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。

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

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。