1.本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种反井法进行竖井开挖的施工方法。
背景技术：
2.我国基础设施建设仍在持续增长，特长隧道数量巨大，竖井结构必然随之增多。“反井法”进行竖井开挖施工需要利用反井钻机进行导孔及溜渣孔施工。如图1所示，反井法进行竖井开挖施工基本工艺通常包括：(1)施工导洞：利用反井钻机向下钻进，贯通水平巷道形成导孔；(2)施工溜渣孔：导孔贯通后更换反井钻机钻头向上提升钻进，直至地面，形成溜渣孔；(3)竖井全断面爆破开挖：利用爆破方法进行开挖，将形成的石渣从溜渣孔溜放至竖井底部的水平巷道，利用水平巷道进行石渣出渣至弃渣场。反井法施工经常出现堵孔现象。公告号为cn210888941u的中国实用新型专利公开了一种用于隧道竖井反井法施工的防溜渣孔堵塞装置，其指出对于大断面、深孔竖井在爆破出渣过程中，容易发生溜渣孔堵塞现象，目前溜渣孔堵塞的一个主要原因是在爆破过程中，爆破矿渣在溜渣孔推积过多，当溜渣孔来不及疏导时，爆破矿渣就会堆积在溜渣孔内，长期堆积导致溜渣孔堵塞，因此，其提供一种用于隧道竖井反井法施工的防溜渣孔堵塞装置，以解决在隧道竖井反井法施工过程中，深孔竖井容易发生溜渣孔堵塞的技术问题。然而，采用上述中国实用新型专利的防溜渣孔堵塞装置只能在爆破过程中防止由于爆破矿渣在溜渣孔推积过多而导致的溜渣孔堵塞，实际上，在后续通过弃渣设备将爆破形成的石渣从溜渣孔溜放至底部水平巷道的过程中，还是会发生溜渣孔堵塞的问题。
技术实现要素：
3.针对上述背景技术中提出的问题，本发明提供一种反井法进行竖井开挖的施工方法，以防止在弃渣设备将爆破形成的石渣从溜渣孔溜放至竖井底部水平巷道的过程中溜渣孔发生堵塞。
4.为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
5.一种反井法进行竖井开挖的施工方法，包括以下步骤：
6.基于溜渣参数选择反井钻机：根据所要开挖的竖井参数及开挖采用的弃渣设备的工作参数确定理论溜渣孔半径r，r＝[kad2/(f
×
t)]
0.5
，式中，k为弃渣安全系数，即单位长度范围内溜渣孔体积与弃渣设备的每斗弃渣量之比，a为每循环开挖深度，d为竖井半径，f为弃渣设备的弃渣频率，t为弃渣设备的每循环弃渣时间；选择扩孔直径＞2r且钻孔深度l＞h的反井钻机进行施工，其中，h为反井钻机钻通至竖井底部水平巷道的钻进深度；
[0007]
利用选择好的反井钻机采用反井法对竖井进行开挖施工。
[0008]
进一步地，k取1.5～2。
[0009]
进一步地，弃渣设备的每斗弃渣量v＝u/(f
×
t)，式中，u为弃渣设备的每循环开挖方量(m3)，f为弃渣设备的弃渣频率(斗/h)，t为弃渣设备的每循环弃渣时间(h)。
[0010]
进一步地，弃渣设备的每循环开挖方量u＝πd2a，式中，d为竖井半径(m)，a为每循
环开挖深度(m)。
[0011]
进一步地，按照每延米计算弃渣安全系数k则有k＝πr2/v，式中，v为弃渣设备的每斗弃渣量。
[0012]
进一步地，弃渣设备为挖掘机、
铲运机、装载机、推土机中的一种或多种。
[0013]
进一步地，当施工过程中有多台弃渣设备同时作业时，弃渣设备的每斗弃渣量选取多台弃渣设备的每斗弃渣量的最大值。
[0014]
进一步地，当弃渣设备选用两种或两种以上同种类同型号的弃渣设备同时作业或两种或两种以上不同种类或不同型号的弃渣设备同时作业时，弃渣频率采用下式计算：
[0015]
式中，vi为第i个弃渣设备的每斗弃渣量，fi为第i个弃渣设备的弃渣频率，n为弃渣设备的总台数。
[0016]
本发明还提供一种反井法进行竖井开挖的反井钻机选择方法，包括以下步骤：根据所要开挖的竖井参数及开挖采用的弃渣设备的工作参数确定理论溜渣孔半径r，
[0017]
r＝[kad2/(f
×
t)]
0.5
，式中，k为弃渣安全系数，即单位长度范围内溜渣孔体积与弃渣设备的每斗弃渣量之比，a为每循环开挖深度，d为竖井半径，f为弃渣设备的弃渣频率，t为弃渣设备的每循环弃渣时间；并选择扩孔直径＞2r且钻孔深度l＞h的反井钻机进行施工，其中，h为反井钻机钻通至竖井底部水平巷道的钻进深度。
[0018]
由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
[0019]
经研究发现，在弃渣设备将爆破形成的石渣从溜渣孔溜放至竖井底部水平巷道的过程中溜渣孔发生堵塞的主要原因为溜渣孔直径过小导致洞渣溜放过程中形成堵孔。一般来说，溜渣孔直径越大，溜渣时越不容易发生堵塞，但直径越大工程造价越高，施工速度降低，因此，基于施工成本、效率的限制，工人会根据所需钻孔的深度、竖井直径凭经验选择合适扩孔直径的反井钻机，然而，凭经验选择反井钻机误差大，容易导致施工所得的溜渣孔直径过小；另外，目前选择反井钻机时并未考虑溜渣施工时弃渣设备的工作参数，从而导致所选反井钻机施工得到的溜渣孔直径过小不能满足弃渣设备的工作所需，致使弃渣设备溜放至溜渣孔内的石渣不能及时从溜渣孔排出而造成溜渣孔阻塞。
[0020]
上述反井法进行竖井开挖的施工方法，其在选择反井钻机时，不仅考虑钻孔的深度、竖井直径等常规参数，还结合弃渣设备的安全系数、弃渣频率、每循环弃渣时间等工作参数建立数理公式对理论溜渣孔半径r进行计算，并选择扩孔直径＞2r且钻孔深度l＞h的反井钻机进行施工，其中，h为反井钻机钻通至竖井底部水平巷道的钻进深度，从而确保所选的反井钻机施工得到的溜渣孔直径能满足弃渣设备的工作所需，解决现有技术中依据工人经验选择反井钻机导致在弃渣设备将爆破形成的石渣从溜渣孔溜放至底部水平巷道的过程中溜渣孔发生堵塞的问题，且通过上述反井法进行竖井开挖的施工方法选择反井钻机，能够得到合适大小的溜渣孔直径，避免溜渣孔直径过大导致工程造价过高或降低施工效率，同时避免溜渣孔直径过小而导致溜渣孔堵塞，且上述反井法进行竖井开挖的施工方法为反井钻机的选择提供了依据，避免依据经验选择造成的误差大等问题。
附图说明
[0021]
图1为现有技术的反井法进行竖井开挖的施工方法的示意图。
[0022]
图2为本发明一较佳实施方式的反井法进行竖井开挖的施工方法的流程图。
具体实施方式
[0023]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0024]
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
[0025]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0026]
请参见图1及图2，本发明提供一种反井法进行竖井开挖的施工方法，包括以下步骤：
[0027]
s1，基于溜渣参数选择反井钻机：根据所要开挖的竖井参数及开挖采用的弃渣设备的工作参数确定理论溜渣孔半径r，r＝[kad2/(f
×
t)]
0.5
，式中，r为理论溜渣孔半径，k为弃渣安全系数，即单位长度范围内溜渣孔体积与弃渣设备的每斗弃渣量之比，a为弃渣设备的每循环开挖深度，d为竖井半径，f为弃渣设备的弃渣频率，t为弃渣设备的每循环弃渣时间；选择扩孔直径＞2r且钻孔深度l＞h的反井钻机进行施工，其中，h为反井钻机钻通至竖井底部水平巷道的钻进深度。
[0028]
在本实施方式中，弃渣设备为挖掘机、铲运机、装载机、推土机等中的一种或多种。
[0029]
设理论溜渣孔半径为r，按照每延米计算弃渣安全系数k则有：
[0030]
k＝πr2/v (1)
[0031]
式(1)中，r-理论溜渣孔半径(m)；v-弃渣设备的每斗弃渣量(m3)，其可根据弃渣设备的参数而得，当施工过程中有多台弃渣设备同时作业时，弃渣设备的每斗弃渣量选取多台弃渣设备的每斗弃渣量的最大值，即假设第1台弃渣设备的每斗弃渣量为v1，第2台弃渣设备的每斗弃渣量为v2，第i台弃渣设备每斗弃渣量为vi，则式(1)中弃渣设备的每斗弃渣量的取(v1,v2,......,vi)中的最大值。
[0032]
弃渣设备的每斗弃渣量v可参照下式(2)计算：
[0033]
v＝u/(f
×
t) (2)
[0034]
式(2)中，u为弃渣设备的每循环开挖方量(m3)；f为弃渣设备的弃渣频率(斗/h)，弃渣设备的弃渣频率为单位时间内弃渣设备的弃渣次数，弃渣设备利用渣斗将石渣铲起并将渣斗内的石渣下放至溜渣孔为一次弃渣作业，弃渣频率可通过人为设定，当弃渣设备选用两种或两种以上同种类同型号的弃渣设备同时作业，或选用两种或两种以上不同种类或不同型号的弃渣设备同时作业时，弃渣频率计算选用算数平均计算，即设第1台弃渣设备每
斗弃渣量为v1、弃渣频率为f1，第2台弃渣设备每斗弃渣量为v2、弃渣频率为f2，第i台弃渣设备每斗弃渣量为vi，弃渣频率为fi，则弃渣设备的弃渣频率式中，1≤i≤n，n为弃渣设备的总台数，其为不小于1的正整数；t为弃渣设备的每循环弃渣时间(h)，其为工期要求的每次爆破后将该次爆破形成的石渣从溜渣孔全部溜放至竖井底部的水平巷道的时间。
[0035]
弃渣设备的每循环开挖方量u可参照下式(3)计算：
[0036]
u＝πd2a (3)
[0037]
式(3)中，d为竖井半径(m)，a为弃渣设备的每循环开挖深度(m)，其可根据工期进度和开挖安全因素控制选取。
[0038]
则依据式(1)-(3)，转换得到溜渣孔半径r的计算公式：
[0039]
r＝(kv/π)
0.5
＝[k u/(f
×
t
×
π)]
0.5
＝[kπd2a/(f
×
t
×
π)]
0.5
＝[kad2/(f
×
t)]
0.5 (4)
[0040]
式(4)中，k通常取1.5～2。
[0041]
s2，利用选择好的反井钻机采用反井法对竖井进行开挖施工，其具体包括以下步骤：
[0042]
s21，施工导洞：在选择好的反井钻机上安装该反井钻机型号适配的导控钻头，利用选择的反井钻机向下钻进，贯通水平巷道形成导孔；
[0043]
s22，施工溜渣孔：导孔贯通后将反井钻机的导控钻头更换为该反井钻机型号适配的扩孔钻头，利用选择的反井钻机从下向上提升钻进，直至地面，将导孔扩孔形成溜渣孔；
[0044]
s23，竖井全断面爆破开挖：利用爆破方法进行开挖，通过所述弃渣设备将爆破形成的石渣从溜渣孔溜放至竖井底部的水平巷道，利用水平巷道进行石渣出渣至弃渣场。
[0045]
反井钻机的结构属于现有技术，为省略篇幅，这里不再赘述。通常每一型号的反井钻机均配备有该型号适配的导控钻头及扩孔钻头，通常反井钻机的扩孔直径指的是扩孔钻头的工作参数。
[0046]
本发明实施方式还提供一种反井法进行竖井开挖的反井钻机选择方法，包括以下步骤：根据所要开挖的竖井参数及开挖采用的弃渣设备的工作参数确定理论溜渣孔半径r，r＝[kad2/(f
×
t)]
0.5
，式中，r为理论溜渣孔半径，k为弃渣安全系数，即单位长度范围内溜渣孔体积与弃渣设备的每斗弃渣量之比，a为弃渣设备的每循环开挖深度，d为竖井半径，f为弃渣设备的弃渣频率，t为弃渣设备的每循环弃渣时间；选择扩孔直径＞2r且钻孔深度l＞h的反井钻机进行施工，其中，h为反井钻机钻通至竖井底部水平巷道的钻进深度，其由施工的要求而得。
[0047]
下面结合具体实施例对本发明实施方式的反井法进行竖井开挖的施工方法进行说明。
[0048]
根据市场调查，查得常用反井钻机主要技术参数如表1所示，其中，扩孔直径、钻孔深度则是反井钻机的重要参考指标。
[0049]
表1反井钻机主要技术参数
[0050][0051][0052]
获取反井钻机钻通至竖井底部水平巷道的钻进深度h、竖井半径及弃渣设备的工作参数，在本实施方式中，h＝180m，竖井半径d＝8.7m，采用的弃渣设备为同种型号的挖掘机，弃渣安全系数k＝1.5，弃渣设备的弃渣频率f＝45斗/h，弃渣设备的每循环弃渣时间t＝6h，每循环开挖深度a＝1m；
[0053]
通过式(4)计算理论溜渣孔半径r，如下表2所示，理论溜渣孔半径r＝0.65m。
[0054]
表2理论溜渣孔半径计算
[0055][0056]
反井钻机的选择控制参数主要为理论溜渣孔直径2r和钻进深度h。
[0057]
反井钻机的选择控制参数1(理论溜渣孔直径)根据理论溜渣孔半径获取数值，如表3所示。
[0058]
表3反井钻机反选控制参数1理论溜渣孔直径
[0059][0060]
反井钻机的选择控制参数2(钻进深度)根据实际钻进深度确定，如表4所示。
[0061]
表4反井钻机反选控制参数2钻进深度
[0062][0063]
根据反井钻机的选择控制参数选择适用型号的反井钻机，具体为：当反井钻机的扩孔直径r》2r且反井钻机的钻孔深度l》h时的反井钻机满足条件，在本实施例中，反井钻机的扩孔直径r》1.30m且l》180m的反井钻机满足要求，如下表5所示。
[0064]
表5适用反井钻表
[0065][0066]
从表5可以看出，在本实施例中，选择型号为am-200、am-250、zfy2.5/200及am-400的反井钻机来进行施工均可。
[0067]
完成反井钻机的选择后，采用选择好的反井钻机进行竖井施工，其属于现有技术，为省略篇幅，这里不再赘述。
[0068]
经研究发现，在弃渣设备将爆破形成的石渣从溜渣孔溜放至底部水平巷道的过程中溜渣孔发生堵塞的主要原因为溜渣孔直径过小导致洞渣溜放过程中形成堵孔。一般来说，溜渣孔直径越大，溜渣时越不容易发生堵塞，但直径越大工程造价提高，施工速度降低，因此，基于施工成本、效率的限制，工人会根据所需钻孔的深度、竖井直径凭经验选择具有合适大小扩孔直径的反井钻机，然而，凭经验选择反井钻机误差大，容易导致施工所得的溜渣孔直径过小；另外，目前选择反井钻机时并未考虑溜渣施工时弃渣设备的工作参数，从而导致所选反井钻机施工得到的溜渣孔直径过小不能满足弃渣设备的工作所需，致使弃渣设备溜放至溜渣孔内的石渣不能及时从溜渣孔排出而造成溜渣孔阻塞。
[0069]
上述反井法进行竖井开挖的施工方法，其在选择反井钻机时，不仅考虑钻孔的深
度、竖井直径等常规参数，还结合弃渣设备的安全系数、弃渣频率、每循环弃渣时间等工作参数建立数理公式对理论溜渣孔直径进行计算，并选择扩孔直径＞2r且钻孔深度l＞h的反井钻机进行施工，其中，h为反井钻机钻通至竖井底部水平巷道的钻进深度，从而确保所选的反井钻机施工得到的溜渣孔直径能满足弃渣设备的工作所需，解决现有技术中依据工人经验选择反井钻机导致在弃渣设备将爆破形成的石渣从溜渣孔溜放至底部水平巷道的过程中溜渣孔发生堵塞的问题，且通过上述反井法进行竖井开挖的施工方法选择反井钻机，能够得到合适大小的溜渣孔直径，避免溜渣孔直径过大导致工程造价过高或降低施工效率，同时避免溜渣孔直径过小而导致溜渣孔堵塞，且上述反井法进行竖井开挖的施工方法为反井钻机的选择提供了依据，避免依据经验选择造成的误差大等问题。
[0070]
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。技术特征：
1.一种反井法进行竖井开挖的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：基于溜渣参数选择反井钻机：根据所要开挖的竖井参数及开挖采用的弃渣设备的工作参数确定理论溜渣孔半径r，r＝[kad2/(f
×
t)]
0.5
，式中，k为弃渣安全系数，即单位长度范围内溜渣孔体积与弃渣设备的每斗弃渣量之比，a为每循环开挖深度，d为竖井半径，f为弃渣设备的弃渣频率，t为弃渣设备的每循环弃渣时间；选择扩孔直径＞2r且钻孔深度l＞h的反井钻机进行施工，其中，h为反井钻机钻通至竖井底部水平巷道的钻进深度；利用选择好的反井钻机采用反井法对竖井进行开挖施工。2.如权利要求1所述的反井法进行竖井开挖的施工方法，其特征在于，k取1.5～2。3.如权利要求1所述的反井法进行竖井开挖的施工方法，其特征在于，弃渣设备的每斗弃渣量v＝u/(f
×
t)，式中，u为弃渣设备的每循环开挖方量(m3)，f为弃渣设备的弃渣频率(斗/h)，t为弃渣设备的每循环弃渣时间(h)。4.如权利要求3所述的反井法进行竖井开挖的施工方法，其特征在于，弃渣设备的每循环开挖方量u＝πd2a，式中，d为竖井半径(m)，a为每循环开挖深度(m)。5.如权利要求1所述的反井法进行竖井开挖的施工方法，其特征在于，按照每延米计算弃渣安全系数k则有k＝πr2/v，式中，v为弃渣设备的每斗弃渣量。6.如权利要求1所述的反井法进行竖井开挖的施工方法，其特征在于，弃渣设备为挖掘机、铲运机、装载机、推土机中的一种或多种。7.如权利要求1所述的反井法进行竖井开挖的施工方法，其特征在于，当施工过程中有多台弃渣设备同时作业时，弃渣设备的每斗弃渣量选取多台弃渣设备的每斗弃渣量的最大值。8.如权利要求1所述的反井法进行竖井开挖的施工方法，其特征在于，当弃渣设备选用两种或两种以上同种类同型号的弃渣设备同时作业或两种或两种以上不同种类或不同型号的弃渣设备同时作业时，弃渣频率采用下式计算：式中，v
i
为第i个弃渣设备的每斗弃渣量，f
i
为第i个弃渣设备的弃渣频率，n为弃渣设备的总台数。9.一种反井法进行竖井开挖的反井钻机选择方法，其特征在于，包括以下步骤：根据所要开挖的竖井参数及开挖采用的弃渣设备的工作参数确定理论溜渣孔半径r，r＝[kad2/(f
×
t)]
0.5
，式中，k为弃渣安全系数，即单位长度范围内溜渣孔体积与弃渣设备的每斗弃渣量之比，a为每循环开挖深度，d为竖井半径，f为弃渣设备的弃渣频率，t为弃渣设备的每循环弃渣时间；选择扩孔直径＞2r且钻孔深度l＞h的反井钻机进行施工，其中，h为反井钻机钻通至竖井底部水平巷道的钻进深度。
技术总结
本发明提供一种反井法进行竖井开挖的施工方法，包括以下步骤：根据所要开挖的竖井参数及开挖采用的弃渣设备的工作参数确定理论溜渣孔半径r，r＝[kad2/(f
技术研发人员：季野 张庆谱 吕中玉 魏华 李超 黄业圣 周妤莲 马文辉 王楚杰 邹沐恩 黎宇
受保护的技术使用者：广西路桥工程集团有限公司
技术研发日：2022.05.23
技术公布日：2022/7/29
声明：
“反井法进行竖井开挖的施工方法及其反井钻机选择方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：广西路桥工程集团有限公司
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2024年12月06日 ~ 08日 
