欢迎来到中国矿山建设第一门户网站！
煤科总院北京建井研究所 郭培里 龙志阳
摘 要 本文介绍了国内外立井混合作业法及配套设备发展现状；阐述了国内外深井施工设备的能力和我国凿井机械化实际水平；提出深井施工设备研究发展方向；并根据我国现有凿井设备的情况，提出加强我国深井机械化配套设备研究的途径。
关键词 深立井 凿井技术 混合作业法 配套设备
一、混合作业法和配套设备的现状
立井凿井工艺方法是在立井凿井相关技术发展的基础上形成的，凿井工艺方法一旦确
定，凿井配套设备的机械化水平就是决定井筒施工速度和施工质量的关键因素。
1.国内外混合作业法现状
凿井工艺方法有单行作业法、平行作业法和混合作业法三种。在立井施工中，单行作业因需大量临时支护已逐步被淘汰，平行作业法因设备布置复杂，工作安全性差，也逐渐失去市场。由于混合作业法具有不用临时支护、成井速度快、工艺简单、施工成本低、管理方便、安全性好等优点，已逐步成为国内外主要的施工方法。煤科总院北京建井研究所对“六五”国家科技攻关项目“短段掘砌混合作业法及其配套施工设备”进行研究，在平顶山六矿进风井进行综合配套试验，在涌水量为54m3／h情况下，曾取得平均月进40m，效率1.8m3／工的成绩。“七五”以来由煤炭工业部组织的“100推”对短段掘砌混合作业法及北京建井研究所所研制成功的大抓斗、大模板、井壁吊挂系统等配套设备和配套技术进行大力推广，到目前采用此法的比重已上升到90％以上。国外混合作业法经多年的发展已趋于成熟和完善。据统计原苏联、波兰混合作业法比例达90％以上，德国混合作业法为100％。南非由于井筒深、人工费用低，有部分井筒还采用手抱钻打眼，多层吊盘平行作业方式。
2.国内外凿井机械化配套水平现状
采用混合作业法施工井筒，必须加强机械化配套作业水平，目前，一般中深度井筒的工程量只占矿井总工程量的5％～7％，而工期却占总工期的40％～50％，只有提高凿井机械化配套水平，才能加快井筒施工速度。我国凿井机械化配套水平已从“六五”的59％上升到“八五”的75％，但平均月成井速度只从25m提高到30m。平均人工工效从0.68m3上升到0.75m3，到1997年全国立井工效才达1.003m3。与国外相比，原苏联及东欧国家平均月成井速度达50～60m，人工工效达3～3.5m3，德国平均月成井速度为80～100m，人工工效为4～5m3。国外施工速度是我国的2～3倍，人工效率是我国的5～6倍以上。
综上所述，混合作业法已成为国内外普通法凿井工艺的主要方法，提高凿井机械化配
套水平应当作为发展我国凿井技术的主攻方向。
二、深井施工设备研究发展方向
用常规凿井机械化配套设备施工深井直接影响井筒的施工速度，随着深井开采的发展，凿井设备的配套能力、机械化水平必须作相应的发展。
1.国内外深井施工设备能力现状
国外在深井施工方面，用深孔凿岩钻架凿岩，钻眼深度可达4m以上；用深孔减震爆破，眼深4～4.5m，爆破效率为0.9～0.95；用0.6～1.0m3大抓斗抓岩；用4m3以上大吊桶出矸，用铲车装岩、汽车集中排矸；用自动计量、自动配比、机械上料、定量搅拌的自动化搅拌站，配置流态防渗漏高强混凝土；用管道下料，并用分料器将混凝土均匀输送至模板周围，用大段高（4～4．5m）整体液压金属模板砌壁；通往井下的风水管，放炮、照明、通讯电缆等均采用井壁吊挂；治水采用预注浆和利用钻架打眼工作面注浆，使工作面涌水小于5m3／h，对井壁淋水采用截、导、排综合治水，取消高扬程吊泵。
我国70年代生产的凿井设备还不能适应深井快速施工技术发展的需要。掘进设备，如伞钻因受井架和自身高度限制只能打3.5～4m的炮眼，不能满足深孔爆破要求，且升井、下钻拆装和操作维修都很困难，多数单位宁愿用人抱钻打眼而不用伞钻。相应的井壁支护模板段高只能控制在3m。抓岩出矸设备，如HH型环轨式抓岩机为定径设备，不适于变井径需要，且横梁回转时易打滑，已停止生产；HZ型中心回转抓岩机经北京建井研究所改型设计后性能较好，但最大抓岩斗容为0．6m3，加之操作困难，不少单位仍在使用长绳悬吊抓斗(0.2～0.6m3)抓岩，且只适于和3m3吊桶配套出矸。提升设备，如绞车提升能力、提升高度有限，稳车容绳量有限，都不具备深井快速施工的需要。此外混凝上搅拌、输送设备还不够规范，井壁吊挂技术述有待推广，综合配套的排水设备还不够完善。
2.凿井机械化配套设备的发展方向
随着我国煤炭工业的迅速发展，开采深度不断增加，新井开凿和老矿挖潜正在向深井 过度。从“一五”到“八五”后期，井简年均深度由187.5m上升至570.7m，已建成900～1000m以上的深井有15座之多，近年来深井开凿数量逐年上长，从1991年至1998年，超过700～1000m的深井就有40多座，占施工井筒总数的30％，预计在“九五”以后深井开凿数量将会急剧增长，国外原苏联、德国、捷克、波兰、加拿大不少井筒在1000m左右，在南非多达1500～2000m。说明深井开凿已成为机械化配套设备的发展趋向。
为了满足混合作业法对深井快速施工的要求，凿井机械化配套设备必须在增大掘砌段 高、减少循环次数；增大提升能力、减少提升往返次数；采用自动计量、定量搅拌、管道输送混凝土；风水管、电缆井壁吊挂，扩大井筒掘进运输空间；采用注浆和截、导、排综合治水，对深井导致的地温、地压等方面的新问题，进行科学分析、系统论证，有规划、有重点、有步骤地纳入煤炭行业的科研发展计划中。应从如下几个方面开展深井凿井技术的研究。
（1）4.5m深孔凿岩钻架
4.5m深孔凿岩钻架是以建井所，“六·五”研制成的YJM型整体式液压金属模板为支撑，多架分离式，独立工作，可钻4~5m的炮孔、兼钻30~40m深注浆孔。它吸收了苏联近期新研制的BYKC-1Y5型借助模板位移的新型钻架的经验，克服了伞钻、环架和人抱钻存在的一系列问题，促进了我国综合掘进设备的配套发展。
（2）4.5m深孔低抛控制爆破
参照国外炮孔深度4~5m的深孔爆破参数，拟定炮孔深度为4.5m，爆破效率0.9，通过合理的掏槽机理与参数、炮孔布置与装药器、起爆时间与抛掷规律等技术的研究，实现深孔低抛减震控制爆破。它将为以低空砌壁模板为支撑的分离式凿岩钻架和工作面操作的离机控制中心回转抓岩提供了减震与防止炮崩的安全施工环境，是实现大段高快速钻、抓、砌必不可少的配套技术。
（3）通风、排烟与降温
爆破后迅速排放烟雾并为井筒注入新鲜空气，才能开始出矸，排炮烟一般需20~30分钟。一般地温在120m深段为20℃恒温带，平均地温升高梯度为1.9℃，达-1000m水平时，平均地温为34℃以上，最高达41℃，深井施工必须降温，才能保证快速掘进施工。
本项目为快速掘进辅助项目，拟研究适用于深井排烟，降温可调速扇风机和φ500mm玻璃钢风筒。该风机采用2台100/75KW电磁高速异步电动机双机拖动，其特点是可无级调速，风压、风量可随转速增加而增强。对于直径（荒径）为9~10m以下的千米深井，降温效果好，可达25℃左右。放炮后将风速调大，10分钟之内可排除工作面炮烟。
（4）离机控制式中心回转抓岩机
结合我国使用中心回转抓岩机的经验与教训，参照德国抓岩机在工作面操作的启示，吸收了我国不少单位对长绳悬吊抓岩机在工作面平视操作抓斗投点准确、安全的优点。拟定改进中心回转抓岩机及其使用操作性能。研制在工作面操作的离机控制式抓岩机。将机械回转机构改为气动回转机构，将气液径向摆动机构改为气动往复移动机构；去掉司机室，将升降、回转、径向往复及抓斗张闭运动改为用气动控制集成阀操作，在工作面遥控操作。
（5）流态混凝土及搅拌系统
国外混凝土中一般均使用外加剂，如加入早强剂和减水剂，以提高混凝土的质量和流动性，同时国防大学正在研究防渗剂以防止井壁渗漏水。在混凝土搅拌方面，国外普遍使用移动式或固定式混凝土搅拌站，机械化上料、自动秤量、配比搅拌。
本项目从千米深井快速施工要求出发，拟研究一种流动性好、强度高、防渗漏性好，且适合大段高模板浇注难以振捣和便于管道输送的流态混凝土及现代化搅拌设施。研制完整的可移式机械化与自动配比的混凝土搅拌站，生产能力为15~20m3/h，对于完成此项目，不仅是必要的而且是可能的。
（6）井壁吊挂及自调直混凝土输送管路
国外一般除采用稳绳兼吊盘绳和用回绳轮悬吊吊盘以及放炮、照明和通讯电缆用稳车悬吊外，其余管路采用井壁吊挂。对于混凝土输送管原苏联实现了接管可自动调直和千米输送混凝土，并无离晰现象出现。
本项目参照国外吊挂技术，拟对风筒、压风管、供排水管、混凝土输送管及各种动力和通讯电缆全部采用井壁吊挂，使凿井稳车由15~25台，减少至6~8台；对井壁临时或永久性吊挂结构与连接机构，对管路自调直快速接头与耐磨输料管及专用安装机具，以及对吊挂系统的防腐措施等进行系统研究。
（7）迈步式液压操纵整体金属模板
拟用井壁支撑代替稳车悬吊，靠液压迈步机构整体移动、自行找正，并在我所“六·五”研制成功的YJM型模板基础上增大层数或高度，使之成为适合千米深井大段高快速施工的机械化程度更高的新型模板。我所在“六·五”研制成功的YJM型液压金属模板和已鉴定的QFH型混凝土液压分料器，都成功地应用了液压技术。迈步式模板与原液压金属模和液压分料器可共有一个动力源。研制迈步式模板、提高模板的使用性能不仅是必要的而且是完全可能的。
（8）稳定性吊盘
吊盘是凿井掘进与支护设备的工作台，国内外环轨式或中心回转式抓岩机均固定在吊盘下，国外模板也都吊挂在吊盘下。抓岩时吊盘倾覆，严重影响吊桶安全提升、稳绳安全张紧以及依附吊盘的抓岩机、模板和分料装置等的稳定性。现吊盘稳定装置在上层盘上装4个液压千斤顶撑于井壁，其磨擦力矩远小于抓斗偏离吊盘中心的倾翻力矩，这种方式不但难以稳定吊盘，还易严重损伤井壁。
（9）千米深井凿井井壁淋水截、导、排处理技术
力争治水的原则是尽量采用地面和工作面注浆，取消工作面吊泵，对井壁淋水采取截、导、排处理技术，不让淋水进入模板和工作面。
本项目拟对井壁截、导、排结构与设施进行截水效果测定分析，提出一套规范化的截、排、导方法配套设备和截、导、排水系统的自动控制装置，为千米深井施工提供打干井的施工环境，使井壁淋水量小于5m3/h。
（10）深井稳绳调绳器
深井施工大量使用稳车，稳绳在滚筒上能否有序地缠绕，是保证稳绳不乱匝、不咬绳和吊盘安全、平稳升降的首要条件，也是控制稳绳倾角，优化地面布置的重要措施。对于千米深井，稳车容绳量有限，为减少稳车，采用稳绳兼吊盘绳用回绳轮悬吊吊盘在深井中不断升降，就更需要保证稳绳及吊盘运行平稳，所以研制稳绳调绳器是非常必要的。
（11）千米深井激光测距仪的研究
本项目主要研究适于深井及巷道施工用的激光测距仪，以准确测量井巷施工进尺和马头门深度，它是现代化施工、管理不可缺少的仪器。目前国外尚未见先例，但我国军事工业方面已有类似技术，研制此项目对于穿过井筒水雾，准确测得井筒施工深度，对掌握施工进度，调整及计算井筒延深设施是非常必要的，借助于国防科研成果，研制为千米深井施工用激光测距仪是可行的。
（12）千米深井快速施工工艺及施工组织
国外普通凿井混合作业法已成为主要施工方法，原苏联、波兰达90%；西德为100%，我国随着机械化配套水平的迅速提高，也充分体会到混合作业法不用临时支护、工艺简单、成井速度快和施工成本低的优点。
三、加快发展我国凿井机械化配套设备的途径
纵观国外各种凿井设备的产生、发展，与中国引进、消化国外技术、发展凿井设备的时间差距不过十年左右。但就形成凿井综合机械化配套能力和效率，这个差距还会更大。为了大力加快提高我国凿井机械化配套设备的实际能力，必须加强管理部门对机械化配套的规范性研究，科研部门对单机能力和配套系统水平的指导性研究，以及施工单位对配套规范及配套水平进行强化性的技术推广。
1．我国凿井机械化设备的技术现状
70年代，我国借鉴原苏联、英国凿井技术设备，研制生产出JKA型2～5m单绕式提升机、JKM型1.3~5m多绳摩擦式提升机、FJD-6型液压伞形钻架、HZ4-6型中心回转式、HH4-6环形轨道式、HK4-6型液压靠壁式、HS-6型长绳悬吊式抓岩机，以及我国自行生产的2～3m3吊桶，手动支脱模金属模板等，初步形成了适合我国中浅井施工用的凿井机械化配套设备。80年代以来，以煤科总院北京建井研究所、南京研究所为主的专业研究所及长沙矿山研究院、太原机械研究所等先后研制成改进型FJD-6型液压伞形钻架、底卸式吊桶、QFH型混凝土分料器、ZNQ一S0型气动高频振捣器、QF型除水分风器、BQ20／35型气动潜水泵、HCS一10型水泥自动拆包机、JH一20型连续式混凝土搅拌机等一大批凿井配套设备，以及井壁吊挂技术，中深孔爆破技术，井筒涌水截、排、导技术等。为我国凿井机械化选型配套提供了可靠的物质基础。对于深井凿井来说，这些设备的单机能力还必须进行二次开发。
2我国凿井机械化配套实际水平及施工速度缓慢的原因
我国凿井机械化配套设备存在的问题是：施工单位限于经济实力和现有在用设备，无力优选国内新型设备进行综合配套，加之人工素质较低，月成井速度和人工效率与国外差距较大；行业管理部门尚未根据不同井径、井深、相应出岩量、月成井速度指标等，结合现有凿井设备能力进行科学研究并制定出相应凿井机械化配套设备的规范性要求。主管研究部门未能针对上述凿井机械化配套设备的规范性要求，对现有单机上能力，对不同档次配套设备系统上水平提出导向性的科技规划；研究单位缺乏国家长远科技规划的指引；陷于在凿井工程近期市场需求中寻找课题等。这些问题的存在，必然影响我国凿井机械化配套实际水平和施工速度的发展和提高。
3．如何提高我国深井机械化配套设备的能力
根据国内外混合作业法和深井施工技术的发展趋势，以及我国现有凿井设备的能力与深井凿井配套设备要求存在的差距，为了提高我国凿井配套设备的机械化水平，加快我国矿井建设的施工速度，提出以下建议：
（1）立井凿井设备由于受井筒恶劣工况条件限制，研究的技术难度大，部属立井凿井的研究单位只有煤科总院北京建井研究所和南京研究所，研究力量比较薄弱，产品开发条件差，应引起主管部门重视。
（2）对于加速发展深井凿井机械化配套设备，首先应由行业主管部门和科研主管部门提出深井凿井机械化配套设备规范及单机上能力和配套设备上水平的科技规划性课题进行软科学研究，并以此指导科研单位分工列项、集中攻关、综合试验、大力推广。
（3）应全面推广一掘一砌、正规循环的短段掘砌混合作业施工方法。用4.5m深孔钻爆法快速掘进；用0．8～1m3大抓斗抓岩，配4～5m3吊桶高效出岩；用4m大段高模板，并辅以井壁吊挂管道输送混凝土，混凝土分料器分料浇注，气动高频混凝土振捣器振捣进行快速砌壁。在涌水量小于10m3／h的条件下，使月平均成井速度达50m以上。
（4）对北京建井研究所研制的LBM型模板固定式凿岩钻架、DTQ型系列通用抓斗、MJY型系列液压金属模板及井壁吊挂技术等主导性配套产品进行单机能力开发，并改进南京研究所研制的底卸式吊桶、JH一20型混凝土搅拌机，尽快形成适合深井开凿的机械化配套系统设备。
4结束语
综上所述，以混合作业法为基础的深井机械化配套作业方式已成为国内外立井施工技术发展的基本趋势，为了提高矿井建设的工程质量和施工速度，必须重视对凿井工程机械化配套规范、单机能力和配套综合技术水平的研究。
您当前所在位置：