許杰

摘 要：文章利用中外文專利摘要和專利全文數(shù)據(jù)庫，通過檢索、統(tǒng)計(jì)、整理和分析國內(nèi)外反井技術(shù)的專利文獻(xiàn)，整理了該領(lǐng)域技術(shù)路線的發(fā)展脈絡(luò)，并基于對相關(guān)專利的時空特性、技術(shù)領(lǐng)域以及市場布局等方面信息的分析，總結(jié)歸納出重點(diǎn)申請人的研發(fā)方向和核心專利等結(jié)論。

關(guān)鍵詞：豎井；開挖；反向；鑿巖；鉆爆；專利分析

中圖分類號：U455.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）17-0016-02

Abstract： Using the Chinese and foreign patent abstracts and full-text patent databases， this paper collates the development of the technical route in this field by searching， statistics， collating and analyzing the patent documents of anti-well technology at home and abroad. Based on the analysis of the temporal and spatial characteristics， technical fields and market layout of relevant patents， the author summarizes the research and development direction and core patents of key applicants.

Keywords： shaft； excavation； reverse； drilling； drilling and blasting； patent analysis

1 基本概念

豎井反向開挖，簡稱反井法（也稱反向鑿井法），是指在地下工程建設(shè)中，由下向上掘進(jìn)豎井或大傾角斜井的施工方法。過去常用的反向鑿井方法有普通法、吊罐法及爬罐法[1-3]。隨行業(yè)的不同反井的方法也不同，在煤炭系統(tǒng)過去多采用木垛法，冶金系統(tǒng)多采用吊罐法，而水電系統(tǒng)則多采用爬罐法，它們共同的缺點(diǎn)是工作人員必須進(jìn)入工作面進(jìn)行打眼放炮作業(yè)，受有害氣體、塌方、落石、淋水的危脅，安全很難保證，傷亡事故經(jīng)常發(fā)生。為此，從60年代開始，全球范圍內(nèi)開始探討用機(jī)械方法施工反井，經(jīng)過多年努力，研制成功反井鉆機(jī)[4]。采用反井鉆機(jī)進(jìn)行豎井開挖，工人可以在安全地帶操作，也可實(shí)現(xiàn)電腦遙控，從根本上解決了反井施工的安全問題，因此，利用反井鉆機(jī)擴(kuò)孔開挖豎井技術(shù)自誕生以來就一直是一項(xiàng)重要的反井技術(shù)[5-7]。

2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

2.1 申請量年度分布及變化

本文在DWPI、SIPOABS、JPABS和CNABS中根據(jù)前文所述檢索詞以及分類號進(jìn)行了檢索并對檢索結(jié)果進(jìn)行分析，豎井反向開挖技術(shù)申請量的年度分布及變化見圖1。

在全球范圍內(nèi)，豎井反向開挖技術(shù)專利申請始于20世紀(jì)60年代末期，二戰(zhàn)結(jié)束后，全球各國對礦產(chǎn)品的需求不斷增加，采礦機(jī)械等地下施工裝備日新月異，隨之而來的20世紀(jì)70年代中期是豎井反向開挖技術(shù)申請量高峰期；隨著前蘇聯(lián)、瑞典、德國等歐洲礦業(yè)大國的崛起，世界采礦技術(shù)和豎井開挖技術(shù)不斷改進(jìn)和發(fā)展，到20世紀(jì)80年代末，以前蘇聯(lián)為代表的采礦技術(shù)強(qiáng)國掀起了豎井反向開挖技術(shù)專利申請的高潮；但1991年前蘇聯(lián)解體給世界各國經(jīng)濟(jì)狀況和政治局面都造成了不小的沖擊，加之20世紀(jì)90年代全球礦業(yè)大蕭條，期間采礦技術(shù)發(fā)展相對停滯，相關(guān)專利申請量下降；中國作為新興發(fā)展中國家，是礦業(yè)需求大國，尤其是改革開放以來，我國采礦工程技術(shù)取得了長足進(jìn)步，雖然在豎井反向開挖技術(shù)方面的研發(fā)起步較晚，但包括地下工程建設(shè)在內(nèi)的各類工程領(lǐng)域快速發(fā)展，不管是傳統(tǒng)的豎井反向開挖方法還是現(xiàn)代的反井鉆機(jī)開挖方法，都隨著施工機(jī)械的改進(jìn)和巖土力學(xué)理論的進(jìn)步而取得了可喜的成果，并體現(xiàn)在專利申請量上。21世紀(jì)初期至今，我國在豎井反向開挖技術(shù)專利申請量上不斷增加，占全球申請量比例也逐年攀升，一方面說明發(fā)達(dá)國家的基礎(chǔ)建設(shè)和基本工業(yè)原料需求量的相對飽和，另一方面也體現(xiàn)了我國工程建設(shè)水平的不斷提高和經(jīng)濟(jì)狀況的不斷改善。

2.2 申請?jiān)瓌?chuàng)國分布

前蘇聯(lián)（包括俄羅斯）、中國、美國、日本、瑞典是豎井反向開挖技術(shù)的主要原創(chuàng)國家，上述幾個國家的相關(guān)申請量占到了全球申請總量的近90%，如圖2所示。這些國家是豎井反向開挖技術(shù)最主要的技術(shù)原發(fā)地和創(chuàng)新市場，其相關(guān)企業(yè)和科研院所主導(dǎo)著豎井反向開挖技術(shù)的動向和發(fā)展。其中，瑞典是爬罐法的發(fā)明國，日本的側(cè)重點(diǎn)則在頂推掘進(jìn)方法上，美國以鉆頭的研發(fā)為主，而前蘇聯(lián)（包括俄羅斯）和我國則更注重機(jī)械的應(yīng)用和施工方法的改進(jìn)。

2.3 重點(diǎn)申請人及其技術(shù)分布

根據(jù)全球范圍內(nèi)的專利申請，對豎井反向開挖技術(shù)重要申請人進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，申請量排名如圖3所示?？梢姡Q井反向開挖技術(shù)領(lǐng)域重要申請人大部分為世界知名的礦業(yè)機(jī)械企業(yè)，例如阿力馬克（ALIMAK）公司、阿特拉斯（ATLAS）公司、羅賓斯（ROBBINS）公司、修斯工具（HUGHES TOOL）公司、山特維克（SANDVIK）公司、史密斯國際（SMITH INTERNATIONAL）、長年（LONGYEAR）公司等。其中，阿力馬克（ALIMAK）公司申請量最大，其他主要是美國的企業(yè)，少部分是俄羅斯的科研院所。可見，歐美國家在豎井反向開挖技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)了絕對的優(yōu)勢。

對于普通法專利，其申請人主要是排名前三的阿力馬克（ALIMAK）公司、阿特拉斯（ATLAS）公司和羅賓斯（ROBBINS）公司；對于爬罐法專利，瑞典作為爬罐法的發(fā)明國，瑞典企業(yè)擁有最多的爬罐法專利，其次是美國企業(yè)和前蘇聯(lián)（包括俄羅斯）的企業(yè)和科研院所；對于擴(kuò)孔法（包括上擴(kuò)法和下擴(kuò)法）專利，其申請人分布相對均勻，說明該技術(shù)分支獲得了廣泛的關(guān)注和較高的投入。

2.4 專利技術(shù)發(fā)展演進(jìn)

吊罐法是早期反井技術(shù)的一個重要分支，由于其簡單易行而廣為使用，其技術(shù)演進(jìn)路線上的主要的改進(jìn)點(diǎn)在于吊罐形式的變化（例如由吊罐改進(jìn)為吊盤、由簡單剛性吊盤改進(jìn)為可折疊易運(yùn)輸?shù)牡醣P等）和提升方式的變化（例如由簡單卷揚(yáng)機(jī)懸吊改進(jìn)為鏈條或拖拉繩的張緊拖拽）。但是，由于吊罐或吊盤是由纜繩懸吊，在吊罐或吊盤上進(jìn)行施工的穩(wěn)定性問題一直難以解決。因此，吊罐法的另一項(xiàng)重要改進(jìn)點(diǎn)就是用軌道來承載工作平臺，纜繩只起牽引作用而不起懸吊作用。由此，吊罐法逐漸向爬罐法靠攏并被爬罐法取代。

爬罐法與吊罐法相比，其主要優(yōu)勢在于，第一，不需要開鑿上部懸吊空間，節(jié)省了大量開挖工程，第二，用軌道代替纜繩來承載工作平臺，操作人員在平臺上工作的安全性和效率都得到了提高。然而，爬罐法與吊罐法的操作人員同樣面臨著冒頂、跌落、有毒有害氣體等諸多風(fēng)險。隨著鑿巖機(jī)械的不斷發(fā)展，自動化操作設(shè)備逐漸替代了工作平臺上的操作人員，也就是說，在爬罐法的技術(shù)演進(jìn)路線上，鑿巖工序逐漸實(shí)現(xiàn)了無人化、自動化。但是，裝藥工序卻還是不得不依靠人工完成。因此，爬罐法逐漸被機(jī)械化程度更高的上向鑿巖臺車或豎井掘進(jìn)機(jī)取代。

早期的普通法采用搭建梯子間的方式向上鉆爆，這樣的施工方式是極為繁瑣和危險。以底板為支撐、無需爬軌的上向式鑿巖臺車很快淘汰了這種傳統(tǒng)施工方式，即便如此，炸藥的裝填仍然難以實(shí)現(xiàn)自動化。而隨著TBM機(jī)的出現(xiàn)，豎井掘進(jìn)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，這使得反井技術(shù)有了革命性的進(jìn)步。與鉆爆法不同，切削式的豎井掘進(jìn)機(jī)，沒有裝藥工序，操作人員不需要長期暴露在工作面，其安全性和自動化程度是吊罐法、爬罐法以及傳統(tǒng)普通法所不能企及的。其缺點(diǎn)是成本較高，無法掘進(jìn)超大斷面的豎井。

擴(kuò)孔法早在20世紀(jì)70年代初就已經(jīng)出現(xiàn)，發(fā)展至今，擴(kuò)孔法仍然是是反井技術(shù)中的一個重要分支。擴(kuò)孔法主要受限于擴(kuò)孔鉆頭斷面大小，當(dāng)需要鉆鑿大斷面豎井時，擴(kuò)孔鉆頭的斷面尺寸往往無法達(dá)到全斷面開挖的要求。于此同時，乳化炸藥的發(fā)明使得裝藥自動化得以實(shí)現(xiàn)。于是，出現(xiàn)了擴(kuò)孔與鉆爆相結(jié)合的大斷面豎井開挖方法。首先自上而下施工導(dǎo)孔，然后自下而上擴(kuò)孔成井，再在導(dǎo)井中自下而上鉆爆擴(kuò)徑，最終成井。正反向擴(kuò)孔鉆爆綜合鑿井方法，其擴(kuò)孔工序和鉆爆工序均可實(shí)現(xiàn)高度機(jī)械化，安全性好，施工效率高，成本相較于豎井掘進(jìn)機(jī)低，是大斷面豎井開掘技術(shù)的重要發(fā)展方向。

3 結(jié)束語

本文通過對豎井反向開挖技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)的分析整理和統(tǒng)計(jì)，為相關(guān)企業(yè)根據(jù)現(xiàn)有的專利資源制定專利戰(zhàn)略、集中研發(fā)力量對該領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行攻關(guān)提供了參考，有助于相關(guān)企業(yè)和科研院所構(gòu)建自己的核心專利和外圍專利。

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