國產(chǎn)天井鉆機(jī)在贊比亞謙比希銅礦的應(yīng)用研究*

天井鉆機(jī)在天井施工中不僅安全高效而且作業(yè)環(huán)境好，因此在井下各類天井施工中的應(yīng)用越來越普遍。詳細(xì)介紹了國產(chǎn)天井鉆機(jī)AT2000在贊比亞謙比希銅礦主西礦體的應(yīng)用，分析了天井鉆機(jī)在實(shí)際施工中的關(guān)鍵技術(shù)，并根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提出了相應(yīng)的建議，為今后進(jìn)一步提高天井鉆機(jī)的安全性和工作效率起到了一定的指導(dǎo)作用。

天井施工；天井鉆機(jī)；謙比希銅礦

當(dāng)前謙比希銅礦正在生產(chǎn)的礦體有主、西礦體，兩個(gè)礦體均采用豎井、斜坡道聯(lián)合開拓。主礦體采用崩落法、嗣后充填法和上向水平分層法多種采礦方法開采，西礦體采用上向水平分層法開采。由于兩個(gè)礦體走向較長(zhǎng)，均為2 km左右，同時(shí)根據(jù)無軌設(shè)備的合理運(yùn)距要求，將出礦溜井距離控制在120～150 m，因此生產(chǎn)溜井?dāng)?shù)目較多，運(yùn)用傳統(tǒng)鉆爆法施工溜井不僅安全性低，而且施工周期長(zhǎng)，嚴(yán)重制約礦山生產(chǎn)能力的提高。另外，根據(jù)當(dāng)?shù)胤煞ㄒ?guī)，當(dāng)天井高度超過30 m時(shí)，不得使用手抱鉆施工。AT2000天井鉆機(jī)的投入使用，提高了天井施工的安全性和工作效率，為生產(chǎn)任務(wù)的順利完成提供了可靠保障。

1 天井施工方法比較

天井施工方法有普通法、吊罐法、深孔爆破法和天井鉆機(jī)鉆進(jìn)法[1]。

其中普通法在國內(nèi)使用最多，普通法自下而上掘進(jìn)天井，此法不受巖石條件和天井傾角的限制，但作業(yè)環(huán)境較差，安全風(fēng)險(xiǎn)高，每個(gè)循環(huán)都需要架設(shè)一次工作平臺(tái)，當(dāng)天井高度較大時(shí)不適合采用普通法。普通法的月進(jìn)尺只有20～30 m[2]。

吊罐法使用吊罐代替普通法中的工作平臺(tái)，工作平臺(tái)在爆破前下放避炮，作業(yè)時(shí)提升到工作面。與普通法相比，吊罐法機(jī)械化程度高，工序相對(duì)簡(jiǎn)單，可大大縮短循環(huán)時(shí)間而且成本也降低很多。但是吊罐法只適用于中等硬度以上巖石，吊罐升降如協(xié)調(diào)不好，易發(fā)生安全事故。采用吊罐法掘進(jìn)天井的高度，一般以30～60 m為宜[3￣4]。

吊罐法和普通法都需上升到井筒工作面作業(yè)，因此無法避免粉塵、有毒有害氣體和浮石等危險(xiǎn)因素。

深孔爆破和天井鉆機(jī)鉆進(jìn)法不需要進(jìn)入工作面，安全性大大提高。深孔爆破法按照天井?dāng)嗝娉叽缪靥炀咩@鑿一組平行深孔通過分段爆破形成天井。這種方法具有安全性高、作業(yè)條件好、勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)，但是這種方法施工作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求高，在高天井作業(yè)時(shí)，鉆進(jìn)速度慢，孔的偏斜大[5]。

鉆進(jìn)法掘進(jìn)天井時(shí)先從上向下鉆鑿導(dǎo)向孔，然后從下向上擴(kuò)孔，施工機(jī)械化程度高，掘進(jìn)速度快，功效高。通過機(jī)械鉆進(jìn)，井壁規(guī)整，成井質(zhì)量高。因此，鉆進(jìn)法是天井施工發(fā)展方向之一[6￣9]。

2 國產(chǎn)AT2000天井鉆機(jī)用途及特點(diǎn)

AT2000主要用于地下礦山的溜井、風(fēng)井、管道井的掘進(jìn)。施工深度可達(dá)120 m，井筒傾角60°～90°。該天井鉆機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、鉆進(jìn)平穩(wěn)的特點(diǎn)，采用AT2000施工天井可大大改善作業(yè)環(huán)境，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短成井時(shí)間[10]。其主要技術(shù)性能參數(shù)見表1。

3 AT2000天井鉆機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 施工設(shè)計(jì)

以主礦體633 mL～700 mL的56#溜井為例，施工設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

表1 AT2000型天井鉆機(jī)基本性能參數(shù)

圖1 主礦體633 mL～700 mL 56#溜井設(shè)計(jì)

3.2 鉆機(jī)硐室準(zhǔn)備與設(shè)備安裝

首先根據(jù)無軌設(shè)備施工參數(shù)和AT2000型天井鉆機(jī)的外形尺寸要求，按照施工設(shè)計(jì)圖完成鉆機(jī)硐室的施工。鉆機(jī)硐室尺寸要求：高4～4.5 m、寬5 m、長(zhǎng)4.8 m。鉆機(jī)硐室刷擴(kuò)過高不利于支撐桿穩(wěn)定地支撐到硐室頂板，施工中容易產(chǎn)生偏斜。在測(cè)量人員放好開口點(diǎn)坐標(biāo)后，澆筑鉆機(jī)混凝土基礎(chǔ)，強(qiáng)度要求不低于C25。

待鉆機(jī)平臺(tái)混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后，轉(zhuǎn)運(yùn)天井鉆機(jī)主機(jī)及相關(guān)備件，并且按先后順序完成天井鉆機(jī)的安裝。同時(shí)測(cè)量人員按照設(shè)計(jì)方位和傾角對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行校核。安裝完成后如圖2所示。

3.3 導(dǎo)孔的施工

導(dǎo)孔直徑為260 mm，從上往下施工，在導(dǎo)孔施工中產(chǎn)生的廢渣通過高壓水排出，要及時(shí)清理孔周圍堆積的廢渣。導(dǎo)孔施工平均鉆進(jìn)速度為0.667 m/h，臺(tái)班效率為8.0 m/臺(tái)班。

3.4 擴(kuò)孔的鉆進(jìn)

導(dǎo)孔鉆透下部中段后，根據(jù)透孔位置確定是否達(dá)到擴(kuò)孔刀盤的安裝要求。刀盤安裝后，因滾刀未全部緊貼巖面，因此開始擴(kuò)孔要保持較慢速度并控制好推進(jìn)壓力，在刀盤完全進(jìn)入天井后以正常速度擴(kuò)孔。正常擴(kuò)孔狀態(tài)的推進(jìn)壓力為8～10 MPa，回轉(zhuǎn)壓力為12～16 MPa。并需要根據(jù)實(shí)際擴(kuò)孔遇到的巖石強(qiáng)度情況和鉆孔深度對(duì)推進(jìn)壓力和回轉(zhuǎn)壓力進(jìn)行適度的調(diào)整。擴(kuò)孔產(chǎn)生的廢渣直接掉落至底板，使用鏟運(yùn)機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)廢渣。擴(kuò)孔直徑為2 m，平均鉆進(jìn)速度為0.332 m/h，臺(tái)班效率為4.0 m/臺(tái)班。

圖2 天井鉆機(jī)安裝

4 AT2000天井鉆機(jī)施工的關(guān)鍵技術(shù)

除了在施工中要關(guān)注推進(jìn)壓力和回轉(zhuǎn)壓力，還需要注意以下關(guān)鍵技術(shù)[11￣12]。

(1) 導(dǎo)孔精度控制。導(dǎo)孔鉆進(jìn)6～10 m后，須要測(cè)量人員校核導(dǎo)孔的方位和傾角，如果誤差超過允許值，須停止導(dǎo)孔繼續(xù)施工，通過對(duì)已完成的導(dǎo)孔灌注高強(qiáng)度的水泥漿或者重新開口來確保導(dǎo)孔的準(zhǔn)確。

(2) 泥質(zhì)巖施工。如巖石含有泥質(zhì)巖，并且粘性較大，施工導(dǎo)孔時(shí)要進(jìn)行連續(xù)施工。如需暫停施工須上提2根鉆桿，防止導(dǎo)孔施工產(chǎn)生的廢渣沉淀至孔底而堵塞鉆頭。

(3) 擴(kuò)孔作業(yè)安全。刷擴(kuò)廢渣在天井井筒內(nèi)的堆積高度不能超過5 m，因刷擴(kuò)采用濕式作業(yè)，同時(shí)刷擴(kuò)廢渣較細(xì)，堆積高度過大不僅造成堵孔，給疏通工作帶來極大風(fēng)險(xiǎn)，而且在鏟運(yùn)機(jī)清理時(shí)，堆積的廢渣可能會(huì)形成泥石流，對(duì)人員和設(shè)備帶來很大的安全隱患。

5 AT2000天井鉆機(jī)的改良建議

為進(jìn)一步提高該鉆機(jī)的安全性和施工效率，通過對(duì)AT2000型天井鉆機(jī)在實(shí)際施工中的觀察提出以下改良建議。

(1) 天井鉆機(jī)實(shí)際以鋪設(shè)在混凝土基礎(chǔ)上的鋼軌作為支座，不僅要求鉆機(jī)巷道長(zhǎng)度長(zhǎng)，而且不夠穩(wěn)定，若天井鉆機(jī)底座預(yù)設(shè)螺栓孔，通過在混凝土中預(yù)埋地腳螺栓來固定鉆機(jī)，可以確保鉆機(jī)施工中更加穩(wěn)固，減小偏斜率。

(2) 由于天井鉆機(jī)鉆桿和刀盤的自重，在施工一定角度和深度的斜天井時(shí)，所用的扭矩較大，因此作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的天井鉆機(jī)，其鉆桿和刀盤的絲扣若采用雙螺紋較堅(jiān)固，不易發(fā)生絲扣處的斷裂。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中發(fā)生因鉆桿損傷導(dǎo)致鉆桿斷裂事故，造成了工期的延長(zhǎng)。因此實(shí)際施工中要對(duì)鉆桿(包括穩(wěn)定桿上的穩(wěn)定塊)進(jìn)行不定期檢查，如采用超聲波探傷儀來檢測(cè)鉆桿的裂紋損傷，以降低風(fēng)險(xiǎn)，避免類似事故的發(fā)生。

6 結(jié) 論

(1) 該天井鉆機(jī)成井速度快、生產(chǎn)效率高、安全可靠。

(2) 天井鉆機(jī)施工中，注意推進(jìn)壓力和回轉(zhuǎn)壓力，并且結(jié)合巖石性質(zhì)，控制刷擴(kuò)廢渣堆積高度，可以有效減少設(shè)備故障率，降低風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 改善天井鉆機(jī)支座結(jié)構(gòu)，增加雙螺紋，加強(qiáng)鉆桿等備件的檢測(cè)力度，可以提高設(shè)備施工效率，減少安全隱患的發(fā)生。

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[11]眭文武,周 欣.天井鉆機(jī)在吳莊鐵礦的應(yīng)用[J].礦業(yè)工程,2012,10(3):41￣43.

[12]眭文武,周 欣.天井鉆機(jī)在吳莊鐵礦的應(yīng)用[J].礦業(yè)工程,2012,10(3):41￣43.(收稿日期：2017￣06￣27)

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50774011)；教育部長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(IRT0950).

龔開福(1983-)，男，湖南寧遠(yuǎn)人，采礦工程師，碩士，主要從事采礦技術(shù)與生產(chǎn)管理工作，Email:184258058@qq.com。