反井鉆井技術在黃金礦山中的應用現狀及展望

周 興，于中鵬

（1.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；2.天地科技建井研究院，北京 100013；3.山東黃金礦業（玲瓏）有限公司，山東 煙臺 265400）

金礦資源作為重要戰略資源的一種，在全球經濟發展中有著十分重要的作用。中國金礦資源儲量豐富，已有200多年的金礦開采歷史[1]。隨著淺部資源的開采殆盡，黃金礦山開發已逐步進入1000m～2000m的深部開采階段。深部開采面臨高溫高熱，井下溫度達30°以上。隨著開采深度的增加，地下巖層溫度大約以3℃/100m的梯度上升[2]。為解決深部開采的通風降溫和高效開采，急需快速建設大量的風井和溜井等井筒。普通法鑿井建設井筒，需要投入大量穩、絞車等大型設備，排出大量矸石，臨時占地面大，且安全風險高。尤其是在金礦井下施工井筒時，巷道狹窄，井下空間十分逼?，大型設備的運輸、安裝等諸多困難因素，導致井筒施工工效大為降低，建設工期成倍增加。反井鉆井技術是采用反井鉆機鉆井法施工。設備及人員全部位于上水平作業平臺，不需要進入井筒，完全采用機械破巖的施工方法。該方法從根本上改善了作業條件，降低勞動強度，安全系數高。且能充分利用井下已有生產系統，施工速度快、井筒質量好、臨時占地少。井筒施工完成后，能迅速恢復原有生產功能。反井鉆機機械破巖掉落的巖石粒徑均勻，基本控制在35mm左右，可以直接作道渣和路渣使用。

1 反井鉆井技術的發展現狀

國內已生產十幾種型號的反井鉆機，在金礦應用比較廣泛的包括北京中煤礦山工程有限公司（天地科技建井研究院）研制的LM和BMC系列反井鉆機、長沙礦山研究院研制的AT系列天井鉆機和湖南創遠高新研制的CY-R系列移動式天井鉆機。目前，國內反井鉆機鉆井技術的發展現狀主要體現以下幾方面：

（1）反井鉆機設備方面。其中由天地科技建井研究院研制的BMC600大直徑反井鉆機，采用多油缸推進、多馬達推動、雙導向柱、新型可拆卸鉆架結構。鉆孔直徑5.0m，鉆井深度600m，為國內目前最大的反井鉆機。鉆機設備性能的大大提高，不但加大了鉆井直徑和深度，同時加快了井筒施工速度，擴展了反井應用范圍。反井鉆機直接一次成井降低了二次擴挖風險。采用BMC600反井鉆機施工的代表性工程有：山東招金礦業夏甸金礦井下風井，直徑4.0m，井深368m；山西柴溝煤礦風井，直徑Φ5.0m，井深310m；甘肅敦格鐵路當金山隧道通風井，直徑Φ3.0m，井深442m；貴州開陽磷礦井下風井，直徑5.0m，井深156m。這些反井工程均創國內各行業的反井施工記錄。

（2）反井鉆機自動化方面。新型BMC600反井鉆機是基于PLC的電-液自動控制系統，該系統可完成對鉆機各動力部分的配電、電動機啟動—停止控制、電液控制和電液比例控制以及對設備和工況參數狀態的監視和保護。系統尚設有應急控制功能，在緊急狀態下可實現主機、輔機和電液比例控制功能?；具_到“機械化換人，自動化減人”的安全生產水平。鉆機正常運行下，每班僅需2人～3人。

（3）反井鉆機的快速移動。傳統反井鉆機井下運輸、轉場、組裝占用時間長，影響綜合作業效率。湖南創遠高新研制的CY-R系列移動式反井鉆機搭載RCS2.0程控操作系統。柴油機驅動履帶行走，電動機進行掘進作業，不需要拆解，轉場運輸方便快捷。該系列鉆機適用于有斜坡道的地下礦山。

（4）反井鉆井工藝方面。包括先導孔定向鉆工藝、地表土層處理工藝、不穩定地層改性加固工藝等。這些工藝的開發，大大擴展了反井鉆井技術的適用性。尤其是在長距離，大傾角的深斜井施工，開發了先導孔定定向鉆+反井鉆的工藝，解決了導井偏斜的問題。例如：在浙江長龍山抽水蓄能電站，采用“定向鉆（先導孔）+反井鉆”的工藝，成功鉆鑿目前國內最大的斜井。該斜井深415m，傾角58°，鉆孔直徑2.0m。

（5）擴孔鉆頭新型結構的研制。根據大直徑反井需要，為方便鉆頭井下運輸及安裝，研制出階梯式分體組裝鉆頭，能夠快速拼裝成直徑2.0m～5.0m的系列大直徑擴孔鉆頭。這些分體式鉆頭質量可靠，結構穩定，可快速拆裝，運輸方便。大大增加了反井鉆機在井下狹小空間內施工大直徑井筒的適用性。

（6）滾刀破巖效率方面。為提高滾刀高效破巖的使用壽命，研制出人造金剛石涂層碳化鎢硬質合金鉆齒、雙金屬復合離心鑄造的滾刀刀殼、礦用深井破巖滾刀恒壓復合密封結構等。這些技術的應用解決了滾刀鉆齒耐磨性、刀殼耐磨性和密封性。提高了滾刀的使用壽命，使滾刀的使用壽命超過1500m，充分保證滾刀滿足深反井施工要求。

2 應用實例

近年來，隨著反井鉆井技術的發展，金礦大直徑、深立井施工應用反井鉆機一次鉆鑿成井的技術得到推廣應用（典型工程見表1），從根本上解決了豎井施工的本質安全性問題。

表1 金礦采用反井鉆機施工豎井典型工程統計（直徑Φ2.0m以上）

2.1 夏甸金礦535線回風井工程

招金礦業股份有限公司夏甸金礦位于山東省招遠市西芝下村。該礦為國內十大金礦之一。為解決深部開采通風問題，設計一條專用回風井，井深366m，鉆孔直徑3.5m。工程地質復雜，含表土及風化層，基巖段巖石堅硬（f＞12）。井筒位于礦區7#井工業廣場內，緊鄰水庫、空壓機房和民房，施工場地狹小。該工程采用BMC600反井鉆機施工、地表土層處理工藝、分體組裝擴孔鉆頭結構、新型硬巖滾刀等。由于風井表土風化層較厚，深度達9m，采用反井鉆井法施工需要先進行預處理。人工開挖至基巖段，然后綁扎鋼筋，澆筑混凝土，形成鋼筋混凝土井壁。開挖荒井直徑為4.6m，壁厚500mm，開挖后回填素混凝土C10。表土層處理完成后，在上面安裝反井鉆機。工程自反井鉆機導孔至擴孔結束，工期僅花4個月。擴孔(Φ3.5m)完成后，井筒井壁光滑，井幫穩定，無超欠挖，無需再爆破刷大，直接作為回風井使用。

2.2 三山島金礦-960溜井工程

三山島金礦是山東黃金集團重要的產金礦區，是國內機械化程度最高的地下開采金礦。其西山礦區開采深度已達-1140m，為解決深部高效開采，在-960至-1140中段，設計三條礦石溜井。工程采用AT-3500反井鉆機施工，井深180m，一次擴孔直徑3.0m。該工程屬于井下深部反井施工的典型工程。井下施工與地面施工相比，施工質量和安全要求更高。針對井下大直徑反井施工，采用鉆機模塊化拆裝、井下平板大噸位無軌運輸、硐室開挖及天錨吊裝技術、分體組裝式擴孔鉆頭結構等。這些措施保證了井下反井施工的高效完成，對井下深部井筒機械化施工具有重要參考意義。

3 反井鉆井技術存在的問題及展望

3.1 偏斜控制問題

反井鉆井施工的技術關鍵是導孔偏斜精度的控制，鉆孔精度直接影響工程質量和成敗。反井鉆機作為連續鉆進的機械設備，它本身的缺點是不能自動糾偏，尤其是在深豎井鉆進中，導孔的偏斜率決定了整個深反井施工的偏斜率。在施工時，雖然可以通過提高開工精度，優化穩定鉆桿布置，合理控制鉆進參數等措施提高導孔鉆進的偏斜率，但還是達不到完全有效的精度控制。尤其是在斜井、深井、大傾角巖層等條件下施工，導孔偏斜控制要求更高也更為復雜。目前采取比較多的方法是定向鉆機先導孔，再反井鉆機刷大相結合的工藝實現導孔偏斜的控制。

3.2 井幫穩定性問題

隨著反井鉆井直徑的增大和鉆井深度的增加，擴孔后形成的井幫長時間的裸露，而不能及時支護。尤其是在巖石復雜的地質條件下，對于井幫穩定性非常不利。尤其是最下部的井幫，在整個擴孔鉆進時，暴露的時間最長。具有井幫圍巖坍塌、被破壞的風險，從而造成井筒堵塞或埋鉆頭的事故，致使擴孔鉆進無法進行，最終鉆頭鉆具損壞或工程報廢的風險。為使反井鉆井技術滿足大直徑、深井的施工需要，擴孔完成后，做好工序間的快速轉換，進行井幫支護，不讓井幫長時間裸露；或者進一步研究反井鉆井隨鉆支護技術，擴孔和支護交替作業，達到控制井幫穩定。解決了井幫穩定性，將更好的拓展反井鉆井技術的應用范圍。

3.3 鉆桿無損檢測技術。

在反井鉆機施工過程中，由于失效鉆桿的使用導致鉆桿斷裂掉落井下的嚴重事故偶有發生，但因反井鉆桿制造成本較高，鉆具部分占整個設備成本的比值較大，一旦出現鉆桿斷裂事故將給反井正常生產和施工帶來巨大的經濟損失。因此在鉆桿使用前，有必要做鉆桿無損檢測，發現失效鉆桿并淘汰，盡最大概率降低鉆桿斷裂風險。通常我們采用超聲波檢測、液體滲透法檢測、磁粉法檢測、交流電磁場檢測等技術。但目前這些技術在現場并未有達到成熟應用。因此，進一步加強無損檢測技術在反井鉆桿的應用研究，有效預防鉆桿斷裂事故，避免經濟損失及危險情況發生。

4 結語

反井鉆機大直徑、深立井成套鉆井技術的發展應用，對礦山井筒施工帶來良好的經濟效益和社會效益。少人化或無人化是反井鉆井技術發展的方向。隨著礦山深部開采井筒施工日益增長的需要，反井鉆井技術將更好的應用于黃金礦山，也必將為我國綠色礦山、智能礦山建設起到重要的推動作用。