国外竖井论文20：大直径钻孔提升系统－煤矿规划者的新机遇

发布时间:2024-05-04

大直径钻孔提升系统——煤矿规划者的新机遇

丹尼斯 G 马丁¹，罗兰 亨特²，阿兰 普赖斯 琼斯³

（1.加拿大水泥公司 天井钻井 经理；2.加拿大水泥公司 矿井学科带头人 理学学士；3.加拿大水泥公司 技术总监 工程硕士 特许工程师）

摘要：在深井中使用安装在竖井的中低等性能的提升系统并不是最前沿的理论，但是如今因为两个具有重大意义的技术难题得以解决，使得更高性能的钻孔提升系统的概念得以实现，而且这个概念使矿山服务和初级生产（300到600公吨每小时）都能成为现实。

一个更高性能的钻孔提升系统的一个基本要求是方向完全竖直，并且要求误差很小。当大量荷载在提升井筒中高速移动时，由于过量偏差的存在会产生显著的侧向加速度，将导致不良的偏移和横向动力。除导致钻头和基座的过度磨损，横向动力和不良偏移还会迅速破坏输送工具、支护和竖井的布置。

第二个要求是当大量荷载在一个井筒中移动时，需要为规模大、性能高的输送工具提供足够的空间，使其安全地通过另一个井筒，同时容许这个输送工具保持水平从而有效地输送岩石材料。其必要截面面积的要求使钻孔直径达5~6米。

高性能深井钻井提升系统的两个因素是：

（Ⅰ）高精度的垂直钻孔导孔技术；

（Ⅱ）大直径提升钻孔性能的实现。

本文中还描述了其它重要的因素，但是如果没有以上两个重要的技术做为前提，它们就不能实现所要求的提升系统。

关键词：采矿工程；天井钻进；钻井提升；矿井生产提升系统；钻井精度；垂直钻井；通风设备；大直径

New Opportunities for Mine Planners – Large Diameter Borehole Hoisting Systems 

Dennis G. Martin Manager, Raise Boring, Cementation Canada Inc.

Roland Hunt, B Sc. Discipline Specialist - Mining, Cementation Canada Inc.

Alun Price Jones, M Eng., CEng Technical Director, Cementation Canada Inc.

Abstract The use of low to medium capacity hoisting systems installed within raised shafts in deep mines is not new, but now two significant technical obstacles have been overcome to enable the concept of a higher capacity borehole hoisting system for both mine service and primary production (300 to 600 tonnes/hr) to become a reality.

One essential requirement for a higher capacity borehole hoisting system is that it be truly vertical; within tight tolerances.Massive payloads travelling at high speeds within a hoisting shaft would generate significant lateral accelerations due to excessive deviations, resulting in undesirable swaying and lateral dynamic forces.  Apart from causing undue wear to guides and shoes, such dynamic forces and swaying could soon damage conveyances, supports and shaft furnishings. The second requirement is to provide sufficient space for larger, high capacity conveyances to pass by one another safely while travelling in the shaft, while at the same time allowing the conveyance to be dimensioned appropriately for efficient handling of rock materials.  The necessary cross sectional area requirements point to borehole diameters of the order of 5m to 6m. 

The two enablers of a higher capacity, deep borehole hoisting system are: (i) the technology to drill vertical pilot holes with high accuracy;  (ii) the realization of large diameter raise boring capabilities. Other important factors are also described in the paper, but they alone could not deliver the required hoisting systems without these two key technologies.  

Key Words: - mining; raise boring; borehole hoisting; mine production hoisting; drilling accuracy; vertical drilling; ventilation; large diameter.

1.什么是天井钻进

天井钻进是一种当钻井机从地面钻入导孔（直径为380mm），并在深度为1000m时通过岩层达到交叉巷道，用大直径的扩孔刀头（直径为5m）代替导向钻孔机的方法。此时钻机开始扭转并向上推动刀头在钻杆中达到扭矩和张力，然后开始从底部挖掘，岩屑因重力下落至底部，同时底部的淤泥也不断地被清理。该方法首要的一点是有预先存在的连通顶底的通道。

这种提升普遍用于矿井通风系统中、含有矿石的岩层中，或者副井中。在许多案例中，不能保证有良好的控制，正如在那些案例中没有要求相当高的精度。

图1.提升钻井刀头有a）从底部开始；b）从上面完成

2.什么是钻井提升

钻井提升是用于提升岩石、人员和材料的一种提升装置，该装置垂直通过钻孔，用于煤层和地面之间或者两个地下煤矿之间。钻孔是整个提升系统的一部分，它包含：

l提升装置（包括起重机、电源、缆绳和绞缆车）；

l在提升顶部的顶部装置（包括排土或者卸载的配置）；

l钻井包括运输引导系统；

l运输工具可以用于提升也可以用于携带升起的材料；

l加载装置在提升系统的底部。

钻井提升能够按要求组装，既能用于矿山服务，又能用于初级生产产品的提升（岩石或矿石），而且还能提供一个通风的功能。

为了安装有效的提升系统，这个系统必须是垂直的，所以这些系统传统上必须被安装在盲目下沉的竖井中因为：

l能够确保在开挖过程中的垂直对齐；

l能够开挖大直径来容纳要求的提升运输工具和运输引导系统。

当煤层较接近底部时，人们提出了一种不同于传统盲目下沉的方法，这种方法提出一个靠近中心的小半径提升钻孔（或其他挖掘方法），然后用传统的下沉方法在较大的半径时从顶向下挖掘，除了清理是从底部中央吊升。这个方法比盲目下沉有更快的优点，但是需要以下两个阶段工作的结合，一是最初的提升钻孔，二是后续下沉的产生。

现在存在一个单程提升钻井的选择。大直径提升钻孔的开挖与提升钻井精确性相辅相成，这意味着现在那些钻孔被作为提升装置。

钻井提升并不是一个新的概念，但是由于钻井的规格和钻进精度的限制，过去常常因岩石提升装置的性能较低，钻井提升通常被限制在一个小的直径上。到现在大直径的钻孔提升也很少，即使是有，也是在初级煤矿生产高性能钻孔提升装置安装的前提下。

3.提升钻孔的发展

早期提升钻井首先用于开放提升的挖掘，如通风和矿石或者废物的提升。由于提升钻井设备的缺陷，所以提升系统受半径（典型为1.8m）和长度的限制。

随着提升钻井设备发展到坚硬岩石的程度（>150MPa），大直径提升系统普遍被认为达到直径3~4m，长度大于300m，煤矿和通风工程师尝试的设计是突破提升系统的种种限制和开挖，然后调整到适合。

因为半径、长度和导孔垂直的限制，安装垂直提升或立井的天井钻进系统用于服务或清理提升并没有得到普遍的认同。

随着对更长长度、更大直径的提升系统的要求不断发展，所以更强力的提升钻孔和孔内硬件的改进很有必要。这些技术是将钻井发展到直径为6m，长度为1000m所必须的。

图2.斯特拉特950号提升钻井

4.井地面支持和稳定性评估

钻孔扩孔过程一般会产生一个平滑、圆形的孔洞，这一孔洞在开挖过程中没有得到地面支护，然后因为周围岩石干扰通常需要最小的永久支护，作为与钻孔爆破盲目下沉的方法的比较。在开挖过程中后者要求采用表面临时支护来保护竖井底部的工作人员，紧接着的是通常用混凝土做衬砌的永久支护。

钻井永久地面支护系统只有在开挖过程完成后才能进行安装。地面支护的安装通常由上到下，由悬吊的临时装配阶段开始，该支护并伴随井口绞车的绞车缆索降低。当要求地面支护系统的完整范围时以下可以作为代替：完整混凝土衬砌，混凝土环，喷射混凝土或纤维混凝土，锚杆和锚网。

一个优于盲目下沉开挖钻井的优点是不要求临时支护的安装，也就是只有永久支护系统的安装才要求刀头的完整安装，并需要一系列数周的养护措施。关于提升井壁的后期建设的录像也可能与预测的和实际的条件比较。被选中的支护可以通过调整来适应现场条件，并由工作面安装，或由细微的喷射纤维混凝土提供。

地面条件需要适当允许允许使用提升钻孔的方法。岩石质量的评估可以使用广泛接受的岩体评级，例如（RMR）由比尼亚夫斯基（1989）和巴顿（1974）的“Q”理论相结合的稳定性分析如麦克拉肯和斯特西理论。这种方法中使用的RSR方法（提升钻孔稳定性比率）是提升钻井半径和开挖适用年限的方程，在这一情况下钻井提升系统达到预期的使用寿命，又能短期早于地面支护的安装。因为存在对开挖井壁楔形裂缝的产生有一定的担忧，用楔形分析的联合模式的评估得以完成，这一评估使用的是RocScience的Unwedge项目（2011）。
图3显示了所需的岩石质量的稳定性随直径的增加而增加。当在低质量的岩石中2m的提高能保持稳定时，在一般质量的岩石中就需要5m的提升，在高质量的岩石中就需要6m的提高。

图3.提高直径和稳定性（麦克拉肯和斯特西（1989））

5.钻孔精度的要求

随着开先进设备的开发和使用试点钻孔的垂直准精度也大大提高，如培根的旋转垂直钻井系统（RVDS）用来钻导向孔。

钻孔的垂直度是由导孔向钻孔精度和钻孔过程中两个偏差分量的精确度决定：

·螺旋型偏差—不断运动的导向孔在导向孔中心周围绘制假想的圆。

·方向偏差 —这与岩石结构有密切关系;一般是在一个方向，或是沿井向下一段距离。

螺旋偏差导致在在扩孔过程中钻孔壁波动起伏。当提升系统在钻孔中安装时，这些井壁上的起伏会影响运输间隙。它们通常直径范围在 190-380mm（15的导空钻头 ）和运输间隙可以通过扩孔钻孔直径来适应这些波动从而保证。

定向偏差因素是通过钻孔长度来影响整体钻孔定位。

6.钻孔的垂直度

导向孔的精度可通过使用的钻孔工具来控制，这些工具已在石油钻井行业发得到应用。该RVDS - 旋转垂直钻井系统是将所述钻柱 端部 安装在 底部组件先导孔位后面的工具。该工具由两部分组成：

·脉冲发生器。

·可操纵稳定剂子。

            图4：RVDS定向钻井工具

脉冲发生器包括液压油箱和涡轮 - 发电机单元。去除钻屑所需的流动泥浆常被用作生产电能和液压能，这些能量就是操作工具所需的能量。

电力被用来驱动内部数据的存储和传感器单元用来测量工具相对于钻孔轴线的实际位置，并激活稳定剂子。附属内部编码单元数据转化为压力信号，这些信号通过泥浆柱从工具的表面传来。上表面解码单元中的压力脉冲转换成可被读取和由个人电脑显示的数字信号。这允许作者不断地读取转向信号和调查来自地球科学数据 。可操纵稳定剂子被直接安装在钻头后面，它相对于钻孔是不旋转的，在四个独立液压驱动的帮助下，导向钻头没有垂直钻井。

连续使用该工具的平均周期为150至200小时之间，通常因为磨损试点位孔而停机。重要的是，该工具可以连续操作如果试点孔被维修。

7.偏差对设备设计的影响

斜井要求以下几点必须在工厂生产设计.

·最后的扩孔直径必须满足提供间隙来容纳井壁的起伏由于钻孔的偏差。

·用钢套、井壁附件、刚来固定导向系统必须适应这种偏差，用这种方法确保导向系统尽可能多的在垂直方向上运行。

设备设计在所有其他方面将是一样用于常规井升降。

8.钻孔装备

钻孔装备要求由提升设备确定的，提升系统可以提供运输工具和预定的服务。

(1)跳过滚筒提升机上都可以运行：

(2)固定导轨需要钢套和设备

(3)或导绳悬挂有滚筒式绞车交通工具需要安全以及必须起作用。

(4)固定木质导轨设备需要钢套和设备。悬挂与多股钢丝绳电动提升机运输工具，如布莱尔或摩擦提升机可运行：

(5)固定带有钢套和设施钢板导轨;

9.固定导轨系统

固定导轨系统一般都是钢套支撑垂（6米）直的贯穿整个钻孔或者锚固到井壁上。

该钢套一般包括矩形罐梁，分离器和导向支架 直接引导到井壁。

任何斜井要求有一套的设施，即井壁附件，集钢和导向支架以这样的方式适应该偏差，以确保导向件的位置是在一个连续的垂直运行是可能的。本要求如下：

·导向支架壁有各不相同尺寸的来（墙的距离）适应照墙上的偏移。

·导向支架附件的横梁和分隔板为了来适应墙偏移。

·根据墙偏差，分隔壁会有所不同的尺寸。

导向孔完成后，最后一个测量独立偏差会起作用，这个数据会量化任何一个偏差孔的数量和方向。延伸井壁的偏差可以被应用在预先计划的井筒支架工程上来调整偏差。

10.导轨绳索系统

导绳系统的绳索被锚固在钻孔顶部的井架上，一个锚固设备被锚固在钻孔底部的钢套上。他们自由的悬挂在整个钻孔上不需要作为固定系统支护整个钻孔。的确如此，但是，需要更大的运输空间来保证导绳系统的运动。

由钢架支撑固定系统需要引导运输卸载或者装载。

导绳必须适应有效的钻孔直径，该钻孔能够适应由导向孔偏离（190—380mm）引起的井壁起伏，加上导绳(300mm)相对于固定导轨(75mm)的运输间隙。

钻孔和导绳的配备是可行的，垂直的精度是允许的，通常来说固定导向系统花费的成本少。

11.钻孔吊装装置

钻孔吊装配置由吊装的选择（s），运输工具（s）,导向系统（s）决定。一个钻孔的起重布置由一个两室的可用空间和可容纳单个起重系统所限制。

图5的配置仅用于岩石的提升，跳过导绳的摩擦式提升机和包括一个出口。虽然提升系统只是用于岩石提升，一些改动就可以用于提升人和材料。在此情况下，如果一个双滚筒提升机在使用、运输工具可以在钢套的木质导轨上运行。图5：井壁岩石提升配置

用于人类和材料以及岩石运输的独立的平行提升系统需要两个以上的隔离室，因为尺寸的限制和所需的运输间隙通常认为在一个钻孔中是不行的。

目前，高容量矿山提升系统正应用在柯克兰莱克的西部，加拿大安大略省的戴维森项目中，北风井是用于岩石吊装：

l 钻孔直径5.5米，深1550米；

l 发展为三个钻孔；

l 包含在第二钻孔的底部装置里；

l 摩擦提升机；平衡中提升；导向绳索；

l 每天吊装7000吨；

作为恢复矿山以前生产水平15亿项目的一部分，加拿大水泥公司正在加快在历史悠久的矿山竖井旁边建立第二个矿井（一种钻孔提升井）开钻速度。AuRico煤矿是一个大工程，预期未来15年内，每年将生产180000盎司的黄金，而为了实现这个目标，在这个矿山上建立一个吊装能力高达7000吨每天的新的竖井是关键之一。

新竖井，毗邻现有竖井；覆盖层10米以下是基岩和混凝土。一个直径381mm的先导孔钻至446米的深度。更为重要的是，垂直度用旋转垂直钻井系统维护（RVDS）。对竖井设计最大可接受偏差为305mm。

图6显示底部总偏移量是偏向东北40mm，在460m深处最大偏移量是向东180mm。

在深度这一点，将一个5.52m直径切割头连接在钻孔机上，并在接下来133天内的新竖井端以每天3.4米的速度向上移动。完成该钻孔升降竖井建设包括三个方面，每个竖井需要约500m长度的连续的垂直支撑，安装地面支撑，并最终完成竖井建设，包括加载槽的安装，竖井提升服务系统和绳索引导。为了安装支撑1和2的扩孔刀头，通过地下巷道进入现有矿井，当现有矿井达到1500m时，支撑3的安装被完成。

AuRico利用早期基础设施建设工作的优点：通过支撑1和2提升钻岩的生产能力，而这时支撑3和最后一个支撑还在建设中，而不是等到整个矿井建设完成，这种方法为矿井建设提供了一个重要机遇。

地面支撑装置安装在立柱钻孔完成之后。通过表面机械设置安装来完成由两个绞盘支持的三层加洛韦效应阶段。该系统允许人员和物资升降，第二升降系统为紧急逃生出口。三层加洛韦效应阶段由地面钻井支持的底层，安装锚杆和隔板的中层，用以甲板支架服务系统，临时服务系统，电力电缆存储的安装的顶层，三部分组成。更具体地说，是两个气动刀架钻钻孔。9号计镀锌链链接网是由安装在一个单轨运行阶段的周长旋转盒式安装。长度为1.8米，安装在1.2米长，厚为20毫米的树脂螺纹钢上。

一旦第一支承开始起作用，加洛韦系统本身在底部第一支撑将覆盖第二支撑先导孔和扩张孔。因此一旦挖掘，第二地面支持将要同时安装。 对于每个连续的支柱，测量控制是至关重要的，以确保升降孔是在正确的坐标上。在第二支撑底部，装载设备安装会利用加洛韦阶段的工作平台。此外，底部在这个临时支撑的位置，需要临时机械设备绳索系统。

一旦第三支撑的扩孔完成，则整个地面支持装置会从表面重新定位，并且重新安装一个在第二支撑下方的支撑。在完成对支撑3的地面安装后，在全面深入的情况，第二装载设施将被挖掘出来，最后安装在永久性竖井底部。竖井中间的加载转换为竖井底部的加载。这涉及挖掘以去除立柱2的临时支撑，最后，在这一区域，安装地面支撑，在计划竖井深度处的永久摩擦提升机上安装吊装钢丝绳。图7：a）在两个支撑处钻孔，b）盲井下沉选项

该项目最初设想为两个立柱（见图7）这将需要两个深度为750m的孔。但是，为了适应扩孔系统与矿山开发计划和时间表，较早进入钻孔吊装系统，系统计划开发第三立柱。

虽然这种情况下，选择了导向绳索作为钻孔吊装系统，但是固定的导向钻孔系统也是竖井吊装的一种选择，而且对任何钻孔来说，这两种系统都是一个不错的选择。固定的导向系统能提供更多的空间，可以满足工作空间小而又对运输有要求的吊装；给予钻孔更多精度/偏差要求；并可以处理较大的废石尺寸或更大的间隙要求下的服务系统提升选项。同时固定导向系统也具有多层次吊装的功能。这一点很重要，因为这里描述的安装可以从一级开始吊装，随后往下移动，但并不适合多层次吊装。一个固定的导向系统会允许这一点，人类的水平也将达到中级水平。这里使用的导向绳索解决方案是具体的并且对矿山的要求来说，也是最合适的，但这不一定是每个项目的最佳选择。

12.传送系统：
    由提升系统支持的运营服务会决定传送系统的使用
    岩石提升的选项：
    1. 单个废料桶
    2. 双废料桶（平衡）
    3.废料桶和配重（平衡）
13.岩石提升加和材料选项
   1.废料桶越过升降车或升降车越过废料桶（平衡）
    2.废料桶与升降车平衡
满足以上条件的情况下第二出口装置应符合当代地规章制度要求。
破碎与粉碎的岩石
    在装载废料桶之前就需要矿山开采的若干径定，矿山或者浪费的岩石。
并且一个普通的设计参数要求最小的废料桶的尺寸与最大的岩石尺寸的比例是3:1小的岩石尺寸提升了废料桶的装载和填充效率并且通常会减少传送系统的腐蚀和损坏。问题是岩石在提升系统中应该被摧毁还是不被摧毁取决于以下几个因素：
    1.矿石或者浪费的岩石的尺寸
    2.运输横截面尺寸
    3.需要的岩石的起重吨位
    4.用于粉碎其他尺寸选择的资本和运营成本
    岩石可能通过一只灰熊来定义尺寸，但是生产量通常被限制在2000tpd，对于较大的起重吨位和尺寸在355mm以下的岩石，摧毁会让碎石尺寸和运输横截面尺寸优化，改善装载和填充效率，减少传送系统的腐蚀和损坏。
14.适用于井筒提升井的条件及实际限制
    1.必须可以在钻孔的底部安装孔头和拆下铰屑
    2.在地下的“暗”或者子垂直轴应用的情况下（位于轴的顶部深处）要求接 

近顶部和底部的钻孔。
3.岩石的长度和结构必须服从于枯燥并要求在决定继续延伸之前有一个详细的岩土工程技术的评价。
    4.钻孔的直径可能受岩石长度和结构的限制。

5.开挖地基条件必须是稳定和并确保地基开挖的时间是充足的。

6.支撑系统只能扩孔过程完成后安装

7.单通孔长度的局限性和垂直度要求可能需要许多发展阶段

8.过多的地下水必须是一个要解决的问题

9.必须有足够的运输处理能力增加钻孔开挖岩体的速度

15.钻孔起重效益

相比传统的盲槽竖井开挖，有好几个益处来自于起重轴或小暗井处钻孔开凿

1.作为操作人员更安全的挖掘方法是不要将轴底暴露在已经喷砂的岩石面上

2.开挖方法对围岩的扰动较小

3.临时支座的安装孔即永久支座安装完成后扩孔

4.总的钻孔开挖速度比下沉速度快

5.在有能力进行并发工作活动时，总的项目时间计划可以适当减少

6.挖掘成本降低

7.整体降低

8.与盲目的沉轴相比，减少了开挖工程

9.长期交付/采购项目，如一个永久性的提升机 从关键路径中移除

16.条件  

需要提高的是，整合出一个好的矿井通风计划来给人们提供服务。导绳和传送工具最大限度的消除流动阻力，然而，通风量也需要考虑，特别是在轴附近某些空气进入的区域（风为例）或在运输工具通过的地方，因为这也创造了侧向力。如果不解决这些细节问题，可以说这些吊孔可以作为通风设备提出提出来。为了安全起见，人们通过提升气流来获得更新鲜的空气（这是一些公司所实行的一个标准）。在淤泥的环境中提升气流可以获得新鲜的空气或者是返还的空气。也应当考虑为回风腐蚀性方面的要求，但这更多的是考虑在一个固定的导轴上。

钻孔提升可以给那些垃圾处理系统已经饱和但又打算承接大型开发项目的煤矿开发商提供一个绝佳的机会。我们经常可以看到那些煤矿开发商计划开发矿体的下半部分的时候，会同时用他们现有的提升系统处理废弃物或者直接将废弃物用以填充采完的空旷山。一沉不变的废弃物处理系统是一种二次加工，那些完工的开发项目区也将迅速成为垃圾带，被竣工后的项目部遗弃在那里，这又会反之延误未来的产品生产。伴随着通风设备行业的永久性提升，这种钻孔起重机在本质上只能起到暂时性的作用。这种方式并非新兴产物，但仍需得到重视。在一个煤矿开采计划里，不单单要计划如何提高通风口的工作效率，计划建设和装配对废弃物处理系统的提升对于一个煤矿规划来说具有更重要的意义。

总结

大直径钻孔提升系统对于岩石开采来说是对其传统的竖井提升系统的一个可行、可操作性的替代物。大直径钻孔提升系统还可以节约矿山开发和设备安装时间，并且降低整体总资本成本。

一直困扰着当今钻孔设备提升的那些经验型误差如今相对减小，并且当今垂直提升系统的设计已经可以去适应那些误差。钻孔误差已经不再会给垂直提升体统的安装和运行效率造成麻烦。

钻孔提升系统的提升应该体现在诸如借机将通风设备高效化投入到煤矿规划进程中。

在那些地下通道可利用、地表条件可检测的矿区，为了提高煤矿钻孔系统的安装所展开的钻孔开发项目应该重视那些，基于特殊标准和参数的单个项目对于传统轴和通道的选择。

·铁矿盆地

图8和图9显示了在François 竖井的一部分数据。

图8.在François立井中二氧化碳气体含量与温度的记录

图9.在François立井中氡体积的变化和温度的记录

竖井的温度变化，受季节影响。CO₂气体含量呈现季节性变化，氡体积变化也有这种特性可分别达到2%和5000 Bq/m³。

水位上涨并不影响竖井内的气体流动特性和特征。这一结论同样适用在Algrange平硐(仅在脱水时观察到少量的CO₂含量降低）。 相反， 氡体积变化稳定地保持在9000 Bq/m³。

根据每个通道和季节的观察，我们确定气体的流动受到大气温度变化的直接影响。在François竖井, Algrange平硐和Ottange 斜道.有毒气体会优先在夏季通过有网格的通道排放到地表。