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立井短段掘砌混合作业法及其配套施工设备的研究与应用
龙志阳
（煤炭科学研究总院北京建井研究所）
摘要 回顾了我国立井凿井作业方式的发展过程，全面介绍了短段掘砌混合作业法及其配套施工设备的研究的内容和成果，近年来对该工艺和设备的性能完善提高和大力推广应用情况。在立井施工在取得了快速优质、经济高效的结果。
关键词 立井 短段掘砌 混合作业法 施工设备 凿岩 排矸 砌壁
1.1 国外现状
在 国外50年代中期已出现立井混合作业施工法，60～70年代这种方法及凿井机械化配套技术得到大力发展，显出其优越性和潜力。经过多年的发展，目前已趋于成熟和完善。据统计，前苏联、波兰等国混合作业法比例已达90％，德国为100％，捷克、日本和加拿大等国也已大量采用混合作业法施工，只有南非还有部分井筒还采用手抱钻打眼，多层吊盘平行作业方式施工。在国外，混合作业法施工普遍采用深孔爆破一掘一砌正规循环的作业方式，循环进尺3～4.5ｍ，平均成井速度50～60ｍ。
1.2 国内现状
我国最早广泛使用的施工方式是单行作业方式。这种方式的实质是井筒先自上向下掘进一定距离,并进行临时支护.然后由下向上砌筑混凝土永久井壁。根据临时支护段高的大小,又有长段和短段之分。70～80年代初,由于临时支护改井圈背板为锚喷或锚网喷,掘砌段高一般为30～60ｍ,最大到100ｍ,大大缩短了掘砌作业的工序转换时间，提高了施工速度。当时有许多井筒采用这一作业方式，均取得了很好效果。
掘砌平行作业于60～80年代曾经在我国一些立井中采用，掘进和砌壁在两个相邻井段内反向进行，因此需为掘进和砌壁分别设置作业盘和独立的悬吊系统，不但增加了施工设备，施工管理也更加复杂，随着砌壁设备和工艺改进，砌壁占用掘砌循环工时由35～40％降低到15～20％，使月成井速度比其他作业方式增大有限。80年代中期以后很少采用。
短段掘砌作业方式，60年代在我国开始应用，至80年代已达施工井筒量的1/3左右。短段掘砌以模板砌壁高度为掘砌段高，掘一段砌一段，取消临时支护，永久混凝土井壁紧跟掘进工作面；掘砌作业依此进行。掘砌段高开始为1.0～1.5m，后期到2.0～2.5m。由于当时的工艺和设备不完善，施工速度一直比长段掘砌单行作业和平行作业低。
掘、砌、安一次成井作业方式是把井筒永久装备的安装工作与掘砌同时施工。这种作业方式井筒施工布置比较复杂，必须在一定条件下方可采用，其施工井筒数量一直有限。
1.3 混合作业法的发展
自1974年以来，煤炭、冶金、一机三个部组织立井施工机械化配套攻关，相继研制一些大型凿井设备，步入了凿井设备的更新换代，但作业仍多沿用单行作业方式，没有相应地在凿井作业方式和工艺与装备间的配套方面进行系统、深入地研究，因而80年代初长段单行作业在我国仍很流行、其次则倡导平行作业。立井短段掘砌混合作业法及其配套施工设备的研究被例为国家六·五重点攻关项目，经过煤炭科学研究总院北京建井研究所与有关单位共同合作全面研究试验，形成了以伞形钻架、大斗容抓岩机和MJY型整体金属模板为主体的立井施工机械化作业线，使短段掘砌混合作业法成为一种工艺简单、施工安全、成井速度快、成本较低的施工作业方式，很快被推广使用。进入90年代，国内使用短段掘砌混合作业法施工的立井比例不断提高，目前已达到80%左右，施工中取得了较好的经济效益和社会效益。只有一些中小井筒采用其他作业方式施工。
2.1研究目的与内容
混合作业法及其配套施工设备研究目的是找到可以取消临时支护的短段掘砌及与之相配套的伞形钻架、大抓岩机、整体下移金属模板等成套技术参数及其相互的最佳匹配关系，还包括4ｍ深孔爆破、管子下料、早强混凝土等。使用该套技术在一般地质条件、涌水量不超过10 m3/ｈ的情况下，可不受断面及深度的限制而应用于立井普凿工程，使平均成井速度达到40～50ｍ/月，掘进工效达1.0m3/工以上。
主要攻关研究内容为： 混合作业法总体参数及施工组织的研究； 混合作业法深孔爆破技术的研究； 提高机械操作式大型抓岩机抓斗耐用性的研究； 混合作业法整体下移金属模板的研究； 混合作业法砌壁用早强混凝土的研究； 混合作业法混凝土输送和浇灌技术的研究。
2.2 试验情况
2.2.1井筒概况
试验于1987年在平顶山六矿北山进风井进行，井筒净直径6.8m，井口标高＋38.7m，井深705.5m，主要配套装备有：V型井架、瑞典HTVD-3.5提升机、国产Jk-2.5/20型提升机、16台5～40ｔ稳车、日本ZC-3436型4臂伞形钻架、HZ－6型中心回转抓岩机、2～3m3吊桶提升、排矸汽车、YJM－3.5/6.8型整体下移金属模板砌壁。采用3.5ｍ段高一掘一砌正规循环的作业方式，打4ｍ深炮眼。
1）凿岩爆破
采用的伞形钻架上的凿岩机是国产YGZ－70型独立回转式，ф25ｍｍ六角形钎杆长4700ｍｍ，ф55ｍｍ十字形钎头，全断面炮孔数量为84～122个，循环炸药使用量为364ｋｇ，（T100、T200和T300型煤矿水胶炸药），采用特制的工业8号雷管（复铜百毫秒延期电雷管）。实际爆破效果达到87.95%。
2）抓岩排矸
采用主提3m3吊桶不摘钩及副提2m3吊桶摘钩方式提升，出矸效率最高170m3/班，正常出矸130m3/班。矸石提至井口由座钩翻矸方式，用2辆自翻汽车运往排矸场。
3）砌壁
用研制的YJM－3.5/6.8型整体下移金属模板进行砌壁，全井共完成171个循环，成井约600m，模板由三台10ｔ稳车地面悬吊。混凝土搅拌站生产能力为25 m3/ｈ，混凝土输送采用下料管直接入模。
4）排水及接管
因注浆效果差井筒平均涌水量为54m3/h，配三套排水系统，由NBD型吊泵和80DGL7×75型吊泵通过吊盘水箱接力排水，用80DGL7×75型吊泵工作面直接排水（作为备用），在217ｍ处设腰泵房排截水槽淋水。该井筒把压风管、排水管、供水管和风筒采用井壁预埋件井内吊挂，通常随井筒推进，约30～40ｍ进行一次接管工作，接管一次需要1～2天。
5）施工管理
三八作业制，实行正常掘进班与包机组相结合的劳动组织形式，伞钻、抓岩机的操作维修实行包机组。凿岩时8名打眼工轮换作业，一般4名操作。出矸时，除抓岩机司机和信号工外，工作面还配有3～4人，进行刷邦和清理浮矸。清底时，增至11～13人。砌壁时，4～5人。打眼、出矸时多余的井工在搅拌站备料。
正式研究试验于1988年5月8日至1988年8月8日进行，历经91天，完成39个循环，平均每个循环用时59ｈ（其中钻爆、出矸、砌壁和影响分别用时641、1530、535和835ｍｉｎ），爆破进尺3.43ｍ，三个月共成井121.1ｍ，平均月进尺40.37ｍ，工效1.8 m3/，达到了国内先进水平。
2.3 研究成果
1988年10月能源部科教司组织科研、制造、施工单位近百名代表的现场鉴定会，对 国家六·五重点攻关项目“立井短段掘砌混合作业施工配套设备的研究”进行鉴定和项目验收，认为通过攻关研究使我国的立井机械化施工水平接近了国际先进水平。该项目被列为国家重大科研成果。1991年获得能源部科技进步三等奖。
2.3.1形成 混合作业法成套技术
本次试验证实了4～5ｍ无临时支护空邦凿岩、4ｍ深孔爆破、管子下料、早强混凝土等配套技术和新工艺所构成的立井混合作业法是成功的，是一套技术工艺先进、机械设计配套合理，总体参数确定得当。
2.3.2 找到了合适的工艺及参数
采用3.5ｍ段高一掘一砌短段掘砌混合作业的深孔爆破、空邦高度、混凝土浇灌及工艺流程等工艺和参数是正确的，掏槽眼采用分段爆破，大直径（ф55m）爆破，提高爆破效率且达到减震和抑制矸石抛掷、防止崩坏设备的目的。
2.3.3 施工设备合理
1）钻架
以日本ZC-3436型4臂伞形钻架为主体，为更好发挥其效能及解决配件不足的问题，将其液压泵站MP12H、 凿岩机D95－S1，分别改用国产泵站（TJ9型风马达及CB－C18－FL型液压泵）和YGZ－70型独立回转凿岩机，操作简便、耐用，在整个试验期间未因本身性能、结构及质量问题影响施工。
2）抓岩机
在所采用的HZ－6型中心回转抓岩机，配置了北京建井研究所和太原矿山机器厂共同研制的DTZT－6型抓斗，提高了抓斗的抓岩性能和耐磨性。该抓斗在其工业性试验期间6个月抓岩17630m3，抓斗主要零件均未损坏，优于原国产抓斗和日本进口抓斗性能。
3）模板
所用模板在以下几个方面有所创新:断面设计增加了模板刚度（结构上把原来国内多用的简单槽钢叠焊，改成倒扣组合槽钢的形式，在不增加钢材的情况下抗变形能力增大了2倍）；减少收缩口一个，以往国内一般采用2～3个收缩口，使模板整体刚度大大提高，并且减少了脱模机构的数量；加大了模板段高，模板段高达到了3.5m，减少了接茬数量；确定了三角漏斗折页式浇注口，可保证井壁接茬处浇满密实；新设计一种铁蓖工作台，不工作时悬吊在模板上口，工作时用支撑杆一撑即可，形成一个 环形浇注工作台；实现液压脱模立模，彻底改变了人工手动脱模，用气动液压泵驱动一组并联液压缸，脱模简单可靠。
2.3.4 社会经济效益
本次试验的立井混合作业法及成套技术中的设备及工艺参数配套合理，机械化程度高，改善了作业环境，减轻了工人繁重的体力劳动；该项技术适应性好，无须临时支护，节省了材料、工时及费用，简化了作业程序，能充分发挥机械化施工效能，操作简单，节省了人员，加快了施工进度；与其他作业方式相比，掘砌段高小，作业成效稳定，便于管理，施工的安全性好。
试验期间平均月成井比计划进尺提高18.39ｍ，超产1ｍ可降低成本5479元，并节省临时支护费用303元，试验期间超产经济效益为302277元。整个井筒采用混合作业法施工可使工期提前13.58个月，总经济效益为183494元。
3.1 列入“100推”推广应用
由于短段掘砌混合作业法的明显的优点。被列入煤炭工业部“100推”重点推广项目之中，很快被全国基建单位逐步推广使用，并编入煤炭工业部科教司和煤炭科学技术信息研究所编制的《煤炭工业部100推》丛书中，全国立井采用混合作业法施工比例逐步提高，并创造一批快速施工记录。
3.2 配套施工设备性能的完善提高
在完成立井短段掘砌混合作业施工配套设备的研究的基础上，七·五国家攻关项目和煤炭行业科研项目中又把凿井设备井内吊挂、钻架、抓岩机和模板等配套设备进行单机性能完善提高，使混合作业法适应性更强。
1）钻架研制和改进
研究成了模板相配套的LBM型模板固定式凿岩钻架，该钻架高度低，可于小井架配套，提升重量较小，无须大提升机，故可用于深井，。稳定性较好，能打4m深炮孔，还可兼打12m深注浆探水孔，为工作面探水注浆探索出一条新途径。这种钻架结构新颖，设计合理、加工简单，使用可靠，适应性强，主要技术指标能满足施工要求，其结构属国内首创，达到国内领先水平，具有很好地扩大应用和推广前景。
同时对三部会战加工的一批FJD－6型伞钻由气动操作改成全液压操作，成功的在中小立井中使用。开发新型YGZ－55型凿岩机于FJD－6A型伞钻配套，能实现兼打40ｍ注浆孔。还对70年代进口的日本大型钻架进行改造，降低高度，减轻重量，使之应用范围扩大，可在井筒直径5.0～8.5ｍ中使用。
2）抓岩机改进和抓斗系列化
对HZ型中心回转抓岩机的结构进行改进，研究成功了抓斗落地松绳具有自控装置和摆动液压缸油路闭路循环自润滑防污的系统，使HZ－6ｃ型中心回转抓岩机性能提高，在DTZT－6型抓斗的基础上，研制开发DTQ系列通用抓斗，斗容为0.2、0.4、0.6 m3，除配套在中心回转抓岩机外，还可与长绳悬吊和吊盘悬吊抓岩机配套使用，现场反映很好，其中DTZT－6型抓斗获得煤炭部科技进步三等奖。
3） MJY型系列多用金属模板[5]
1989年以后，煤炭科学研究总院北京建井研究所开始对YJM－3.5型整体下移金属模板性能改进，并逐步进行系列化设计，在全国大力推广使用。冻结法施工的井筒有内壁、外壁和基岩段井壁之分，所需模板直径也要随之而相应改变，为此一般需加工三套模板（有的更多）。我们研制了既能下行砌壁，又能上行套内壁的模板，并在外壁中可多次变径使用，使模板实现了多用途。
MJY型系列多用金属模板。已实现了直径从4.5～8.5m，分9个档次，高度从2.5～4.0m，共分4个高度，按直径和段高不同排列组合为36种模板， 模板已系列化（重量在6.28～24.7t之间）；也已实现了变径设计，模板变径以冻结段内壁厚度为半径增量，把模板直径扩大到外壁直径，有些井筒变径2～3次模板；还可上行砌壁。MJY型系列多用金属模板已通过鉴定，其技术水平达到国际先进，获煤炭部科技进步二等奖。目前已推广使用达80余个井筒，其中一模多用模板有十几余套。应用MJY型系列多用金属模板月进尺突破100ｍ的有近30个井筒。
4）混凝土分料器和振捣器
还研究了井下分料和振捣器，新研制的QFH型混凝土分料器采用独特的伞型结构，液压缸调节支撑臂；双分料管360°转动；完全实现了对称浇注。减轻了工人劳动强度，提高了井壁浇注质量，加快了浇注速度，降低了工程成本，有较明显的社会和经济效益，属国内领先。
ZNQ-50型插入式高频混凝土振捣器采用气流式高速行星及高频摇滚结构，振动频率高（200~300Hz），技术先进，结构简单，体积小，重量轻，摩擦阻力小，寿命长，主要技术性能指标在国内居领先水平。
5）凿井设备井内吊挂技术
国家七·五攻关项目中还列了井壁吊挂研究项目，成功地将压风管、排水管、供水管和风筒吊挂在井壁，减少了地面稳车，节省了大量钢丝绳，该项目获得煤炭部科技进步二等奖。
3.3 编入“井巷施工50项经验”大力推广使用
该技术除煤炭系统基建单位广泛使用外，在冶金、有色、化工和水电系统也逐步引进使用，创造了许多立井快速施工记录，并根据井筒和装备条件，因地制宜地在冻结段表土中采用短段掘砌混合作业法施工，基岩段中灵活采用一掘一砌和多掘一砌等作业方式，同样取得较好的效果。煤炭工业部九五期间“100推”续集重点推广项目中，把经过改进的配套施工设备纳入，同时在新编的“井巷施工50项经验”中，把上述科研成果编入短段掘砌作业、伞钻打眼、中深孔光面爆破、整体模板筑壁和井筒管路吊挂等经验之中，直接指导施工单位。通过进一步大力推广使用，必将对全国立井凿井技术和施工速度有较大的促进作用。
4.1 立井凿井速度稳步提高
80年初，三个部会战研制的凿井设备在30套立井机械化配套中先后投入使用，使我国煤矿凿井施工速度由1974年的16.2ｍ/月提高到1986年地26.1ｍ/月，1977～1987年有25次月成井破百米记录。1988年以后，通过推广立井短段掘砌混合作业法及配套设备，使机械化凿井设备的效能充分发挥，1987～1997年有62次月成井破百米记录。其中1997年一年共有22次，全国立井平均月进尺达45ｍ以上，比1986年增加180％。涌现出一批当年开工当年到底的井筒，许多立井创造连续3个月超百米，1997年中煤建设一公司施工的11个井筒平均进尺达71.6ｍ/月,达到国际先进水平。
4.2 几个典型的机械化配套实例
随着社会主义市场经济改革，煤矿开发建设走向业主负责主制，施工企业在承包井筒工程都采取投标招标方式，对立井凿井速度和质量提出更高的要求。在表1中列出的几例立井均是在设计、施工中全面采用了短段掘砌混合作业法和配套设备进行快速施工，取得了优质高效的效果。
4.3 1997年凿井施工新突破
经过近十年的大力推广和改进提高，这项技术不断完善成熟，各施工单位不断总结经验，使凿井速度稳步提高，创造了许多优质高效的井筒工程，仅1997年月成井超过百米的就有22 次，（见表2），其中许厂主井、副井和沙曲主井、副井当年开工当年到底，宣东主井、副井井筒仅用7个月全部到底，平均凿井速度达100ｍ/月以上。
立井井筒工程是矿井建设中的关键工程，随着开采深度的增加，新井开凿和老矿改扩建，立井施工正向深井过渡，“九五”期间全国预计将有近200个井筒施工，其中有近20个千米深井井筒，利用短段掘砌混合作业法为基础的深井机械化凿井，已成为凿井施工建设发展的基本趋势。因此在大力推广并在实践中不断提高现有凿井设备的性能和可靠性，研究开发实践新工艺、新技术、新设备，必将使我国凿井施工技术和装备能满足实践建设的需要。
参考文献
1沈正芳等.立井井壁.北京:煤炭工业出版社, 1981.2～9
2 李俊良等.立井混合作业法机械化配套施工.建井技术,1989(1):16～20
3 龙志阳. 我国立井整体移动金属模板的现状与发展. 煤矿建设科研40年北京:煤炭工业出版社, 1997.215～220
4郭培里.加强深井机械化配套设备的研究.煤矿建设科研40年.北京:煤炭工业出版社, 1997.143～144.156～157
5安国梁等.现代矿井建设及地下工程施工技术.煤炭科学技术, 1997增刊:21～22
6 毛光宁 . 煤矿立井凿井技术装备的现状与展望.矿井建设技术论文集.徐州:中国矿业大学出版社, 1996.21～31
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