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矿资源开采：天井钻机在矿山中的应用

随着现代科技的不断发展，低人工成本的时代已成为过去，安全生产的理念不断深入人心，“机械化换人、自动化减人、智能化无人”，已经成为国内各大矿山企业所面临的一个重大课题。天井钻机全称天井牙轮钻机，主要针对金属矿山地下开采，解决各类溜矿井、通风井、切割井及各类措施天井施工的需要。天井钻机的应用极大地降低了安全风险和生产成本，本文对天井钻机施工的数十天、溜井的使用经验进行总结和介绍。

目前，天井钻机的应用已相当普及，在许多国家已经取代传统的天井凿岩爆破法。与一般的天井掘进方法相比，天井钻机掘进具有施工安全、成井周期短、缩短水平巷道掘进工作量、井壁光滑、噪音小等优点。随着各大品牌大直径大扭矩天井钻机的日趋完善，现在天井钻进技术不仅只限于地下矿山钻进天井，国外天井钻机早已成功地用于水平钻进。例如，英吉利海峡两条主隧道之间的多条水平联络巷道就是用Tamrock公司生产的Rhino天井钻机钻成的;煤炭系统用钻进法钻进大型煤仓和大直径竖井掘进用的超前井;铁路隧道和电站工程中的通风井、地下仓库钻进运输通道和竖井等。

采用低矮型钻机会降低钻机工作峒室的开挖费用，且容易组装、搬运，世界地下矿山(尤其是中、小型矿山)将会增加这类钻机需求量。随着工业的进步和技术的不断创新，天井钻机的使用范围在不断扩大，也一定能满足人们对其性能的更高要求。

天井钻机概述

天井钻机是利用旋转钻进破岩成孔并能反向扩孔的井筒式开挖机械设备。天井钻机掘进是指用天井钻机和扩孔刀头刀具完成天井掘进作业的方法。目前，天井钻机掘进的施工过程全部实现机械化并在天井外进行作业。天井钻机掘进法与其他天井掘进法比较，具有掘进速度快、劳动生产率高、作业安全、劳动强度低、并可实现微机遥控等优点。但天井钻机价格高，一般矿山难以购置。并且如果管理不善，单位进尺的成本会很高。

按钻进方式分为上扩法、下扩法和全断固上向钻进法三种。按照不同的钻进方式，天井钻机大致分为标准天井钻机、反循环天井钻机和盲天井钻机。

标准天井钻机安装在预钻进筒的上水平或地表。先用牙轮钻头向下钻一个直径为200-300 mm的导向孔。孔通后，在下水平更换扩孔刀头，然后再由下至上搞成直径为0.5-6 m的天井。

反循环天井钻机的钻进方式与标准天井钻机相反。钻机安装在下水平，向上钻导向孔，在上水平更换扩孔刀头，由上至下扩孔。但这种钻机扩孔时排碴比较困难，也有安装、操作不便等问题存在。

盲天井钻机一般安装在下水平。采用盲孔刀头向上全断面钻进，直接成井，无需钻导向孔。也有盲天井钻机通过有线或无线遥控，迈步进入井内钻进，不需要钻杆，钻进倾角扩大到可钻进水平井。

国内外天井钻机的发展概况

1950年代，一些国家开始采用天井钻机掘进，到1980年代已经可以钻凿直径为6 m、深度为1 000 m的天井。综合成井速度为2-4 m/班。1960年代我国开始研究天井钻进法，1970年代后期开始应用于生产。先后研制应用了普通型和低矮型两种天井钻机，其中低矮型应用较多，可钻凿直径为1-2 m、深度100-120 m的天井。当岩石坚固性系数为12-14时，导孔的钻速为5-7 m/h，扩孔速度为1-1.5 m/h，天井偏斜率小于1%，1980年代后期，我国天井钻机的整机加工质量和技术性能指标，以及破岩刀具的材质和耐用程度，都有较大提高，从而为进一步扩大天井钻机的应用范围创造了条件。

美国于1962年开始应用天井钻机，到1990年代初，国外地下矿山用钻进法掘进各种用途天井得到迅速推广，天井钻机得到卓有成效的应用。钻进法实际上已取代了普通掘进法，使用区域的分布主要集中在澳大利亚、加拿大、墨西哥、南非、美国和赞比亚等地。

随着世界采矿向深部发展，采矿方法不断改变，使中段高度有继续增加的趋势，原来的掘进方式已不能适应要求。因此，近几年来，国外各主要制造厂为深部开采和坚硬岩石制造了大扭矩大推拉力的天井钻机。随着天井钻机技术的进步和发展，天井钻机功率已由75kW发展到750kW，扩孔孔径可达7.1m，钻孔深度达到1500m。

我国天井钻机发展趋势发展

电驱动天井钻机

国外电驱动天井钻机使用十分广泛。曾有资料显示，Robibns公司销售的217台天井钻机中有118台为电驱动天井钻机，占总数的54%以上。因为，与液压驱动相比，电力驱动特点显著。节能省电、运转费用低。由于液压驱动比电动多一次能量转换，液压元件的效率又比较低，加上液压系统的背压要多损失5%-8%的能量，导致液压驱动比电驱动多损失20%-28%的能量。寿命长。由于技术的不断创新与发展，虽然国内电动机寿命与容量较大的油泵和油马达的寿命差不多，但大流量高压胶管属于消耗品，其寿命与电动机相较差了很多，需要经常更换，因此核算下来还是电驱动天井钻机的寿命长一些。另外，电驱动的天井钻机还具有故障少、设备运转率高、维修费用低、油耗少等特点。因此从我国的配套水平、矿山使用维护能力和节能方面考虑，电驱动天井钻机比较符合国情，容易推广。

发展斜天井钻机

国内许多矿山，特别是有色、黄金等矿山，其30°-50°的缓倾斜矿体所占比重相当大，而煤矿的“上山、下山”仅在20°-30°之间，用普通方法掘进斜天井极为困难。因此，发展斜天井钻机很有必要。

发展盲天井钻机据

统计，我国有色金属地下矿山每年所需掘进不同规格及用途的天井可达25万m，其中盲天井工程约占天井工程量近20%，某些矿山由于采矿方法的需要，盲天井工程量所占比例较高。因此盲天井掘进已成为矿山生产急需解决的关键问题之一。用盲天井钻机钻天井，不但具有天井钻机的高速、低耗、省力、安全等优点，还可为水平开拓带来极大的方便，而且通用性大，既能钻进盲天井，又能钻进通天井，既能在坚硬稳固的岩层中钻进，又能在松散破碎的岩层中钻进。

发展高天井钻机

随着采矿技术的发展，有些新出现的先进采矿方法往往需要拉大中段高度，从而增加了天井的一次掘进长度。尤其是一些需要改造的老矿山，有许多更长的天井需要掘进。因此开发400m以上的天井钻机也是大势所趋。发展大直径天井钻机国外天井钻机的成井直径已达6.2 m，我国大、中型矿山也有许多直径超过3m的天井，因此需要大力发展大直径天井钻机。开发自动钻进系统近些年来，电子计算机在我国发展很快。将计算机应用到天井钻机钻进参数的自动控制上，用电脑来代替人工操作，根据钻进反馈的信息，自动调节钻进参数，以便在任何岩层和钻进深度均能获得理想的穿孔速度和刀具寿命，并精确打印出各种钻进参数和指标。为进一步提高国产天井钻机的技术水平，应不断开发并完善天井钻机的自动控制系统。

发展大直径天井钻机

国外天井钻机的成井直径已达6.2m，我国大、中型矿山也有许多直径超过3m的天井，因此需要大力发展大直径天井钻机。

开发自动钻进系统

近些年来，电子计算机在我国发展很快。将计算机应用到天井钻机钻进参数的自动控制上，用电脑来代替人工操作，根据钻进反馈的信息，自动调节钻进参数，以便在任何岩层和钻进深度均能获得理想的穿孔速度和刀具寿命，并精确打印出各种钻进参数和指标。为进一步提高国产天井钻机的技术水平，应不断开发并完善天井钻机的自动控制系统。

科普：天井钻机的孔径和孔深可以达到多少呢？

取决于岩层状况，孔径可近十米，孔深也能达到一千多米。

天井钻的优势在于：对于不是特别硬的，岩石结构好，不易塌方的岩石来说，反井钻比钻爆法来的更为经济，快速和精确。

天井钻机的钻具长啥样？

导向钻头如下图：

扩孔器如下图：

天井钻机的作业和安全注意事项

(1)天井钻机立起主机时注意控制速度，不得过快;主机的垂直度或倾斜度复检一定要准确(孔倾斜大时必须停止作业重新开孔)，每班作业前后需仔细检查水准仪，确定钻机是否处于调平状态。

(2)天井钻机开孔时注意保证开孔质量首先将牙轮钻头与短钻杆接好，机械手抓住短钻杆送入机架内与机头连接好，机械手收回，机头下降至牙轮钻头与岩石接触位置。并在机架底座的孔内装入插板，扶住钻杆。

先开水，用小钻压(约15～20㎏/mm²)低转速开孔，上下提钻头扫孔并及时清理孔内的岩渣。同时加强测量，发现孔偏斜时及时纠正，孔偏斜大时要另行开孔，绝不允许按已偏斜的钻孔继续钻进。低转速开孔完第一根钻杆后，先停机后停水。取出该钻杆并检查混泥土基础情况，若发现打导孔时孔壁不光滑有岩渣外泄现象必须立即停机，及时拆出钻杆后重新打好混泥土。

混泥土基础正常则及时换上带有稳定器的钻杆，钻孔深超过3m后才能按正常参数钻进。钻孔操作时钻进3m后加一根稳定器，钻进10m再加一根稳定器，以后每隔10～20m米加一根稳定器。更换钻杆时注意加钻杆螺纹脂，防止钻杆咬合后难以拆卸。当钻孔深部超过20m后每钻完一根钻杆需冲水排渣1～2分钟。

(3)扩孔刀盘的安装导孔钻通下部巷道后先将钻杆提升至可安装扩孔刀盘的合适位置，然后将待扩天井下部的刀盘用铲运机配合安装。扩孔时先慢速扩孔，待扩孔完全进入天井内(1～2m)之后才能按正常速度扩孔。

扩孔时的安全操作注意事项：

①扩孔时推进油缸的拉力保持在70～80kg/cm²，如果卡钻，机头不能旋转，此时先将机头下降使刀盘脱开岩层，然后让机头空转，待运转正常后再逐步加大拉力进行扩孔。如果机头不能上下运行又不能旋转，而油马达和推进油缸油压正常，则可能为岩层塌方，较大的岩石卡住刀盘，此时可采用迅速地正反转方法将岩石震掉。切记不能反转360°以上。

②扩孔过程中严禁机头反转，以防钻杆脱扣。

③卸钻杆时，上紧机头与钻杆的螺纹后才能取走叉板，以防钻杆脱落。

(4)刀盘的锁定和吊出天井

①天井刷扩完毕后使用插板卡住钻杆，用两个5吨的葫芦吊葫芦拉住刀盘，撤出钻机后使用机器人或者破碎台车剔除底板混凝土，用吊葫芦将刀盘拉升出井筒进行回收。

②将锚网铺设在天井口，封闭天井，拉好警戒线并悬挂警示灯、警示牌。

天井钻使用经验总结介绍

(1)利用天井钻机钻进切割成型天井是一种人员不进入掘进掌子面操作的全机械化连续作业的天井施工法。天井钻进法与凿岩爆破法相比，具有以下突出优点：

①机械化连续作业，极大降低了安全风险，工作人员不受炮烟、冒落等危害，无高空作业，人身安全得以保障。

②效率高，钻进速度快(比普通凿岩爆破法快3～4倍)。导向孔钻进时约40分钟/米，刀盘切割作业时约80分钟/米。正常情况下，若每天按2班作业进行生产组织，一个50m高的中段天井切割成型的时间约为15～20天。

③可大量节省凿岩、爆破、支护材料和人工工资，钻进成本低。

④无炮烟、淋水，噪音和粉尘浓度小，作业环境好。

⑤通过无线遥控操作，工人劳动强度低。每台班仅需2人(1人操作，1人辅助)，劳动生产率高。

(2)天井钻机的作业硐室和通道建设的准备周期较长，对此需形成标准化施工，设计人员应对需进行天井钻机的作业中段提前做好规划和建设，方能充分发挥天井钻机的循环作业效率。

(3)要十分重视钻机主机立机时的倾斜度检查复核，必要时请测量人员进行核实,核实完后才能开钻，开钻时注意控制开孔质量，钻进中注意检查钻机的平稳度和倾斜度是否变化。

(4)钻进导孔时必须保证高压供水正常，保证能及时排渣。若岩渣过细(钻头磨损并且转速较低时研磨孔内岩渣而形成)或水压不足，不能排渣时应外接高压风管并接在高压水管上，进行辅助洗孔。