1. 引言
普通竖井钻井法早在1896年开始应用，而反井钻井法出现较晚，直到20世纪60年代，采矿工作者将潜孔式钻机和平巷掘进机的原理应用于反井掘进中，才有了反井钻机的雏形。1960年德国采用类似吊罐法的施工装备，用于施工反井。尽管这种无钻杆反井钻机操作控制困难，适应地质条件的能力差，使用起来问题较多，但它毕竟开辟了机械施工反井的新途径。1962年，美国罗宾斯公司研制出第一台有钻杆反井钻机，从而使反井钻井施工技术在矿业开发中得以应用。而后在不断改进的基础上，德国、芬兰、日本、前苏联等国的矿山纷纷推广应用，相继研制出多种类型反井钻机，并在南非创造出深度达数km，直径达6 m的最高纪录 [1]。
20世纪80年代以后，我国研究出反井钻井机，可以从地面向下打井，也可以在井下各水平层之间打暗井，而且后者居多，即可以打直井也可以打斜井。反井钻井法是从下水平巷道或硐室向上掘进一个小断面导井与上水平贯通，解决了通风、排水、排矸等问题后，再从下向上刷大到所需直径的施工竖井工艺和技术。利用反井钻机施工反井是机械化的反井钻凿方法，比吊罐反井法效率高、用人少、成本低又安全，所以反井钻井出现以后得到迅速的推广应用，钻井施工技术水平的提高对煤矿建设乃至矿山工程建设的发展有着重要意义，并取得了良好的经济和社会效益 [2] [3] [4] [5] [6]。
2. 工程概况
峻德煤矿位于黑龙江省鹤岗市峻德区，是黑龙江省龙煤集团鹤岗分公司的骨干企业，也是龙煤集团三个安全高效矿井示范工程之一。该矿主井煤系地层下部有花岗岩，地质构造稳定，并且该矿井的主井工程已经率先施工完毕，但是还需开凿导井。由于导井施工受到井下巷道空间限制，难以像地面凿井那样布置大量的稳绞设备，所以无法采用由上向下的普通法凿井施工。主井施工的完成为反井法施工提供了良好的下部巷道条件，因此该矿主井延伸井筒的导井设计采用优化后的BMC400型反井钻机施工。
峻德煤矿主井延伸井筒的导井直径为1.6 m，深度达到了206 m。施工过程中，如果仍采用传统的反井钻机，其主机需要先进行拆解之后才能运至井下，在井下组装完成后方可开展施工工作，这无疑大大增加了施工难度，从而造成人力和物力的极大消耗 [7]。此次峻德煤矿主井井筒延伸工程使用的是经过改良的BMC400型反井钻机，改良后的钻杆长度相比原钻杆缩短了400 mm，均为1000 mm。与此同时钻机的最大工作高度也降低了800 mm，使得施工巷道不用再进行挑顶作业。
3. 施工设备
峻德煤矿采用北京中煤矿山工程有限公司研制的新型反井钻井设备BMC400型反井钻机(图1)，其主要技术参数见表1。
1-钻架；2-动力水龙头；3-后拉杆；4-起架拉杆；5-底座；6-前支撑；7-钻杆输送装置；8-转盘吊
Figure 1. Main engine of BMC400 raise drilling rig
图1. BMC400型反井钻机主机
Table 1. Main technical parameters of BMC400 raise drilling rig
表1. BMC400型反井钻机主要技术参数
BMC400型反井钻机由主机、主泵站、油箱副泵站、操作台和钻具五个部分组成，每台钻机都配有辅助设备。钻机的钻具包括导孔钻头、稳定钻杆、普通钻杆和扩孔钻头。导孔钻头为直径270 mm的三牙轮钻头，稳定钻杆直径为267 mm，普通钻杆直径为228 mm，扩孔钻头直径1.6 m，图2为该扩孔钻头的整体结构图。
1-滚刀；2-中心管；3-1.6m钻头体；4-锥套；5-锁紧螺母
Figure 2. Reaming drill with a diameter of 1.6 m
图2. 直径1.6 m扩孔钻头
4. 施工工艺
4.1. 钻机的安装和调试
由于扩孔钻头的直径相对较大，所以钻机主机要固定在基础钢梁上，从而施工前必须要加固基础钢梁，否则扩孔透孔时钻机将会掉落至井底。加固过程为在基础预留孔上用地脚螺栓将钢梁浇筑牢固，等到初凝后再利用钻机本身的主推缸把主机竖起来。主泵站、油箱副泵站、控制台、防爆开关等必须要安放在对应的位置上，确认无误后连接油管，接着通电、通水，这一系列操作完成后才可以点动试车，进行钻机的调试工作。钻机的调试首先要对油泵的转向进行调试，检测无误后方可开动油泵试车。钻机的调试内容包括：① 各泵输出压力的调节是否灵活可靠，是否存在异常响动，操作各油缸完成相应动作时，是否会出现爬行现象；② 转动马达，输出转速和压力是否稳定，有无异常等；③ 正式开钻前需确认所有液压管路没有漏油现象以及各控制线缆的连接是否可靠等。
4.2. 反井钻井工艺
首先选用三牙轮钻头由上至下钻凿出直径270 mm的导孔，之后再用高压洗井液(泥浆或清水)将钻凿后导孔中残留的岩屑冲洗出来。当导孔透孔并与下部巷道贯通后，将位于下部巷道的导孔钻头卸下，然后接上事先已运至井下的直径1.6 m的扩孔钻头，使用该扩孔钻头由下至上一次扩孔成井，操作过程中破碎的岩屑依靠自重落入下部巷道后，再由运输设备运出。以上反向扩孔操作结束后，可利用短轨道把扩孔钻头固定，然后拆除钻机，最后用手拉葫芦把钢梁和扩孔钻头分别吊离井口，到此即完成反井钻井的施工。如图3所示为BMC400型反井钻机钻井工艺。
1) 导孔钻进
反井钻机钻进导孔垂直度的控制主要靠钻进过程中的恒压调节 [8]。一般情况下，对于松软地层和过渡地层应采用低钻压，对于硬岩和稳定地层宜采用高钻压。操作人员应能根据不同的岩层调节相应的钻压和转速，保持钻压和转速的稳定，否则将影响导孔的质量。另外需时刻注意返碴的情况。如遇到地层结构变化大或不稳定地层(即大裂隙或溶洞等)，一旦出现不返碴的情况，应立即进行处理。当钻机钻进导孔时，如发现钻具旋转困难，有可能是遇到了裂隙或岩层塌落，此时应将钻具一边旋转一边提拉高度，之后再慢速向下扫孔。若经反复扫孔仍无改善时，一定要提钻后再查明原因，并进行后续处理。在导孔钻至余2~3米即将透孔时，操作人员应缓缓降低钻压，并通知下部巷道人员进行警戒，以防发生事故 [9]。
2) 扩孔钻进
在峻德煤矿井下，BMC400型反井钻机钻凿的主井延伸井筒导井工程，导井直径1.6 m，深度206 m。由于井壁裸露面积较大，如果围岩出现不稳定情况，将会有塌井的风险。因此在扩孔钻进前必须掌握围岩的岩性条件，判断施工地点是否适合钻凿直径1.6 m的竖井。扩孔钻进结束后把扩孔钻头用短轨道锁在井口，接着拆除钻机和钢梁，最后再通过井口把扩孔钻头吊离。
1-主机；2-钻杆；3-导孔钻头；4-待接Φ1.6m钻头；5-井下出渣系统；6-掉落的岩石；7-扩孔状态Φ1.6 m扩孔钻头
Figure 3. BMC400 type raise boring machine drilling technology
图3. BMC400型反井钻机钻井工艺
5. 应用效果
峻德煤矿主井延伸井筒采用改良后的BMC400型反井钻机施工导井，该项目已竣工，历时49天。反井钻井技术统计见表2。
Table 2. Technical statistics of main shaft extended anti-well drilling in JUNDE Coal Mine
表2. 峻德煤矿主井延伸反井钻井施工技术统计
工程应用表明，采用反井钻井法，选用改良后的BMC400型反井钻机施工主井延伸井筒的导井，具有以下优缺点：
1) 钻井速度快。直径1.6 m，深度206 m的主井延伸井筒导井工程净钻进时间为460 h，体现了该型反井钻机快速施工反井的优越性；
2) 成井质量好。该型反井钻机钻井偏斜小，深206 m导孔偏斜仅为200 mm，偏斜率小于1‰；
3) 施工安全。采用BMC400型反井钻机施工竖井，避免了传统方法对井筒围岩的扰动，井壁更加稳定。缩短了施工人员在下部巷道的作业时间，施工比较安全；
4) 井下运输困难。在井下通过上下坡路段和巷道狭窄处运输难度较大；
5) 组装和拆卸用时较长。
6. 结语
峻德煤矿采用改良后的BMC400型反井钻机成功完成了钻凿直径1.6 m，深度206 m的主井延伸井筒的导井工程。该案例说明，反井钻井法在钻井速度、成井质量、安全施工和环境保护等方面较以前采用传统施工方法有明显的改善。反井钻井法的采用不仅取得了良好的经济效益，还大大提升了施工的安全性。此外该案例也为其它矿山、水电、储气、交通等领域的地下工程建设提供了可借鉴的经验。
基金项目
天地科技股份有限公司科技创新创业资金重点项目(2018-TD-ZD003)。
NOTES
*第一作者。