国外竖井论文19：中国1000米深井现状和发展

发布时间:2024-04-18

中国千米深井凿井技术现状与发展

龙志阳  桂良玉

（1天地科技建井研究分院，中国北京 100013；2煤矿深井建设技术国家工程实验室，中国北京 100013）

摘  要: 简述中国深井凿井技术现状和分析了主要存在问题，通过研究开发完成千米基岩掘砌快速施工工艺、5m深孔液压凿岩钻架、5m深孔控制爆破技术、液压中心回转式抓岩机和迈步式液压模板研制，实现4.2m段高掘砌循环作业，形成一套新的立井短段掘砌混合作业法及其配套施工设备。在深井施工中达到均月进度达到110m以上，人员工效达2.22m3/工以上效果。

关键词: 深井凿井  液压钻架  液压抓岩机  迈步式模板

Current situation and development for China’s 1000m deep shaft sinking

Long, Zhiyang (Tiandi Sciences and Technologies Shaft Construction Research Institute, Beijing, China, 100013) Gui, Liangyu (National engineering lab for coal mine deep shaft construction, Beijing, China, 100013)

Abstract: It briefly describes the current situation of deep shaft sinking and analyzes the main existing problems in China, the rapid construction process for lining and sinking 1000m in bedrock, 5m depth hole hydraulic drill jumbo, 5m depth hole blasting control technology, hydraulic centre rotary grab, and stepping hydraulic formwork are researched and developed, to realize 4.2m height lining and sinking circulation work, and form a new vertical shaft short section lining and sinking mixed work method together with auxiliary construction equipments. During the deep shaft construction, the average monthly advance is over 110m, and the work efficiency of personnel is over 2.22m3/person.

Key words: shaft sinking technology, construction equipment, current situation, development

1． 千米深井凿井技术现状

1.1 井筒施工技术发展过程

中国的煤矿立井井筒施工，在20世纪70年代以前，主要采用手持式风动凿岩机、人工操作的0.11 m³的小抓斗等小设备施工，工效低、速度慢。20世纪70年代初，为了加快新井建设的步伐，缓解煤炭的供需矛盾，1974年开始的煤炭、冶金、一机三部立井施工机械化配套科研攻关会战，经过12年，取得了近百项科研成果。1986年又开始短掘短砌混合作业的立井施工机械化配套综合试验，进一步充实和提高了凿井机械化水平，改进了工艺，使中国煤矿凿井技术又上了一个台阶。2004年以来全国立井井筒施工速度已达到平均月进60m以上。

1.1.1 三部立井机械化配套科攻关会战

三部会战最初针对深度800m，净直径5～8m，用长段单行作业方式的井筒，使其月成井速度达100m和打干井的要求。一方面进行凿井设备的更新换代，填补空白；一方面改进工艺，使机械化与工艺配套，并考虑了有关的辅助作业系统，制定了方案。为了提高凿井技术水平，加快立井施工速度，经煤炭部倡议，得到冶金部、一机部的支持，遂于1974年初开始组织有关科研、设计、高校、施工企业、机械制造厂等140多个单位。三部立井施工机械化配套科研会战历时12年，耗资近4000万元，取得成果近百项，为中国凿井技术的现代化奠定了初步基础。

1.1.2 “六五”、“七五”的立井机械化施工配套设备攻关

20世纪80年代初，中国煤矿凿井多采用单行作业，由于用锚喷临时支护取代了复杂的井筒背板，简化了工艺，加大了段高，减少了掘砌变换工艺的次数，提高了进度。以后，根据国外的经验及少数单位的实践，发现短掘短砌混合作业不仅可以完全取消临时支护，而且部分掘砌作业还可以平行，有利于安全，保证工程质量。为此，将立井短段掘砌混合作业及其配套施工设备列入“六五”国家重点科技攻关项目，实践显示了混合作业工序组织合理，技术配套科学，机械化程度高，工艺简单，作业安全和施工速度快等先进性，尤其是整体下移金属活动模板的研制成功，充实并加强了凿井机械化配套中砌壁这一薄弱环节。此后，“七五”期间，天地科技建井研究院及有关单位又对试验中发现的问题展开研究，开发了MJY系列多用金属模板，大型通用抓斗，混凝土上料、集中搅拌自动计量装置，分料器、振捣器、井壁吊挂等技术，使立井施工机械化配套得到充实和提高。

1.2 井筒施工设备现状

两套提升系统，一主一辅，保证有足够的矸石提升能力，满足快速施工要求。目前有JK2.5/20，JKZ2.8/15.5，2JKZ3.0/15.5和2JKZ3.2／13.3四种凿井提升机可选用，新Ⅳ型和Ⅴ型凿井井架，可满足伞架进出、上下井、座钩翻矸装置和矸石仓漏斗布置要求。系列稳车悬吊井内设施，现有5t，10t，16t，25t和40t等8种规格的单双筒和缠绕、摩擦两种结构的系列稳车。现有FJD4、FJD6、FJD6A、FJD6.7、FJD9和FJD9A等6种伞形钻架，配YGZ-70独立回转凿岩机，55硅锰钼成品钎杆，Ф42、Ф55mm钎头，可以打深3.2、4.2m的钻孔；高威力防水、乳化、水胶炸药，长脚线高精度15段毫秒雷管、电磁雷管，高频发爆器等火工新产品，为推广应用3～4m中深孔光面爆破技术提供了物质保证。大型抓岩机装岩。0.4 m³、0.6m³的大型抓岩机有4种结构7种规格的产品。MJY系列多用金属模板。它比原有的各种模板型式有了重大改进，不仅采用了独特结构，只设一个收缩口，有效地提高了抗变形能力，而且还可根据施工要求，组成直径4.5～8.5m，高度2.5～6.0m，刃脚高0.2～0.3m等36种不同规格的模板，一模多用。主要凿井设备使用数量和2010年预计增加量如表1。

1.3 深井井筒施工情况

随着中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，井筒年均深度由187.5m上升至570.7m，已建成900 ～1000m以上的深井有15座之多，“九五”以来深井开凿数量逐年上长，超过700～1000m的深井占施工井筒总数的30％以上。

中国能源结构在今后十年煤炭仍占60-70%，随着开采深度的增加，新井开凿和老矿改扩建，矿井施工正向深井过渡，“十一五”期间预计将有近300个井筒施工，其中有近10％左右是千米深井井筒，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。中国近十年部分千米级深井井筒凿井施工情况见表2。

2． 千米深井凿井主要存在问题分析

（1）设备能耗多施工环境恶劣

凿岩钻架、抓岩机以压缩空气为动力，地面需要配置3~4台20 m³/min空压机，通过压风管道送到井下,电力动能通过两次转换，功效只有15%左右。再用气动马达驱动油泵供油实现液压传动形式驱动，配用YGA-70型独立回转凿岩机，工作面凿岩噪声大（125-130dB），雾气大，施工环境恶劣，操作工人长时间井下工作会出现耳鸣、头晕，严重的还可能造成失聪等职业病。

（2）装岩速度慢

装岩工序占整个掘砌循环时间的50~60％，国内抓斗以0.4~0.6 m³为主， 0.6 m³中心回转抓岩机在深井筒平均抓岩能力为36 m³/h。特别是近几年8.0m以上大直径井筒逐渐增多，使用4 m³的吊桶提升，而用0.6m³抓斗连续抓8-10次才能装满一桶，有些施工单位在井筒内布置2-3套0.6m³中心回转式抓岩机抓岩，实际使用中两台相互干扰，抓岩效率仅比单台提高30%左右。另外目前井下中心回转式抓岩机全部采用压缩空气作为动力，要彻底改变这种局面必须使用电动—液压动力系统。

（3）凿井设备钢丝绳悬吊

在深立井施工中，大量的重型机械设备都要用钢丝绳悬吊，加上钢丝绳本身的悬垂长度，致使悬吊重量过大。目前中国产稳车最大悬吊能力为40t，最大悬吊深度为1000m，立井凿井期间吊盘、模板、管线等大量的凿井设备需要用稳车钢丝绳悬吊，井筒加深后悬吊设备能力、移动灵活安全等都会出现问题。借鉴国外先进经验，采用井壁悬吊管线、迈步式模板、稳绳兼吊盘悬吊绳等方式是解决该问题的有效途径。

（4）掘进效率低

普通法凿井掘砌正规循环段高一般在3-3.5ｍ以内，工序转换多，辅助作业时间较长，并且带来井壁接茬多；立井掘进工效率近十年来一直在1.0 m³/工左右。一次掘砌段高在有利于井帮稳定和施工安全的前提下，段高越大，掘砌转换和清底的次数越少，效果越好。就施工设备和技术而言，段高要由一次打眼深度来确定，研究4.2ｍ段高掘砌正规循环作业及其配套施工设备工业性试验，从而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工艺及技术参数，提高立井掘进效率，加快中国立井凿井速度。

3． 千米深井凿井新技术研究

中国煤矿凿井技术经过几十年的奋斗，取得了可喜的进步和成绩，特别是三部会战和“六.五” 、“七.五”攻关，已连续上了两个台阶，但是与发展的需要和国外凿井技术比，还有一定差距。对于现有凿井设备，需进一步改进、提高其性能、耐久性和利用率，应尽可能利用现代科技，使其具有更好的自动化水平，更大的适用范围，与施工工艺更好地配合。因此，在总结经验的基础上，还要不断提高凿井技术水平，同时也要为今后的发展，加大科研开发的力度。国家“十一五”科技支撑计划重点项目“深厚冲积层千米深井快速建井关键技术”的研究中对深井掘砌关键技术及装备研究进行全面研究。通过近3年开发研究在以下几个方面取得如下新成果。

（1）千米深井施工工艺研究

千米深井快速掘砌施工工艺全面推行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0.6～1.0 m³大抓斗抓岩机，配4～5m³吊桶高效出岩；用3.6～4.2m整体移动金属模板，并辅以井内其他大型设备进行快速施工。在涌水量小于10 m³／h的条件下，使月平均成井速度达80m以上。研究适宜千米深井快速施工工艺及施工组织。开发千米深井施工组织设计专家系统。立井施工组织设计软件采用Visual basic 5.0/6.0为开发平台，界面友好，操作简单，系统运行平台为WindowsXP/Win7，AutoCAD 2002及以上版本，Office 2000及以上版本，使用ActiveX自动化界面技术实现与AutoCAD系统和Word系统的链接，自动生成相关格式的文档，在编程中，可以将AutoCAD系统和Word系统当作VB程序中的一个图形窗口（如图1），对其进行打开、绘图、编辑、打印和关闭等操作。人机对话界面将复杂的程序运行过程置于后台，简化输入条件，最大限度地方便操作人员，并能适应不同层次人员在短时间内掌握，还可根据需要随时增加相应的功能模块。图1  立井施工组织设计辅助系统图

本系统主要功能包括：凿井设备选型计算、凿井设备布置、爆破图表生成、正规循环图表生成、绞车电阻计算、用电负荷统计、劳动组织、大临工程量（土建、安装）清单等。

本系统适应于井筒净直径范围在4.4m～12m，井筒深度范围为1200m以内。本系统为国内许多专家的施工、设计经验优化总结，因此带有企业施工习惯、经营和管理理念，在选择使用时必须结合企业自身管理水平、经济实力等各方面综合考虑，参考使用。

（2）液压伞形钻架研制

液压伞钻采用了电动—液压动力系统和导轨式液压凿岩机，提高了凿岩效率。 采用了液压自动平移装置，提高了凿岩机移动定位的速度，提高了凿孔的垂直精度，采用了液压缸—钢丝绳行程倍增推进系统，提高了凿孔深度，可打5m深炮孔。采用合理的钻架结构，使得推进器摆动角大，可达150°（±75°）。液压伞钻性能见表4。

1）凿岩耗能低： 气动伞形伞钻通常使用2台40 m³空压机作为动力，电机功率为500kW，而液压伞形伞钻用电机总功率不到120kW的液压站作为动力，能耗不到气动凿岩机的1/3。

2）凿岩速度快：在同类岩石和相同孔径的条件下，气动凿岩机凿速是0.5~1m/min，而液压凿岩机的凿速是1~3m/min，其工作效率是气动凿岩机的2~3倍，加快了井筒的凿井速度。

3）钻具损耗少：由于液压压力比气动压力高10倍左右，因此在同样冲击功率时液压凿岩机活塞受力面积小，冲击活塞面积接近钎尾面积，应力传递损失小，受力均匀，寿命高、，故钻具成本费可降低70％左右。

4）经济效益好：目前一台6臂气动伞钻大约50万元左右，地面需开2台排气量40m³/min，备用一台20m³/min的空压机，3台空压机设备费用大约100万元左右，共计150万元左右。基本与SJDY4型液压伞钻价格持平，另外每月施工100米井筒计可节约资金6万元。

表3  SJDY型钻架与现有钻架性能比较

（3）5m深孔爆破技术研究

研究高效深孔掏槽爆破技术，提出适合立井基岩深孔爆破的合理掏槽形式和掏槽参数；优化周边眼爆破参数，研究深孔、超深孔的周边定向断裂爆破形成技术；解决深孔装药和深孔炸药连续爆轰的关键工程技术问题，提高爆破效率及循环进尺，减少爆破对围岩的破坏，力争在立井深孔控制爆破应用技术方面有所突破。构建了千米深井基岩5m深孔控制爆破关键应用技术体系。从孔网参数和装药量、装药结构、起爆顺序等解决中国立井基岩深孔爆破效果，提出了适合立井基岩5m深孔爆破的二阶二分段直眼掏槽和聚能药卷周边定向断裂控制爆破成型保障等系列技术，具有爆破效率高，围岩破坏小，形成了适应立井5m深孔爆破安全高效的机械化配套、生产工艺和技术体系。在爆破试验立井凿岩实现深孔控制爆破约1200m，爆破效率平均达到85～90.5%，周边半眼痕率达83%以上，能满足中国千米立井凿井快速优质施工的需要。

（4）1m³液压抓岩机

1m³液压中心回转式抓岩机首次采用全液压驱动和集成控制、集中操纵的方式，实现了升降、回转、变幅、抓岩等机组的各项运动要求，1m³液压抓斗斗容大，以差动油缸取代汽缸，使抓斗张开速度快，抓岩效率高；抓斗重心低，插入性能好，抓满系数高。机组的提升、回转、变幅和抓岩用液压传动代替了气压传动，简化了机组结构，使整机重量降低了2000kg。由多路阀集成控制和先导阀集中遥控操纵的液压控制系统可以实现机组的单项或双项复合运动，司机室的座椅、操作手柄采用人性化设计，降低了工人的劳动强度。液压驱动能耗少、噪声低，各运动机构中设有安全保护装置。液压抓岩机动力能耗仅为气动抓岩机的1/3，噪声可降低10dB(A)以上，改善抓岩作业环境。机构传动平稳，工作安全可靠。经过地面和井下施工试验证明1m³液压中心回转式抓岩机研究是成功的，实际抓岩生产能力可达80m³/h以上。新型抓岩机性能指数见表4。

表4  HZY液压抓岩机与现有抓岩机性能比较

（5）液压迈步式模板

本迈步式液压模板采用井壁支撑悬吊代替稳车悬吊，液压缸脱模，改变了过去一直由稳车悬吊的方式，节省3台以上稳车和数千米钢丝绳，减少了凿井井架的负载，简化井筒悬吊布置。对迈步式液压模板的模板主体和迈步行走机构、上支撑环、下支撑环和悬吊装置进行研究。模板主体由数段弧形模板块组成环状，模板在圆周上只设一个伸缩搭接缝，模板整体性好，刚度大，不易变形。靠一组伸缩液压缸将整个模板主体直径收缩变小或变大恢复，从而实现脱模、立模。研究液压迈步式模板井壁悬吊闭锁机构，用液压迈步机构整体移动模板，用悬吊装置实现自行调平找正。

1）根据中国所建千米立井日益增多，稳车悬挂提升模板难度增大的现实问题，确定将砌壁模板悬挂井壁之中的新构思、新方案是可行的。

2）由于MJY型模板已经得到普遍推广应用，使用液压迈步架与模板配合使用操作方便，掘砌综合配套情况好，适合深井施工要求。

3）使用液压迈步式模板，可有效地节省三台稳车、数千米钢丝绳及其他配套设施，有效地降低了井架荷载，对深立井施工具有重大推广价值。

4）整个迈步架及液压系统运行平稳、工作安全稳定，模板升降操作方便并适应井下工作环境条件。

（6）千米深井4.2m一掘一砌装备配套试验

羊东项目部施工的羊东风井井筒2009年11月份正式开工。用5m深孔钻爆法快速掘进；用1.0 m3大抓斗抓岩机，配4～5m3吊桶高效出岩；用4.2m液压迈步大模板，并辅以井内其他大型设备进行快速施工。。全体职工高效组织施工、严格加强管理、采用新技术、新工艺，全体员工发扬攻坚克难的精神，克服困难，以“安全第一、预防为主“为前提。风井井筒连续8个月实现月成井100m，除去影响时间，达到均月进度达到110m以上，人员工效达2.22m3/工以上效果，实现4.2m一掘一砌正规循环的短段掘砌混合作业施工方法。其示意图见图2。

图2 一掘一砌正规循环短段掘砌混合作业施工示意图

4． 结语

千米深井凿井技术开展研究以来，经过3年卓有成效的工作，已形成了一系列技术知识产权，将原来气动抓岩、气动打眼、稳车悬吊模板的方式改为液压抓岩机快速抓岩、液压伞钻快速打眼、模板迈步自行悬吊的新工艺。上述设备及相关工序共用一套液压动力系统，取消了原压缩空气动力系统，简化了井筒施工设备布置、省去了稳车等设备。更为可喜的是使用新型设备能有效降低施工噪音和粉尘，从根本上改善了井下工人的施工环境，有效降低了能耗和施工成本。本项技术创新将使深井施工技术迈上了一个新的台阶，总体达到了国际先进水平,在中国矿山立井建设发展中具有深远意义和重要的推广价值。

参考文献：

[1]路耀华，崔增祁  中国煤矿建井技术［M］，徐州: 中国矿业大学出版社, 1995

[2]龙志阳. 立井井筒施工技术, ［M］北京: 煤炭工业出版社1999

[3]龙志阳. 千米深井凿井技术现状及发展新动向./ 周兴旺，程桦，张伟林等.矿山建设工程技术新进展论文集［M］.徐州: 中国矿业大学出版社, 2009. 30-41

著作简介：

龙志阳，（1961-），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，现任北京中煤矿山工程有限公司副总工程师、首席专家。发表论文近40余篇。