摘要：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。國內(nèi)曾經(jīng)引進(jìn)部分型號的反井鉆機(jī)，但是，由于國外設(shè)備造價(jià)比國產(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，漸漸被國產(chǎn)反井鉆機(jī)取代。
國內(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。隨著國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，國家基礎(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年開始陸續(xù)開發(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)針對以往國產(chǎn)機(jī)型能力不足，對鉆機(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。部分高級機(jī)型采用電液控制系統(tǒng)，操作臺體積縮小至原來的1/5，重量縮減至原來的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)過程中壓鉆頭、擴(kuò)孔鉆進(jìn)過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)見表1，適用范圍見表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×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、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、觀測孔
其它系統(tǒng)	各種溜井（井筒、礦倉）	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，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、長石等顆粒性強(qiáng)的礦物含量在70％以上。過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)每米一萬元以上，反井鉆機(jī)無法作為工程設(shè)備應(yīng)用。
針對目前反井施工鉆進(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，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，主洞長度18020m，雙洞總長度36040m，在山嶺公路隧道中長度排世界第二位，總規(guī)模長度排世界第一。北京中煤礦山工程有限公司承擔(dān)的1號、3號豎井導(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
（1）隨著我國能源開發(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。