為了適應(yīng)煤炭、水電等深井工程建設(shè)的需要，北京中煤礦山工程有限公司近幾年陸續(xù)研制出BMC系列反井鉆機(jī)和用于抗壓強(qiáng)度達(dá)到300MPa的極硬巖滾刀，為拓展反井鉆機(jī)技術(shù)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，并對(duì)反井鉆機(jī)設(shè)備和工藝技術(shù)的發(fā)展起到了積極地推動(dòng)作用。本文介紹了BMC系列反井鉆機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)、技術(shù)參數(shù)、適用范圍及工程應(yīng)用情況。
關(guān)鍵詞：反井鉆機(jī)；硬巖；技術(shù)應(yīng)用

1       概述
反井鉆機(jī)技術(shù)的研究和應(yīng)用始于上世紀(jì)五、六十年代，至九十年代已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外礦山、市政、水電、交通等領(lǐng)域的地下工程中得到了廣泛的應(yīng)用。相比木垛法、吊罐法和爬罐法等傳統(tǒng)施工方法，利用反井鉆機(jī)技術(shù)施工豎井、斜井具有安全、快速、井壁光滑等優(yōu)點(diǎn)。目前應(yīng)用較廣的反井鉆機(jī)施工工藝如圖1所示，分為自上而下的導(dǎo)孔鉆進(jìn)（左圖）和自下而上的擴(kuò)孔鉆進(jìn)（右圖）。
 
Fig.1  反井鉆機(jī)施工工藝
1-反井鉆機(jī)；2-鉆桿；3-導(dǎo)孔鉆頭；4-下水平巷道；5-待安裝的擴(kuò)孔鉆頭；6-工作中的擴(kuò)孔鉆頭；7-擴(kuò)孔后的井筒；8-自由落下的巖碴。
國(guó)外著名的反井鉆機(jī)廠商有SANDVIK、ATLAS、TAMROCK、WIRTH、INDAU等，其中WIRTH公司的HG380型反井鉆機(jī)保持著擴(kuò)孔直徑7.1m、井深1260m的世界紀(jì)錄。國(guó)內(nèi)曾經(jīng)引進(jìn)部分型號(hào)的反井鉆機(jī)，但是，由于國(guó)外設(shè)備造價(jià)比國(guó)產(chǎn)設(shè)備高4～10倍，設(shè)備維護(hù)、配件、管理等成本居高不下等原因，漸漸被國(guó)產(chǎn)反井鉆機(jī)取代。
國(guó)內(nèi)現(xiàn)有北京中煤礦山工程有限公司（煤炭科學(xué)研究總院北京建井研究分院）研制的LM系列、煤炭科學(xué)研究總院南京研究所研制的AF系列、長(zhǎng)沙礦山研究院研制的ATY系列反井鉆機(jī)，是煤礦等中、小型反井工程施工的主力機(jī)型。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)步伐加快，大量的煤礦、水利水電設(shè)施、交通隧道等建設(shè)工程需要施工井深200m以上、直徑2m以上、巖石抗壓強(qiáng)度200MPa以上的井筒。國(guó)產(chǎn)設(shè)備由于其設(shè)計(jì)能力不足，逐漸不適用于這些工程，為此，北京中煤礦山工程有限公司從2000年開(kāi)始陸續(xù)開(kāi)發(fā)研制出新型BMC系列反井鉆機(jī)，已施工的井筒最深562m、最大直徑3.5m、最硬巖石310MPa，大大拓展了國(guó)產(chǎn)反井鉆機(jī)的應(yīng)用范圍。
2       BMC系列反井鉆機(jī)設(shè)計(jì)意圖及特點(diǎn)
為了滿足反井鉆機(jī)在煤炭、水電、交通等不同行業(yè)的應(yīng)用需求，BMC系列反井鉆機(jī)針對(duì)以往國(guó)產(chǎn)機(jī)型能力不足，對(duì)鉆機(jī)的防爆能力、井巷內(nèi)適應(yīng)能力、硬巖等復(fù)雜地層適應(yīng)能力、國(guó)際工程適應(yīng)能力等進(jìn)行了研究與改進(jìn)。其特點(diǎn)：
（1）   適用范圍廣。既可以應(yīng)用于煤礦等軟巖地層，又可以應(yīng)用于水電、交通等巖石抗壓強(qiáng)度310MPa以上的硬巖地層，可施工直徑5m、深度600m。
（2）   施工操作全部機(jī)械化。主機(jī)起放、鉆桿吊裝、絲扣接卸等操作均采用機(jī)械輔助，大大降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了施工效率。
（3）   自動(dòng)化控制程度高。部分高級(jí)機(jī)型采用電液控制系統(tǒng)，操作臺(tái)體積縮小至原來(lái)的1/5，重量縮減至原來(lái)的1/10，可以隨時(shí)輕松的調(diào)整方位；可編程參數(shù)控制系統(tǒng)，自動(dòng)控制和記錄鉆進(jìn)參數(shù)，避免由于操作手水平不齊引起的參數(shù)選擇誤差。
（4）   智能化事故預(yù)防系統(tǒng)。通過(guò)程序化控制，設(shè)定安全條件，有效防止鉆進(jìn)中反轉(zhuǎn)、動(dòng)力頭浮動(dòng)極限位置傷扣、導(dǎo)孔鉆進(jìn)過(guò)程中壓鉆頭、擴(kuò)孔鉆進(jìn)過(guò)程中扭斷鉆桿等事故的發(fā)生。
（5）   組裝式機(jī)身和擴(kuò)孔鉆頭結(jié)構(gòu)。大型反井鉆機(jī)采用可拆卸組裝結(jié)構(gòu)，便于在受空間限制的巷道等工作面施工；大直徑擴(kuò)孔鉆頭均采用階梯式拼接結(jié)構(gòu)，通過(guò)拼接可以靈活的選擇所需擴(kuò)孔直徑尺寸，既便于運(yùn)輸、安裝、部件更換，又節(jié)省鉆頭結(jié)構(gòu)成本。
3       BMC系列反井鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)及適用范圍
BMC系列反井鉆機(jī)適用于煤炭、水電、交通、市政、金屬礦山等行業(yè)的地下特殊施工，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1，適用范圍見(jiàn)表2。
Table 1  BMC系列反井鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

項(xiàng)目	BMC 100	BMC 200	BMC 300	BMC 400	BMC600
導(dǎo)孔直徑     /mm	216	216	244	270	350
擴(kuò)孔直徑     /mm	1000～1200	1200～1400	1400～1520	1400～3500	3500～5000
井深         /m	150～100	200～150	300～250	400～350	600～500
鉆桿直徑     /mm	176	182	203	228	327
推力         /kN	200	350	550	1650	3300
拉力         /kN	500	850	1250	2450	6000
額定扭矩     /kN.m	20	35	64	96	300
驅(qū)動(dòng)方式	液壓	液壓	液壓	電液	電液
適應(yīng)傾角     /°	60	60	60	60	60
輸入功率     /kW	62.5	86	129.6	129.6	284.7
主機(jī)工作尺寸 (長(zhǎng)×寬×高)   /m	2.4×1.27×2.9	3.1×1.46×3.8	3.25×1.5×3.6	4.85×1.9×5.3	3.7×2.1×5.52
重量         /t	3.5	7.5	8.4	12.5	26.5

Table 2  BMC系列反井鉆機(jī)適用范圍

應(yīng)用領(lǐng)域	階段性臨時(shí)工程	臨時(shí)工程	永久工程
煤炭系統(tǒng)	各種溜矸孔（煤倉(cāng)、暗井、主井、副井、風(fēng)井）	采區(qū)風(fēng)眼、溜煤眼、溜矸眼、瓦斯抽放孔 、安全救護(hù)鉆孔	通風(fēng)井、下料井
水電系統(tǒng)	各種導(dǎo)井（壓力管道、出線井、調(diào)壓井、電梯井）	施工期間通風(fēng)豎井（長(zhǎng)大隧洞、地下調(diào)壓室）、加固鉆孔	地下永久建筑（廠房、變壓室等）通風(fēng)豎井、觀測(cè)孔
其它系統(tǒng)	各種溜井（井筒、礦倉(cāng)）	采區(qū)風(fēng)眼、溜礦眼、溜渣眼、材料人員井	通風(fēng)孔等
地下建筑	各種導(dǎo)井	施工期間通風(fēng)孔	通風(fēng)井、進(jìn)出口
適用條件	深度600m以內(nèi)、直徑5m以內(nèi)、巖石抗壓強(qiáng)度不大于310MPa、具有下水平巷道的豎井或與水平面夾角60～90°的斜井

4       新型硬巖滾刀
近年來(lái)，隨著水電站建設(shè)的迅速發(fā)展，大部分水電站地下工程在硬巖中施工，如四川自一里水電站、吉林白山水電站、福建穆陽(yáng)溪水電站等多為花崗巖地層，巖石堅(jiān)硬，單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到250MPa；山東泰安抽水蓄能電站花崗巖抗壓強(qiáng)度達(dá)到310MPa，石英、長(zhǎng)石等顆粒性強(qiáng)的礦物含量在70％以上。過(guò)去使用普通滾刀壽命只有5～10m，工效非常低，破巖刀具費(fèi)用高達(dá)每米一萬(wàn)元以上，反井鉆機(jī)無(wú)法作為工程設(shè)備應(yīng)用。
針對(duì)目前反井施工鉆進(jìn)硬巖出現(xiàn)的破巖效率低、滾刀壽命短、成本高等問(wèn)題，北京中煤礦山工程有限公司研制出適用于硬巖鉆進(jìn)的新型鎬形鑲齒滾刀，在泰安抽水蓄能電站工程應(yīng)用，壽命達(dá)到125m以上，并經(jīng)多個(gè)水電站不同巖石條件應(yīng)用，硬巖滾刀可以滿足不同工程需要，解決了硬巖地層中鉆進(jìn)反井難題。
5       BMC系列反井鉆機(jī)技術(shù)應(yīng)用實(shí)例
自2005年以來(lái)，BMC系列反井鉆機(jī)陸續(xù)在煤炭、水電、交通等行業(yè)的地下反井工程中應(yīng)用，累計(jì)完成井筒施工近6000m。
（1）遼寧省蒲石河抽水蓄能電站豎井，地層以花崗巖、花崗片麻巖和玄武巖為主，采用BMC 300型反井鉆機(jī)施工，導(dǎo)孔直徑244mm、擴(kuò)孔直徑1.4m、鉆孔深度213.9m，純施工工期27d，純施工效率238m/月，其中導(dǎo)孔鉆進(jìn)14d，施工速度為0.64m/h；擴(kuò)孔鉆進(jìn)13d，施工速度為0.69m/h，鉆孔綜合偏斜率0.44％，不僅滿足了工程要求，而且施工速度快、鉆孔精度高、成井質(zhì)量好。
（2）山西省晉煤集團(tuán)寺河礦小東山通風(fēng)豎井，地層為硬度較小的沉積巖，利用BMC 400型反井鉆機(jī)施工，完成深度267m、直徑2.5m和深度269m、直徑3.5m兩個(gè)通風(fēng)井，平均導(dǎo)孔鉆進(jìn)速度為0.62m/h，平均擴(kuò)孔鉆進(jìn)速度為0.48m/h，鉆孔綜合偏斜率0.26％，是國(guó)內(nèi)已完成的一次性擴(kuò)孔直徑最大的反井工程。
（3）秦嶺終南山特長(zhǎng)隧道是西安至安康高速公路穿越秦嶺主脊的控制性工程，主洞長(zhǎng)度18020m，雙洞總長(zhǎng)度36040m，在山嶺公路隧道中長(zhǎng)度排世界第二位，總規(guī)模長(zhǎng)度排世界第一。北京中煤礦山工程有限公司承擔(dān)的1號(hào)、3號(hào)豎井導(dǎo)井反井鉆井施工，導(dǎo)井地層以混合花崗巖、混合片麻巖為主，其中，1號(hào)豎井采用BMC 300型反井鉆機(jī)施工，鉆成直徑1.4m、深度170m導(dǎo)井，綜合成井速度4.36m/d，鉆孔偏斜率0.27％；3號(hào)豎井采用BMC 400型反井鉆機(jī)施工，鉆成直徑1.4m、深度380m導(dǎo)井，綜合成井速度4.87m/d，鉆孔偏斜率1.0％。
6       結(jié)語(yǔ)
（1）隨著我國(guó)能源開(kāi)發(fā)需要，煤炭、水電、冶金等領(lǐng)域有大量地下工程，反井鉆機(jī)的應(yīng)用范圍將日益擴(kuò)展。
（2）BMC系列反井鉆機(jī)在施工能力、機(jī)械化和自動(dòng)化程度等方面使反井鉆機(jī)技術(shù)應(yīng)用達(dá)到先進(jìn)的水平，為眾多行業(yè)地下井筒工程提供了安全、高效的施工條件。
（3）工程應(yīng)用表明，鎬形鑲齒滾刀刀齒布置結(jié)構(gòu)合理，破巖效率及使用壽命可滿足在中硬及硬巖中高速鉆進(jìn)的要求。
（4）今后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)深井反井鉆井工藝的研究和改進(jìn)，使BMC系列反井鉆機(jī)在地下工程建設(shè)中發(fā)揮更大的作用。