礦資源開采：天井鉆機在礦山中的應用
隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，低人工成本的時代已成為過去，安全生產的理念不斷深入人心，“機械化換人、自動化減人、智能化無人”，已經成為國內各大礦山企業(yè)所面臨的一個重大課題。天井鉆機全稱天井牙輪鉆機，主要針對金屬礦山地下開采，解決各類溜礦井、通風井、切割井及各類措施天井施工的需要。天井鉆機的應用極大地降低了安全風險和生產成本，本文對天井鉆機施工的數(shù)十天、溜井的使用經驗進行總結和介紹。
目前，天井鉆機的應用已相當普及，在許多國家已經取代傳統(tǒng)的天井鑿巖爆破法。與一般的天井掘進方法相比，天井鉆機掘進具有施工安全、成井周期短、縮短水平巷道掘進工作量、井壁光滑、噪音小等優(yōu)點。隨著各大品牌大直徑大扭矩天井鉆機的日趨完善，現(xiàn)在天井鉆進技術不僅只限于地下礦山鉆進天井，國外天井鉆機早已成功地用于水平鉆進。例如，英吉利海峽兩條主隧道之間的多條水平聯(lián)絡巷道就是用Tamrock公司生產的Rhino天井鉆機鉆成的;煤炭系統(tǒng)用鉆進法鉆進大型煤倉和大直徑豎井掘進用的超前井;鐵路隧道和電站工程中的通風井、地下倉庫鉆進運輸通道和豎井等。
采用低矮型鉆機會降低鉆機工作峒室的開挖費用，且容易組裝、搬運，世界地下礦山(尤其是中、小型礦山)將會增加這類鉆機需求量。隨著工業(yè)的進步和技術的不斷創(chuàng)新，天井鉆機的使用范圍在不斷擴大，也一定能滿足人們對其性能的更高要求。
天井鉆機概述
天井鉆機是利用旋轉鉆進破巖成孔并能反向擴孔的井筒式開挖機械設備。天井鉆機掘進是指用天井鉆機和擴孔刀頭刀具完成天井掘進作業(yè)的方法。目前，天井鉆機掘進的施工過程全部實現(xiàn)機械化并在天井外進行作業(yè)。天井鉆機掘進法與其他天井掘進法比較，具有掘進速度快、勞動生產率高、作業(yè)安全、勞動強度低、并可實現(xiàn)微機遙控等優(yōu)點。但天井鉆機價格高，一般礦山難以購置。并且如果管理不善，單位進尺的成本會很高。
按鉆進方式分為上擴法、下擴法和全斷固上向鉆進法三種。按照不同的鉆進方式，天井鉆機大致分為標準天井鉆機、反循環(huán)天井鉆機和盲天井鉆機。
標準天井鉆機安裝在預鉆進筒的上水平或地表。先用牙輪鉆頭向下鉆一個直徑為200-300 mm的導向孔。孔通后，在下水平更換擴孔刀頭，然后再由下至上搞成直徑為0.5-6 m的天井。
反循環(huán)天井鉆機的鉆進方式與標準天井鉆機相反。鉆機安裝在下水平，向上鉆導向孔，在上水平更換擴孔刀頭，由上至下擴孔。但這種鉆機擴孔時排碴比較困難，也有安裝、操作不便等問題存在。
盲天井鉆機一般安裝在下水平。采用盲孔刀頭向上全斷面鉆進，直接成井，無需鉆導向孔。也有盲天井鉆機通過有線或無線遙控，邁步進入井內鉆進，不需要鉆桿，鉆進傾角擴大到可鉆進水平井。
國內外天井鉆機的發(fā)展概況
1950年代，一些國家開始采用天井鉆機掘進，到1980年代已經可以鉆鑿直徑為6 m、深度為1 000 m的天井。綜合成井速度為2-4 m/班。1960年代我國開始研究天井鉆進法，1970年代后期開始應用于生產。先后研制應用了普通型和低矮型兩種天井鉆機，其中低矮型應用較多，可鉆鑿直徑為1-2 m、深度100-120 m的天井。當巖石堅固性系數(shù)為12-14時，導孔的鉆速為5-7 m/h，擴孔速度為1-1.5 m/h，天井偏斜率小于1%，1980年代后期，我國天井鉆機的整機加工質量和技術性能指標，以及破巖刀具的材質和耐用程度，都有較大提高，從而為進一步擴大天井鉆機的應用范圍創(chuàng)造了條件。
美國于1962年開始應用天井鉆機，到1990年代初，國外地下礦山用鉆進法掘進各種用途天井得到迅速推廣，天井鉆機得到卓有成效的應用。鉆進法實際上已取代了普通掘進法，使用區(qū)域的分布主要集中在澳大利亞、加拿大、墨西哥、南非、美國和贊比亞等地。
隨著世界采礦向深部發(fā)展，采礦方法不斷改變，使中段高度有繼續(xù)增加的趨勢，原來的掘進方式已不能適應要求。因此，近幾年來，國外各主要制造廠為深部開采和堅硬巖石制造了大扭矩大推拉力的天井鉆機。隨著天井鉆機技術的進步和發(fā)展，天井鉆機功率已由75kW發(fā)展到750kW，擴孔孔徑可達7.1m，鉆孔深度達到1500m。
我國天井鉆機發(fā)展趨勢發(fā)展
電驅動天井鉆機
國外電驅動天井鉆機使用十分廣泛。曾有資料顯示，Robibns公司銷售的217臺天井鉆機中有118臺為電驅動天井鉆機，占總數(shù)的54%以上。因為，與液壓驅動相比，電力驅動特點顯著。節(jié)能省電、運轉費用低。由于液壓驅動比電動多一次能量轉換，液壓元件的效率又比較低，加上液壓系統(tǒng)的背壓要多損失5%-8%的能量，導致液壓驅動比電驅動多損失20%-28%的能量。壽命長。由于技術的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，雖然國內電動機壽命與容量較大的油泵和油馬達的壽命差不多，但大流量高壓膠管屬于消耗品，其壽命與電動機相較差了很多，需要經常更換，因此核算下來還是電驅動天井鉆機的壽命長一些。另外，電驅動的天井鉆機還具有故障少、設備運轉率高、維修費用低、油耗少等特點。因此從我國的配套水平、礦山使用維護能力和節(jié)能方面考慮，電驅動天井鉆機比較符合國情，容易推廣。
發(fā)展斜天井鉆機
國內許多礦山，特別是有色、黃金等礦山，其30°-50°的緩傾斜礦體所占比重相當大，而煤礦的“上山、下山”僅在20°-30°之間，用普通方法掘進斜天井極為困難。因此，發(fā)展斜天井鉆機很有必要。
發(fā)展盲天井鉆機據(jù)
統(tǒng)計，我國有色金屬地下礦山每年所需掘進不同規(guī)格及用途的天井可達25萬m，其中盲天井工程約占天井工程量近20%，某些礦山由于采礦方法的需要，盲天井工程量所占比例較高。因此盲天井掘進已成為礦山生產急需解決的關鍵問題之一。用盲天井鉆機鉆天井，不但具有天井鉆機的高速、低耗、省力、安全等優(yōu)點，還可為水平開拓帶來極大的方便，而且通用性大，既能鉆進盲天井，又能鉆進通天井，既能在堅硬穩(wěn)固的巖層中鉆進，又能在松散破碎的巖層中鉆進。
發(fā)展高天井鉆機
隨著采礦技術的發(fā)展，有些新出現(xiàn)的先進采礦方法往往需要拉大中段高度，從而增加了天井的一次掘進長度。尤其是一些需要改造的老礦山，有許多更長的天井需要掘進。因此開發(fā)400m以上的天井鉆機也是大勢所趨。發(fā)展大直徑天井鉆機國外天井鉆機的成井直徑已達6.2 m，我國大、中型礦山也有許多直徑超過3m的天井，因此需要大力發(fā)展大直徑天井鉆機。開發(fā)自動鉆進系統(tǒng)近些年來，電子計算機在我國發(fā)展很快。將計算機應用到天井鉆機鉆進參數(shù)的自動控制上，用電腦來代替人工操作，根據(jù)鉆進反饋的信息，自動調節(jié)鉆進參數(shù)，以便在任何巖層和鉆進深度均能獲得理想的穿孔速度和刀具壽命，并精確打印出各種鉆進參數(shù)和指標。為進一步提高國產天井鉆機的技術水平，應不斷開發(fā)并完善天井鉆機的自動控制系統(tǒng)。
發(fā)展大直徑天井鉆機
國外天井鉆機的成井直徑已達6.2m，我國大、中型礦山也有許多直徑超過3m的天井，因此需要大力發(fā)展大直徑天井鉆機。
開發(fā)自動鉆進系統(tǒng)
近些年來，電子計算機在我國發(fā)展很快。將計算機應用到天井鉆機鉆進參數(shù)的自動控制上，用電腦來代替人工操作，根據(jù)鉆進反饋的信息，自動調節(jié)鉆進參數(shù)，以便在任何巖層和鉆進深度均能獲得理想的穿孔速度和刀具壽命，并精確打印出各種鉆進參數(shù)和指標。為進一步提高國產天井鉆機的技術水平，應不斷開發(fā)并完善天井鉆機的自動控制系統(tǒng)。
科普：天井鉆機的孔徑和孔深可以達到多少呢？
取決于巖層狀況，孔徑可近十米，孔深也能達到一千多米。
天井鉆的優(yōu)勢在于：對于不是特別硬的，巖石結構好，不易塌方的巖石來說，反井鉆比鉆爆法來的更為經濟，快速和精確。
天井鉆機的鉆具長啥樣？
導向鉆頭如下圖：
擴孔器如下圖：
天井鉆機的作業(yè)和安全注意事項
(1)天井鉆機立起主機時注意控制速度，不得過快;主機的垂直度或傾斜度復檢一定要準確(孔傾斜大時必須停止作業(yè)重新開孔)，每班作業(yè)前后需仔細檢查水準儀，確定鉆機是否處于調平狀態(tài)。
(2)天井鉆機開孔時注意保證開孔質量首先將牙輪鉆頭與短鉆桿接好，機械手抓住短鉆桿送入機架內與機頭連接好，機械手收回，機頭下降至牙輪鉆頭與巖石接觸位置。并在機架底座的孔內裝入插板，扶住鉆桿。
先開水，用小鉆壓(約15～20㎏/mm2)低轉速開孔，上下提鉆頭掃孔并及時清理孔內的巖渣。同時加強測量，發(fā)現(xiàn)孔偏斜時及時糾正，孔偏斜大時要另行開孔，絕不允許按已偏斜的鉆孔繼續(xù)鉆進。低轉速開孔完第一根鉆桿后，先停機后停水。取出該鉆桿并檢查混泥土基礎情況，若發(fā)現(xiàn)打導孔時孔壁不光滑有巖渣外泄現(xiàn)象必須立即停機，及時拆出鉆桿后重新打好混泥土。
混泥土基礎正常則及時換上帶有穩(wěn)定器的鉆桿，鉆孔深超過3m后才能按正常參數(shù)鉆進。鉆孔操作時鉆進3m后加一根穩(wěn)定器，鉆進10m再加一根穩(wěn)定器，以后每隔10～20m米加一根穩(wěn)定器。更換鉆桿時注意加鉆桿螺紋脂，防止鉆桿咬合后難以拆卸。當鉆孔深部超過20m后每鉆完一根鉆桿需沖水排渣1～2分鐘。
(3)擴孔刀盤的安裝導孔鉆通下部巷道后先將鉆桿提升至可安裝擴孔刀盤的合適位置，然后將待擴天井下部的刀盤用鏟運機配合安裝。擴孔時先慢速擴孔，待擴孔完全進入天井內(1～2m)之后才能按正常速度擴孔。
擴孔時的安全操作注意事項：
①擴孔時推進油缸的拉力保持在70～80kg/cm2，如果卡鉆，機頭不能旋轉，此時先將機頭下降使刀盤脫開巖層，然后讓機頭空轉，待運轉正常后再逐步加大拉力進行擴孔。如果機頭不能上下運行又不能旋轉，而油馬達和推進油缸油壓正常，則可能為巖層塌方，較大的巖石卡住刀盤，此時可采用迅速地正反轉方法將巖石震掉。切記不能反轉360°以上。
②擴孔過程中嚴禁機頭反轉，以防鉆桿脫扣。
③卸鉆桿時，上緊機頭與鉆桿的螺紋后才能取走叉板，以防鉆桿脫落。
(4)刀盤的鎖定和吊出天井
①天井刷擴完畢后使用插板卡住鉆桿，用兩個5噸的葫蘆吊葫蘆拉住刀盤，撤出鉆機后使用機器人或者破碎臺車剔除底板混凝土，用吊葫蘆將刀盤拉升出井筒進行回收。
②將錨網鋪設在天井口，封閉天井，拉好警戒線并懸掛警示燈、警示牌。
天井鉆使用經驗總結介紹
(1)利用天井鉆機鉆進切割成型天井是一種人員不進入掘進掌子面操作的全機械化連續(xù)作業(yè)的天井施工法。天井鉆進法與鑿巖爆破法相比，具有以下突出優(yōu)點：
①機械化連續(xù)作業(yè)，極大降低了安全風險，工作人員不受炮煙、冒落等危害，無高空作業(yè)，人身安全得以保障。
②效率高，鉆進速度快(比普通鑿巖爆破法快3～4倍)。導向孔鉆進時約40分鐘/米，刀盤切割作業(yè)時約80分鐘/米。正常情況下，若每天按2班作業(yè)進行生產組織，一個50m高的中段天井切割成型的時間約為15～20天。
③可大量節(jié)省鑿巖、爆破、支護材料和人工工資，鉆進成本低。
④無炮煙、淋水，噪音和粉塵濃度小，作業(yè)環(huán)境好。
⑤通過無線遙控操作，工人勞動強度低。每臺班僅需2人(1人操作，1人輔助)，勞動生產率高。
(2)天井鉆機的作業(yè)硐室和通道建設的準備周期較長，對此需形成標準化施工，設計人員應對需進行天井鉆機的作業(yè)中段提前做好規(guī)劃和建設，方能充分發(fā)揮天井鉆機的循環(huán)作業(yè)效率。
(3)要十分重視鉆機主機立機時的傾斜度檢查復核，必要時請測量人員進行核實,核實完后才能開鉆，開鉆時注意控制開孔質量，鉆進中注意檢查鉆機的平穩(wěn)度和傾斜度是否變化。
(4)鉆進導孔時必須保證高壓供水正常，保證能及時排渣。若巖渣過細(鉆頭磨損并且轉速較低時研磨孔內巖渣而形成)或水壓不足，不能排渣時應外接高壓風管并接在高壓水管上，進行輔助洗孔。
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