大龙论文27：立井轻型凿岩钻架研究与应用

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立井轻型凿岩钻架研究与应用

煤科总院北京建井研究所 龙志阳

摘  要  介绍了立井凿岩钻架现状，根据目前国内立井井筒直径50%在6以内，提出了轻型凿岩钻总体设计参数，开发研制了轻型凿岩钻架在立井井筒施工中使用，并取得良好的效果。

关键词  立井  凿岩钻架  轻型

1．概述

凿岩是井筒掘进主要工序之一，时间约占总掘进循环时间的15～25％。早期采用手持式凿岩机，劳动强度大，工作环境安全性差，常常发生人身事故。为改善作业条件，加快立井的掘进速度，世界各国普遍重视立井凿岩钻架的研究与使用。

1.1　国外凿岩概况

前苏联1980年凿岩机械化达到68.2%。主要钻架型号有:БУКС—1M(4臂、钻眼深度4.5m)、CMБУ—4M（用钢丝绳固定在工作面的模板上，并可同时钻3个炮眼）和目前大力推广应用的БУКC-1У5型组合钻架。后一种钻架吊挂于环形轨道抓岩机的转架上， 并可随转架在工作面移动，每次移位可钻一组炮眼，钻眼角度可调，钻架可配2—5个钻臂，常用4个钻臂，钻眼深度4.4m， 钻架装上重型凿岩机可钻深度50m的注浆孔。

德国钻架也有多种型号。近年来使用最广泛的是TK—4型水平转臂式钻架，钻架结构简单，重量轻，借用抓岩机的液压动力。适用井筒直径5～8m，可钻Φ38～Φ50mm、4m深的炮眼，还可钻35～40m深的注浆孔。德国国内钻眼机械化水平已达100％。

捷克井筒全部使用钻架凿岩，钻架为简易伞形钻架， 臂数2—4，品种齐全，使用灵活，打眼深度2.84m。

波兰通常采用WUP—22、—27、—28型气动凿岩机人工打眼,采用套钎方法，钎杆长度依次为0.8、1.6、2.4、3.2和4.0m。为防止卡钎故障，采用依次缩小钻头直径的方法，钻头直径分别为46、44、42、40、和38mm。曾使用过苏制4臂钻架，因备件及辅助时间长等原因不用了，正在试用新的6臂伞钻。

日本古河4臂、6臂、东洋6臂伞钻因国内已引进，性能都是人们熟悉的良好的凿眼设备。由于近年来日本国内无用户，已再没有新产品问世。

加拿大采用4臂电动—液压伞形钻架，在克雷格矿竖井（深1500m，Φ6.3m）中，凿岩钻架实际上是2台双凿岩钻架，每台均自带动力装置，由设置在吊盘顶层的电动绞车悬吊，凿岩机导轨行程5m，每循环需126个炮孔，循环进尺3.5～4.8m，掘进速度3.7～4.6m/d。爆破时钻架只提升到吊盘中间，不升井，以减少辅助时间。

南非手持凿岩机仍普遍使用，但近10年在凿井技术上也开发了立井凿岩钻架，并已在南非10个立井施工中使用。其钻爆3m段高的一个循环用时约6h，月进尺可达180m。

不管采用何种钻眼设备，都有一个共同特点，即在现有立井钻眼中均能实现4.0m左右的深孔爆破。实行一掘一砌的混合作业方式,并使掘砌循环进尺在4.0m左右。目前国外钻架发展趋势是:提高完善钻架的性能，特别注重发展钻架兼打注浆孔的性能。由于涉及钻架重量(提升机能力)，施工安全爆破等因素，钻架一次推进凿岩深度近十年没有发展，仍维持在4～5m之间。

1.2　国内凿岩概况

从50年代到70年代初期，我国立井施工都采用手持式凿岩机凿岩。人工手持式凿岩机凿岩，炮眼深度，开始为1.2～1.5m，后期到1.8～2.5m。其优点是操作灵活，能实现多台凿岩机同时凿岩，井筒中配备凿岩机的台数是根据断面大小及岩石坚硬程度地因地制宜确定。根据各地经验，当岩石强度系数f＜6时一般每3～4m2 配置一台，当f＝6－10时为2.5～3m2 一台，f＞10时，为2～2.5m2 一台。

凿岩时采取分区分组交替打眼法，即将工作面划分若干扇形区，工人也相应分小组，每次打眼、各小组人员都是在固定的一个扇形区域内，由井帮向着井心(或以相反方向)逐圈地顺序打眼，每个打眼小组内还应有明确分工，固定每个人打眼的位置和数目，以保证井筒掘进规格及炮眼的质量，当炮眼深度较深时，一台凿岩机先用短钎子打眼，然后第二台凿岩机用长钎子接着深炮眼打至设计深度，即用套钎方法完成较深炮孔钻凿。手持式凿岩机凿岩的缺点是：工人劳动强度大,凿岩需用人员多， 工作环境差，操作不安全,凿岩深度小。手持凿岩爆破效率低，由于浅眼多循环、工序转换多，辅助工序占用工时比例增加，手持式凿岩仅能凿Φ42mm钻孔，并且炮眼深仅2m左右，爆破效率不易提高。

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，研制出了HD型环形钻架，该钻架是一环形轨道挂着若干个气腿式凿岩机的一种简易凿岩设备，在煤炭冶金矿山几个井筒使用过。进入80年代，因施工工艺变化，在煤炭基建系统均未有使用环形钻架的实例。

1975～1976年我国研制出第一台FJD6型伞形钻架在陶二矿主井进行工业性试验，而后又研制并鉴定了FJD9、FJD6.7、FJD6A、FJD9A，初步形成了我国伞形钻架的系列产品(国内外钻架主要技术性能见表1)。70年代后期又从日本引进一批4、6臂伞钻，80年代日本、西德在中国承包工程中又带来2台钻架。据初步统计，我国从1975年到1991年已有20多个井采用了钻架凿岩，使用伞钻和环钻凿岩最高月进尺分别达到120.1m和141.6m，利用凿岩钻架凿岩是提高立井施工机械化水平、加快井筒掘砌进速度，改善工人作业条件的有效措施。

2. 轻型凿岩钻架研究开发

    3.1　轻型钻架研究的必要性

按照上述的分析，国际上凿岩钻架以伞形钻架为主，正在研究开发多种型式钻架。我国是以人工手抱钻为主，少数采用伞钻，环形钻架已基本上失去了市场。我国每年开凿施工的立井平均有50～60个，而使用凿岩钻架施工的只有20～30个，只占33～50％，大量仍采用手持式凿岩机凿岩。而手持凿岩机一般凿岩深度在2m以内，随着段高增大，有些施工单位以人站在梯子或架子上开钻，一次打3m左右炮眼，这种作业凿岩速度慢，工人劳动强度大，工作环境差，不安全，很难做到一掘一砌正规循环，不是发展方向。在科学技术日益发展的时代，必须逐步用凿岩钻架代替人工抱钻打眼。我国现有伞钻由于存在上述问题，很难大量推广使用。因此，在目前各施工单位财力有限，以减轻人工抱钻打眼的劳动强度，增大一次凿岩深度，提高短段掘砌段高和实现正规循环，完善配套该施工工艺，加快我国立井凿井速度。

在这种情况下进行单臂钻研制和试验，更有成功把握。就目前我国拥有的钻架研制水平来看，研制这样一种相对于伞钻而言结构简单、适应范围广、成本低、操作容易的新型钻架在技术上是可行的。

3.2 轻型凿岩钻架结构

新型凿岩钻架的结构与使用是借鉴伞形钻架结构简单、制造容易和吸取导轨式凿岩机有能打4m深炮孔的钻臂的优点，从而实现以导轨式凿岩机完成工作面炮孔凿岩工作的一套结构和工艺。新钻架结构见图5所示。

图5 轻型钻架结构示意图

1-支撑臂；2-中心立柱；3-推进器；4-动臂；5-气水系统

3.2.1 摆臂

轻型凿岩钻架的钻架为中心立柱基根，在上均匀分置46个摆臂支座。摆臂的支座直接固定于中心立柱，摆臂可绕摆臂支座旋转170°，摆臂宽约450mm。

3.2.2 动臂

数组动臂均布在模板周围。每组动臂由大臂、支撑液压缸、摆臂和销轴等部件组成，如图5所示。摆臂的支座用螺栓固定在模板组合槽钢上。大臂体内布置操纵动臂工作的液压管路。大臂体为16槽钢或14b槽钢对焊而成。

３.2.3带凿岩机的推进器

单臂钻的结构与伞钻中一个动臂吊挂的那一部分结构基本相似。导轨推进器提供凿岩机钻凿炮孔时的推进力和拔钎力，并承受凿岩机凿岩时的反作用力，还具有导向作用，使凿岩机能按要求钻凿不同角度的炮孔。凿岩机附在其上。

推进器的推进方式有气马达－螺旋副、气马达－链条和液压缸－钢丝绳等3种，根据国内使用的实际情况和这次新型钻架的总体要求，选用气马达－螺旋副方式。因此推进器主要由气马达、减速箱、螺丝杆、滑轨、滑架扶钎器和升降补偿液压、操纵阀等组成。推进器推进长度定为4.2m。

３.2.4 气、水、液压系统

钻架的气、水、液压系统管路和总分配器设计布置在提升架上，然后分成若干条支管接到各推进器上。液压系统的动力源为采用与伞钻类似的操作方式。

3.2.7 主要技术特征

轻型凿岩钻架能满足直径4～6m井筒凿岩施工，根据总体参数确定的原则要求，FJD轻型凿岩钻架共分为2个规格，其主要技术参数见表3。

4 钻架工业性试验结果

4.1 试验情况

钻架于1994年11月在山东矿山机械厂完成试制。经过在江苏省煤炭基本建设公司第二工程处龙固煤矿主井的井下工业性试验后，于1995年8月对摆臂、推进器、提升架等进行了改进。1996年1月在江苏省煤炭基本建设公司第三工程处施工的运河煤矿主井进行了第二次工业性试验。

表3轻型钻架主要技术参数表

1. 主要技术性能     

试验共进行2个月，22个循环（其中钻架凿岩11个循环），共钻凿炮孔516个，探水孔21个，累计凿岩深度2310m（表4）。

两臂凿岩时，单个提放推进器，逐个拆装至动臂上，由于初试，操作不够熟练，推进器拆装时间较长，每循环拆装等辅助时间约4h左右。3臂凿岩时，由提升架同时提放3个推进器，实现了平行拆装工作，每循环辅助时间明显减少，约为2h左右。

表4  凿岩情况汇总表

(1)型轻型凿岩钻架设计结构合理，可以实现在中小井筒中凿岩。

(2) 结构高度低，III、IV型井架均可使用；提升重量轻，一般提升机均能提升。

(3) 结构简单，便于操作、便于维修。

(4) 可实现凿4m深的炮孔，也可钻凿12m深探水孔。

(5) 整机工作时稳定性好，较少有卡钎现象。

(3)轻型凿岩钻架总体高度低(不超过6.5m)，重量轻，适于中、小直径立井的井架和提升机配套使用，在深井施工中避免了因钻架重量大而选用大提升机和大井架导致设备和能耗费用的增加。井下使用表明，该钻架设计基本上是成功的。钻孔时选点、移位灵活准确，钻4m深爆破孔整机工作稳定、可靠，凿岩性能及效率基本上与伞钻相同，可以满足深孔爆破要求，结构简单，制造容易，和伞形钻架中的能打4m深的炮孔的导轨式凿岩机钻臂的优点，

4. 结束语

从国内外凿岩钻架发展趋势上看，目前凿岩主要以伞型钻架使用为主，其他各种钻架为辅，在解决深立井施工使用的钻架上，主要措施是将重量大体积大的钻架，分解成数个小钻架，以减轻重量，或安放在模板上，形成一个能完成凿岩、抓岩、砌壁等工序的钻岩凿井设备机组。

针对我国目前立井凿岩实际，通过轻型钻架的开发研制，为我国凿井设备增加一种新型钻架，填补4臂伞形的空白，该钻架费用仅为传统的伞钻的1/2，与传统伞钻相比,不需大绞车和大井架，仅绞车和井架初期投资就可节省达100万元以上，与人工抱钻相比又具有机械化程度高，技术先进，减轻工人劳动强度，操作安全，一次凿岩深度可达4m深的优点，有利于加快凿井速度。这种钻架在立井井筒施工中具有广泛的推广使用前景。