竖井反向开挖专利技术分析

　　【摘要】本文通过对竖井反向开挖的基本概念和各种反井施工方法进行分析，检索、整理国内外相关专利文献，总结归纳出了重点申请人的研发方向，为反井施工工作提供借鉴。
　　【关键词】竖井；反向开挖；专利技术
　　一、竖井反向开挖基本概念
　　通常我们也将竖井反向开挖称为反井法，该方法的主要特点是从下往上向竖井内开挖，有时也采用大倾角斜井的方式。传统的反井法包括普通法、吊罐法和爬罐法。不同的领域，其采用的反井方法不同，例如煤炭行业，在反井过程中主要使用木垛法；对于冶金领域，则普遍使用吊罐法；在水电领域，使用爬罐法较为常见。不论是以上哪种行业，工作面都存在塌方、落石等安全隐患，工人的人身安全很难得到保障，出现工程事故屡见不鲜。基于此，在20世纪60年代，世界各国对此加大了重视，试图使用机械方法进行反井，在人们不懈的努力下，终于研制出反井钻机。该操作方法不仅能够有效减少伤亡率，还可以利用计算机进行控制，为反井施工提供了有效的技术支撑。
　　二、反井施工方法
　　1。普通反井法
　　普通反井法在井深较浅或一些特定条件下，至今仍被采用。作为临时支架的木井框，将反井断面分成矸石间、吊桶提升间和梯子间。矸石间用作储存爆破下来的矸石；提升间用于吊桶升降材料；梯子间用于上下人员和敷设气水管、风筒和电缆等。施工人员站在顶部临时工作平台上，进行打眼、装药和支护作业；当掘进到接近上水平巷道时，停止掘进，待下部井筒刷砌和安装完毕后，破除岩柱。其断面形状多为矩形，一般采用压入式通风。
　　普通反井法的优点：辅助工程量小，不需要大型提绞设备，对其他作业影响小，适用于水平巷道尚未形成、井深较浅的井筒施工；缺点：人员爬梯子上下困难，劳动强度大，材料运输不方便，木材消耗量大，工作面易集聚有害气体，安全性差。
　　2。吊罐反井法
　　吊罐反井法施工工艺：先自上水平巷道钻提升钻孔；然后在上水平巷道安设提升机，提升钢丝绳穿过钻孔至下水平巷道，与吊罐连接。作业人员在吊罐上，自下而上进行反井施工。反井断面形状通常采用圆形，一般多采用混合式通风，局部通风机布置在距反井下口约20m处，抽出乏风和炮烟。
　　吊罐反井法与普通反井法相比，具有工效高、施工速度快、劳动强度低、经济性好等优点。缺点是事先要钻精度较高的提升钻孔，前期准备时间较长，工作面易集聚有害气体；同时随着掘进深度的增加，辅助时间加长，施工速度会明显减慢。吊罐反井法一般不架设临时支护，适用于围岩比较稳定的地层，井深通常不超过100m。
　　3。爬罐反井法
　　爬罐结构及反井施工工艺：首先在下井口用普通法上掘3～5m；然后铺设爬罐导轨，安装爬罐，通过自带动力的爬罐，将人员和设备运到工作面。人员在爬罐作业平台上，自下而上进行反井施工；打眼、装药、联线结束，人员、爬罐撤至安全地点后，进行起爆。放炮后，压气和水从导轨顶端保护盖板喷出，排除炮烟和粉尘。装岩工作在井下巷道进行，与打眼可平行作业。当反井掘进到接近上水平巷道时，应从上水平巷道自上而下打眼放炮。
　　爬罐反井法与吊罐反井法同样具有工效高、施工速度快、劳动强度低等优点。其缺点是：设备投资较大，通风条件差，工作面易集聚有害气体；同时随着掘进深度的增加，辅助时间较长，施工速度会明显减慢。爬罐反井法不需要事先开凿上水平辅助巷道，从理论上讲，井筒施工深度可以很大；但由于受通风、排除炮烟等因素影响，施工深度通常不超过150m。
　　4。反井钻井法
　　利用反井钻机钻凿反井上世纪50年代始于南非金属矿，当时主要用于钻凿小直径浅孔。我国从上世纪70年代开始研制反井钻机，当时主要用于金属矿山，钻凿通风井、提升井、溜井等。进入上世纪80年代，反井钻机首先在我国煤矿、冶金矿山得到广泛应用，90年代进一步推广应用到国内外水利水电、非煤矿山、交通隧道等领域，取得了良好的经济效益和社会效益。由煤炭科学研究总院建井研究分院研制的LM系列和BMC系列反井钻机，最大钻孔直径达到5m，最大钻深达到600m，创造了多项反井钻井施工全国记录。
　　三、数据统计与分析
　　1。申请量年度分布及变化
　　在全球范围内，竖井反向开挖技术专利申请始于20世纪60年代末期，二战结束后，全球各国对矿产品的需求不断增加，采矿机械等地下施工装备日新月异，随之而来20世纪70年代中期是竖井反向开挖技术申请量高峰期；随着前苏联、瑞典、德国等欧洲矿业大国的崛起，世界采矿技术和竖井开挖技术不断改进和发展，到20世纪80年代末，以前苏联为代表的采矿技术强国掀起了竖井反向开挖技术专利申请的高潮；但1991年前苏联解体给世界各国经济状况和政治局面都造成了不小的冲击，加之20世纪90年代全球矿业大萧条，期间采矿技术发展相对停滞，相关专利申请量下降；中国作为新兴发展中国家，是矿业需求大国，尤其是改革开放以来，我国采矿工程技术取得了长足进步，虽然在竖井反向开挖技术方面的研发起步较晚，但包括地下工程建设在内的各类工程领域快速发展，不管是传统的竖井反向开挖方法还是现代的反井钻机开挖方法，都随着施工机械的改进和岩土力学理论的进步而取得了可喜的成果，并体现在专利申请量上。21世纪初期至今，我国在竖井反向开挖技术专利申请量上不断增加，占全球申请量比例也逐年攀升，一方面说明发达国家的基础建设和基本工业原料需求量的相对饱和，另一方面也体现了我国工程建设水平的不断提高和经济状况的不断改善。
　　2。申请原创国分布
　　前苏联（包括俄罗斯）、中国、美国、日本、瑞典是竖井反向开挖技术的主要原创国家，上述几个国家的相关申请量占到了全球申请总量的近90，这些国家是竖井反向开挖技术最主要的技术原发地和创新市场，其相关企业和科研院所主导着竖井反向开挖技术的动向和发展。其中，瑞典是爬罐法的发明国，日本的侧重点则在顶推掘进方法上，美国以钻头的研发为主，而前苏联（包括俄罗斯）和我国则更注重机械的应用和施工方法的改进。
　　3。重点申请人及其技术分布
　　根据全球范围内的专利申请，对竖井反向开挖技术重要申请人进行统计，结果显示，竖井反向开挖技术领域重要申请人大部分为世界知名的矿业机械企业，例如阿力马克（ALIMAK）公司、阿特拉斯（ATLAS）公司、罗宾斯（ROBBINS）公司、修斯工具（HUGHESTOOL）公司、山特维克（SANDVIK）公司、史密斯国际（SMITHINTERNATIONAL）、长年（LONGYEAR）公司等。其中，阿力马克（ALIMAK）公司申请量最大，其他主要是美国的企业，少部分是俄罗斯的科研院所。可见，欧美国家在竖井反向开挖技术领域占据了绝对的优势。
　　对于普通法专利，其申请人主要是排名前三的阿力马克（ALIMAK）公司、阿特拉斯（ATLAS）公司和罗宾斯（ROBBINS）公司；對于爬罐法专利，瑞典作为爬罐法的发明国，瑞典企业拥有最多的爬罐法专利，其次是美国企业和前苏联（包括俄罗斯）的企业和科研院所；对于扩孔法（包括上扩法和下扩法）专利，其申请人分布相对均匀，说明该技术分支获得了广泛的关注和较高的投入。
　　四、结语
　　综上所述，随着社会的发展和新需求的出现，竖井反向开挖法已成为各个领域的宠儿，其应用范围不断扩大。通过对竖井反向开挖技术概念以及专利技术的分析，给各个领域进行技术开发和专利构建提供了参考依据。
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