)孔直徑可達(dá)到7.1m,鉆孔深度達(dá)到1500m。目前,Atlas copco的Robbins系列、Wirth公司的HG系列、Tamtock公司Rhino系列天井鉆機(jī)在當(dāng)前市場(chǎng)同類產(chǎn)品中,處于領(lǐng)先地位,在世界各地礦山都得到了廣泛應(yīng)用。隨著我國(guó)鉆機(jī)技術(shù)的研究開發(fā),目前國(guó)內(nèi)天井鉆機(jī)功率可達(dá)到285kW,擴(kuò)孔直徑可達(dá)到5m,且在國(guó)內(nèi)已應(yīng)用先例,取得良好的效果。昆鋼大紅山鐵礦在Ⅰ號(hào)銅礦帶150萬(wàn)/a采礦工程溜破系統(tǒng)主溜井施工時(shí),大膽采用反井技術(shù)施工上礦倉(cāng)主溜井,并取得良好的效果,為400萬(wàn)t/a二期工程及二道河礦段100萬(wàn)t/a采礦工程高深天溜井的施工積累寶貴經(jīng)驗(yàn)和奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

      2 二期工程概述

      2.1 工程簡(jiǎn)述

      大紅山鐵礦深部鐵礦有表內(nèi)儲(chǔ)量2.80億t,主要礦體為Ⅱ1礦組,共有表內(nèi)儲(chǔ)量2.45億t,TFe43.52%,占全礦詳勘表內(nèi)礦量的79.73%,B+C級(jí)儲(chǔ)量1.94億t,TFe43.84%,占詳勘表內(nèi)B+C級(jí)儲(chǔ)量的89.74%,主要階段的階段儲(chǔ)量近5000萬(wàn)t,相當(dāng)于一般的中型鐵礦山儲(chǔ)量,有大規(guī)模開采的條件,首期開拓系統(tǒng)的控制標(biāo)高定為380m水平以上。一期工程于2006年底建成投產(chǎn)后,生產(chǎn)順利,為滿足昆鋼對(duì)鐵礦石的急需,產(chǎn)量提升很快,第二年就超過了設(shè)計(jì)能力,目前產(chǎn)量達(dá)到了500萬(wàn)t/a以上,現(xiàn)在保有地質(zhì)資源/儲(chǔ)量4366.8萬(wàn)t。400m標(biāo)高以下的礦體開拓由已建成的膠帶系統(tǒng)、斜坡道、進(jìn)回風(fēng)系統(tǒng)、輔助盲豎井系統(tǒng)下延控制+50m標(biāo)高以上礦體,于0m水平新建破碎系統(tǒng),形成深部二期開拓系統(tǒng),二期采礦工程是一期采礦工程的下延,開采礦體為Ⅱ1礦組的深部,是大紅山鐵礦持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的重要工程,二期采礦工程按美20m布置分段(首采分段為30m),進(jìn)路間距20m。在180m設(shè)集中運(yùn)輸水平,礦(廢)石經(jīng)溜破系統(tǒng),用膠帶(廢石用箕斗井)運(yùn)送到地表進(jìn)行選礦,作為連接各開采分段的溜井工程就成為二期工程能否按節(jié)點(diǎn)與一期工程順利銜接的關(guān)鍵線路,二期采礦工程共有41條溜井,220m的高溜井達(dá)15條之多,為保證二期溜井安全、優(yōu)質(zhì)、快速的與各開采分段貫通,二期溜井采用反孔鉆機(jī)配合吊罐進(jìn)行施工。

      2.2 工程地質(zhì)情況

      深部Ⅱ1礦組是大紅山鐵礦品質(zhì)最好,礦量最大的資源,為礦區(qū)最主要的鐵礦帶。Ⅱ1礦組頂板為變鈉質(zhì)熔巖、絹云片巖及Ⅲ1含銅鐵礦體;底板多與輝長(zhǎng)輝綠巖體接觸,南北兩翼多與輝長(zhǎng)輝綠巖、白云石鈉長(zhǎng)石巖接觸,接觸界面清楚,礦體內(nèi)夾石與圍巖巖性一致,為變鈉質(zhì)熔巖,圍巖及夾石平均含TFe17%左右。巖體總的來看屬堅(jiān)硬至半堅(jiān)硬巖類,完整的礦巖強(qiáng)度高,巖性比較好,節(jié)理裂隙不發(fā)育,巖體穩(wěn)固,巖石硬度系數(shù):f=8-10具體情況見表1。

      2.3 水文地質(zhì)情況

      鐵礦體賦存于大紅山群裂隙含水層中,該含水層主要由變鈉質(zhì)熔巖、凝灰?guī)r、不純的白云石大理巖以及以黑云母、角閃石、綠泥石等為主的各種片巖組成,且有較多的輝長(zhǎng)輝綠巖侵入。裂隙是地下水集存和運(yùn)移的主導(dǎo)條件,富水規(guī)律受巖層裂隙發(fā)育規(guī)律的控制,總的富水規(guī)律是淺強(qiáng)深弱,往深部漸至隔水,從以往的施工和生產(chǎn)情況看,坑道涌水量小于5m3/h,無特殊軟弱地層和溶洞,水文地質(zhì)情況簡(jiǎn)單。

      表1 大紅山鐵礦巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果表

      3 應(yīng)用、實(shí)踐效果

      針對(duì)目前大紅山鐵礦二期采礦工程溜井6-5、5-4等溜井在30m、100m、150m將鉆桿全部拆除,通過測(cè)斜儀進(jìn)行測(cè)量。若發(fā)生少量偏移,可采用變化鉆具組合和變化鉆壓的方法進(jìn)行糾偏;也可采用潛孔馬達(dá)和一個(gè)彎接頭糾偏;還可以采用充填偏斜孔段,重新鉆孔的方法解決。

      表2 鉆孔偏斜率計(jì)算表

      大紅山鐵礦二期溜井使用BMC300型反井鉆機(jī)直接施工導(dǎo)井,通過對(duì)反井鉆機(jī)在溜井施工中產(chǎn)生偏斜的原因分析與采取的糾偏措施,采用吊罐法擴(kuò)刷成井,成功解決了溜井施工中通風(fēng)、排水,安全隱患大、協(xié)調(diào)困難等難題;大大提高了溜井施工速度,加快了二期采礦工程的建設(shè)進(jìn)度,為今后高溜井、天井等豎向工程施工提供了借鑒作用。

      4 天井鉆機(jī)應(yīng)用發(fā)展前景

      4.1 天井鉆機(jī)掘進(jìn)技術(shù)展望

      天井鉆機(jī)正朝著大、小、深、盲、斜、智能化和兩級(jí)邁步式擴(kuò)孔刀頭的方向發(fā)展。

      (1)鉆井直徑不斷增大。國(guó)內(nèi)天井鉆機(jī)的量大鉆井直徑僅為5m,而國(guó)外已達(dá)7.1m。根據(jù)隧道通風(fēng)井和豎井工程的要求,還將發(fā)展更大直徑的天井鉆機(jī)。

      (2)鉆機(jī)低矮小巧化。對(duì)于巖石不太穩(wěn)固的礦山,希望鉆機(jī)工作硐室矮,運(yùn)輸巷道斷面小,以減少安全支護(hù)費(fèi)用。國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)的低矮型天井鉆機(jī)的工作高度僅為2.6~2.8m,設(shè)備運(yùn)輸寬度(最?。┎坏?m。

      (3)鉆井越來越深。隨著采礦技術(shù)的發(fā)展,有些新出現(xiàn)的先進(jìn)采礦方法往往要求加大中段高度,從而增加了天井的一次掘進(jìn)長(zhǎng)度。尤其是一些需要改造的老礦山,有許多更長(zhǎng)的天井要掘進(jìn)。用普通法極難掘進(jìn)這么長(zhǎng)的天井。我國(guó)天井鉆機(jī)的設(shè)計(jì)鉆進(jìn)深度一般在150~300m,最深的也才600m。國(guó)外天井鉆機(jī)的設(shè)計(jì)鉆進(jìn)深度最深已達(dá)1200m,今后還會(huì)突破。

      (4)盲天井鉆機(jī)穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展。盲天井廣泛使用在地下采礦的探礦和開拓中。1967年美國(guó)Calweld公司為新墨西哥鈾礦設(shè)計(jì)了世界首臺(tái)盲天井鉆機(jī)(VTB)。然而直到1983和1984年,成熟的盲天井鉆機(jī)產(chǎn)品——德國(guó)Wirth公司的BHB152型和美國(guó)RobbinsRH型盲天井鉆機(jī)才問世。1985年初,瑞典公司開始研制新一代盲天井鉆機(jī),印MBM型多用途鉆機(jī)。這種鉆機(jī)取消了傳統(tǒng)的鉆桿,采用邁步移動(dòng)式,印鉆機(jī)進(jìn)入井內(nèi)鉆進(jìn).并運(yùn)用了計(jì)算機(jī)控制和激光制導(dǎo)等先進(jìn)技術(shù)。我國(guó)于20世紀(jì)90年代中期,成功研制出國(guó)內(nèi)第一代盲天井鉆機(jī)——ATM1200型和ATM15OO型盲天井鉆機(jī)。

      (5)鉆進(jìn)傾角越來越小。國(guó)內(nèi)天井鉆機(jī)的鉆進(jìn)角度(與水平線夾角)一般為60~90°,斜天井鉆機(jī)能鉆45°的斜井,而國(guó)外的天井鉆機(jī)大都能鉆45~90°的天井。早在20世紀(jì)70年代,澳大利亞蒙特艾薩銅礦用鉆機(jī)就鉆出傾角56°、深104m的天井,美國(guó)考恩昌加礦鉆成傾角24°、深110m和傾角21.5°、深120m的平緩天井。芬蘭公司生產(chǎn)的1000型鉆機(jī)和日本Koken公司生產(chǎn)BM型鉆機(jī)的鉆進(jìn)角度范圍更大,能鉆0~90°的天井。英吉利海峽兩條海底之間的多條水平聯(lián)絡(luò)巷遭就是用芬蘭的1000E型鉆機(jī)鉆成的。

      (6)智能化鉆機(jī)。1983年,瑞典Copco公司采用計(jì)算機(jī)控制的智能式R200天井鉆機(jī),在加拿大一礦山完成了一條天井鉆進(jìn)試驗(yàn)。智能化鉆機(jī)能根據(jù)巖石的硬度、節(jié)理發(fā)育情況和鉆進(jìn)深度等因素,自動(dòng)調(diào)整鉆機(jī)的推力、拉力、轉(zhuǎn)數(shù)、扭矩、推進(jìn)速度等鉆進(jìn)參數(shù),使之達(dá)到最優(yōu)鉆進(jìn)參散匹配,得到較高的穿孔速度和鉆具使用壽命。

      (7)兩級(jí)邁步式擴(kuò)孔刀頭。兩級(jí)邁步式擴(kuò)孔刀頭是用小型鉆機(jī)鉆大直徑天井的一個(gè)有效途徑。德國(guó)Wirth公司于20世紀(jì)80年代中期,率先研制出兩級(jí)邁步式擴(kuò)孔刀頭,分別在南非和澳大利亞礦山投入使用。用擴(kuò)孔能力4000mm的HG330型天井鉆機(jī)一次鉆出6000mm的天井,取得較好的效果。我國(guó)20世紀(jì)90年代中期開始研制兩級(jí)邁步式擴(kuò)孔刀頭,現(xiàn)已取得階段性成果。

      (8)無軌自行式天井鉆機(jī)運(yùn)輸車。我國(guó)大、中型現(xiàn)代化礦山正朝著無軌化方向發(fā)展。鏟運(yùn)機(jī)、鑿巖臺(tái)車、錨桿臺(tái)車、服務(wù)臺(tái)車、井下運(yùn)輸車、拋石充填車和裝藥車等等均已實(shí)現(xiàn)無軌化。目前國(guó)內(nèi)各種天井鉆機(jī)基本上為軌輪式運(yùn)輸或靠其他輔助設(shè)備運(yùn)輸。因此,需要發(fā)展履帶式和輪胎式天井鉆機(jī)自行運(yùn)輸車,以適應(yīng)現(xiàn)代化礦山的發(fā)展方向。

      4.2 在大紅山鐵礦應(yīng)用前景

      即將建設(shè)的二道河工程井下兩條220m長(zhǎng)的回風(fēng)井、3條回風(fēng)斜井、12條溜井,部分溜井高度達(dá)到300m以上。二期、二道河溜井施工,可采用直接鉆進(jìn)成3m溜井,人員無需進(jìn)入溜井作業(yè),保證施工安全,提高了掘進(jìn)效率,且鉆井對(duì)于圍巖穩(wěn)定性基本無破壞,可以減少溜井的支護(hù)工程量,減少支護(hù)費(fèi)用,降低成本。

      隨著工業(yè)的進(jìn)步和技術(shù)的不斷創(chuàng)新,大直徑天井鉆機(jī)的研究和發(fā)展,大直徑天井鉆機(jī)制造技術(shù)得到提供,設(shè)備成本有所降低,在掘進(jìn)天溜井應(yīng)用必將越來越廣泛。國(guó)內(nèi)大直徑天井鉆機(jī)研究和開發(fā),其它礦山的應(yīng)用和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累,必將能使國(guó)內(nèi)大直徑天井鉆機(jī)掘進(jìn)天溜井技術(shù)得到長(zhǎng)足的進(jìn)步。因此,大直徑天井鉆機(jī)在大紅山鐵礦應(yīng)用是必然的,這也是發(fā)展趨勢(shì)。

      [1]謝長(zhǎng)標(biāo)、汪炳昌.國(guó)外大直徑天井鉆機(jī)現(xiàn)狀[J].采礦技術(shù),2010(09).

      [2]采礦手冊(cè)編委會(huì).《采礦手冊(cè)》(第二卷)[M].工業(yè)出版社出版,1990(12).

      李雪明(1972.4-),男,采礦高級(jí)工程師,研究生,主要從事礦山管理工作。

      P634.3+1

      A

      1004-7344(2016)16-0151-02

      2016-4-10

      梁琨鋒(1987-),男,助理工程師,本科,主要從事采礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

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