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立井快速施工技术的发展及应用
煤炭科学研究总院北京建井研究所 龙志阳
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，通过近年来对立井快速施工技术的完善提高和大力推广应用。在立井施工中取得了快速优质、经济高效的结果。
关键词 立井凿井技术 快速施工 混合作业法 施工设备 推广应用
立井井筒工程是矿井建设中的关键工程。立井井筒在矿井建设中虽然仅占工程量的35%～5%，而工期却占总工期的35%～40%。因此，加快立井施工速度，是缩短矿井建设工期的关键。
随着开拓深度的增加，凿井条件日趋复杂，立井井筒占矿井建设总工期的比例也相应增加。所以，立井混合作业凿井技术的研究，对于加快矿井建设具有重要意义。
中煤建设集团公司与煤炭科学研究总院北京建井研究所等单位共同进行了立井快速施工技术的研究、完善和推广工作。在实践中不断地开发新技术、新工艺，增加设备的高科技含量，利用现代化手段来管理施工，使立井施工技术水平和施工速度再上一个新台阶。
1 作业方式的现状与发展
1.1国外现状
在50年代中期国外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，目前已趋于成熟和完善，显示其优越性和潜力。
据统计，前苏联、波兰等国家混合作业法比例已达90％，德国为100％，捷克、日本和加拿大等国家也已大量采用混合作业法施工，只有南非还有部分井筒采用手抱钻打眼，多层吊盘平行作业方式。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3～5ｍ，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。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30～60 ｍ,最大为100 ｍ,大大缩短了掘砌作业的工序转换时间，提高了施工速度。
掘砌平行作业于60～80年代曾在我国立井中采用。掘进和砌壁在两个相邻井段内反向进行，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的改进，砌壁占用掘砌循环工时由35％～40％降低到15％～20％，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2.0～2.5 m。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，其施工井筒数量有限。
1.3混合作业法的发展
1974年，煤炭、冶金、一机三部组织立井掘进机械化配套科研攻关会战以来，相继研制大型凿井设备，进行凿井设备的更新换代。作业仍多延用单行作业方式，在凿井作业方式、工艺与装备间的配套方面，没有相应地进行系统、深入地研究。因而80年代初长段单行作业在我国仍很流行，其次是平行作业。立井短段掘砌混合作业法及其配套施工设备的研究为国家“六五”重点攻关项目，经煤炭科学研究总院北京建井研究所与有关单位共同研究试验，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。
2 混合作业法及其配套施工设备的研究［１］
2.1研究目的与内容
混合作业法及其配套施工设备的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，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10m3/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10m3/工以上。
研究内容：①混合作业法总体参数及施工组织的研究；②混合作业法深孔爆破技术的研究；③大型抓岩机抓斗耐用性的研究；④混合作业法整体下移金属模板的研究；⑤混合作业法砌壁用早强混凝土的研究；⑥混合作业法混凝土输送和浇灌技术的研究。
2.2试验情况与研究成果
试验于1988年5月8日至1988年8月8日在平顶山六矿北山进风井进行，井筒净直径68m，井口标高＋387m，井深705.5m。主要配套装备有：V型井架、瑞典HTVD-35提升机、国产Jk-25/20型提升机、16台5～40 ｔ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型整体下移金属模板砌壁。采用35 ｍ段高一掘一砌正规循环的作业方式，打4ｍ深炮眼。混合作业法施工工艺见图1。
1凿岩爆破
采用伞形钻架，上配国产YGZ－70型独立回转式凿岩机，钎杆ф25ｍｍ六角形，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8号工业雷管（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
因注浆效果差井筒中下部平均涌水量为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。压风管、排水管、供水管和风筒采用井壁预埋件井壁吊挂。井筒推进约30～40ｍ后，进行一次接管工作，接一次管需要1～2天。
5）施工管理
实行三八作业制、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、出矸时多余井工在搅拌站备料。
正式研究试验历经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、1 530、535和835min），爆破进尺343 ｍ，3个月共成井121.1ｍ，平均月进尺40.37ｍ，工效18m3/工。该项目于1988年10月通过了原能源部科教司组织的鉴定和项目验收。达到了国内先进水平。取得以下成果：
(1)形成混合作业法成套技术。试验证实了4～5ｍ无临时支护空帮凿岩、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的技术工艺先进，机械设计配套合理，总体参数确定得当。
(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、空帮高度、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（55m）爆破，提高了爆破效率，达到减震和抑制矸石抛掷、防止崩坏设备的目的。
(3)施工设备合理。以日本ZC-3436型4臂伞形钻架为主体,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，在整个试验期间未因本身性能、结构及质量问题影响施工，操作简便、耐用。抓岩机采用的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。
所用模板在以下几个方面有所创新: 模板断面设计增加了刚度；减少收缩口为一个，加大了模板段高，达到了3-5 m，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，实现液压脱模立模。
(4)社会经济效益。
本次试验的立井混合作业法及配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，无需临时支护，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。
3 立井快速施工技术的完善提高和推广应用
3.1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法施工配套设备研究的基础上，“七五”国家攻关项目和煤炭行业科研项目中把凿井设备井壁内吊挂、钻架、抓岩机和整体下移金属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
3.1.1钻架研制和改进
研制成与模板相配套的LBM型模板固定式凿岩钻架。该钻架高度低，可与小井架配套，提升重量较小，无需大提升机，可用于深井；其稳定性较好，能打4m深炮孔，还可兼打12m深注浆探水孔，为工作面注浆探索出一条新途径。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，成功地在中小立井中使用。
开发新型YGZ－55型凿岩机与FJD－6A型伞钻配套，能实现兼打40 ｍ注浆孔。还对70年代进口的日本大型钻架进行改进，降低高度，减轻重量，使之应用范围扩大，可在井筒直径50～85ｍ中使用。
3.1.2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02、04、06m3，除配套在中心回转抓岩机上外，还可与长绳悬吊和吊盘悬吊抓岩机配套使用。
3.1.3MJY型系列多用金属模板［2］
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的使用范围和性能提高进行研究，逐步实现了系列化和使用的多功能并在全国推广使用。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，需加工三套模板，或更多。因此，研制成既能下行砌壁，又能上行套内壁，并可在外壁砌壁时实现变径使用的模板，使其实现多用途。MJY型系列多用金属模板已通过鉴定，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的井筒已有近40个。
3.1.4混凝土分料器和振捣器
新研制的QFH型混凝土分料器，采用独特的数个液压缸调节支撑臂支撑的伞型结构、双分料管可360°转动使用的方式，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。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（200～300 Hz），技术先进，结构简单，体积小，重量轻，摩擦阻力小，寿命长。
3.1.5混凝土搅拌系统
以JQ-1000型强制式搅拌机为主的混凝土搅拌系统，可满足月成井150～200 m的混凝土拌制。
3.1.6凿井设备井壁吊挂技术
国家“七五”攻关项目中井壁吊挂技术的研究，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。
3.1.7悬吊设备
采用吊盘绳兼稳绳，减少了稳车的布置数量及钢丝绳使用量。
3.1.8混凝土底卸式吊桶和输送泵
为了保证高标号混凝土质量，井内输送一般采用底卸式吊桶，该吊桶卸料口有扇面压紧胶板闸门，不漏浆、开闭灵活可靠。新型专利产品混凝土输送泵解决了与井筒相连的特殊硐室混凝土浇注难题，该泵体积小、重量轻、安设和拆除方便，输送能力、水平距离和高度均能满足井下要求。
3.2推广应用情况
短段掘砌混合作业法被列入煤炭工业部重点推广项目“100推”之中，在全国基建单位逐步推广使用。由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，并创出一批快速施工记录。该项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，创出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，同样取得了较好的效果。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，对全国立井凿井技术的发展和施工速度的提高有较大的促进作用。
4 立井快速施工实例和成效
4.1立井凿井速度稳步提高［3］
1980年初，三部会战研制的凿井设备在30套立井机械化配套中先后使用，使我国煤矿凿井施工速度由1974年16.2ｍ/月提高到1986年26.1ｍ/月，1977～1987年有25次月成井破百米。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，1987～1998年有90次，其中1997年有28次月成井破百米。全国立井平均进尺达45.3 m/月，1997年中煤建设一公司施工的11个井筒平均进尺达71ｍ/月。
4.2几个典型的机械化配套实例
中煤五公司在摩洛哥杰拉达煤矿Ⅲ号井井筒施工中，首次在国外承包的工程中系统运用了立井机械化配套的作业线，采用混合作业法施工。于1990年3月和11月分别创月成井106.4m和107.6m成绩。当年共施工井筒569m，两个水平的马头门和井底车场80m，立井平均月成井速度为81.3m。中煤五公司在枣庄矿务局付村煤矿副井井筒施工中，再次运用机械化配套的立井混合作业法创出月成井120.1m，全井筒平均月成井达78m的好成绩。
中煤五公司在河北下花园煤矿宣东二矿副井井筒施工中，进一步完善了立井机械化配套作业线，基岩段施工连续6个月超百米，最高月进尺为141m，平均月进尺达121.2m，创出了国内立井井筒快速施工新纪录。中煤一公司采用立井机械化配套的作业线，在宣东二矿主井的施工中，连续3个月的月进尺超百米，基岩段平均月进尺108.9m。中煤一公司还在曲江副井井筒施工中，取得了月进尺119.5m、148.68m和125.6m的好成绩。
4.3 1997～1998年凿井施工新突破
各施工单位也不断总结经验，使凿井速度稳步提高，创造了许多优质、高效的井筒工程。1997年中煤建设集团所属中煤一公司、三公司、五公司共有14个井筒21个月次月进超百米；1998年有12个井筒19个月次月进超百米。其中1998年11月邢东煤矿副井和唐阳煤矿主井月成井212.6m和216.5m。
4.4 1999～2002年凿井施工速度保持稳步提高
中煤建设集团和煤炭科学研究总院北京建井研究所共同完成的《立井井筒快速施工技术的完善和推广应用》获得煤炭部科技进步二奖，不仅在中煤建设集团所属中煤一公司、三公司、五公司等各施工单位中应用，而且在各省市矿务局建井工程处和、如：徐州、枣庄、大屯、淮北、新汶、峰峰等几十个施工单位推广应用，并且在冶金、黄金、化工和非金属矿山建井中推广应用，全国每年共有30月次月进超百米。
4.5技术经济效益
中煤建设集团一公司、三公司、五公司等单位，二十多年来一直注重于立井的综合机械化发展，采用先进的立井施工设备，在工程质量、经济效益方面取得了可喜的成果。由于立井机械化快速施工工艺及设备的不断完善和协调，使施工质量和施工速度大大提高，由此也带来了相当可观的经济效益。以年产90万t的宣东二矿为例，井筒提前5.7个月竣工，与预算价比较，节约资金494.63万元，多产煤42.75万t，获利8550万元，节约贷款利息234万元。
5 结语
随着开采深度的增加，新井开凿和老矿改扩建中的井筒工程将更多地进入深井施工状况，“十五”期间预计全国将有有近20个千米深井，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。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，研究开发相应的新工艺、新技术、新设备，以便使我国凿井施工技术和装备能满足矿井建设不断提出的更高的的需要，就具有特别重要的现实意义。
著作简介
龙志阳，1961年生，男，汉族，江苏省沛县人，1982年毕业于山东矿业学院矿井建设专业，1997年获得中国矿业大学工程硕士学位，研究员，历任煤炭科学研究总院北京建井研究所立井室副主任、井巷室主任工程师，现任机电仪表部副主任。主持和参加国家攻关、部重点和一般科研项目10余项、取得多项国际先进或国内领先成果。3项获省部级二等奖，2项获部级三等奖。共发表论文近30余篇，主编了“立井井筒施工技术”一书，获国家专利2项。1996年获得孙越崎科技教育基金优秀青年科技奖、中央国家机关优秀青年，1998年评为煤炭系统专业技术拔尖人才。
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