大龙论文38：千米立井井筒施工新技术

发布时间:2024-06-02

千米立井井筒施工新技术

一、国内外深井凿井技术现状

（一）国内现状

据统计，我国已有平顶山、淮南和峰峰等58个矿区的200多座矿井开采深度超过600 米，逐步进入深部开采的范畴。其中开滦、北票、新汶、沈阳、长广、鸡西、抚顺、阜新和徐州等171处矿井开采深度超过800米。开采深度超过1 000米的有开滦矿务局赵各庄煤矿(1160米)，沈阳彩屯煤矿(1 199 米)，新汶孙村煤矿(1 055 米),北票冠山煤矿(1 059 米) 。采用混合作业法施工井筒，必须加强机械化配套作业水平，通过近十几年的发展，目前施工井筒普遍采用JKZ型2～5米单绕式提升机、FJD-6型液压伞形钻架、HZ-4和HZ-6型中心回转式抓岩机、3～5立方米吊桶、液压脱模金属模板等，初步形成了适合我国短段掘砌混合循环作业凿井机械化的配套设备。一大批凿井配套设备，如：底卸式吊桶、QFH型混凝土分料器、ZNQ-50型气动高频振捣器、QF型除水分风器、BQ20／35型气动潜水泵、HCS-10型水泥自动拆包机、JH-20型连续式混凝土搅拌机等设备，以及井壁吊挂技术，中深孔爆破技术，井筒涌水截、排、导技术等也在研发中应运而生。

立井井筒建设历来是煤矿建设的咽喉工程，立井工程量一般只占矿建工程总量的10%，但凿井时间却占总工期的50-60%。‘十一五’期间中煤四十九工程处创造了月进尺220.6米的好成绩，千米深井唐口立井创造了平均月进尺110米的好成绩，使立井工程不再对工期产生重大影响。‘十一五’期间，随着矿井建设技术的进步，凿井机械设备的大型化，煤矿建设的速度也大大加快。过去8-10年才能完成的矿井，现在3-5年就能建成。如：新集刘庄、淮南顾桥、淄博济北等现代化矿井都是成功的典范。

目前国内最深立井是武钢矿业有限责任公司施工的程潮铁矿深部接续主井工程，其井筒净直径6米，井口标高 100米，井底标高-1035米，井深1135米，基岩段采用短段掘砌竖井机械化配套作业，于2006年9月份～2007年1月份连续5个月成井速度超过百米。

（二）国外现状

国外原苏联、德国、捷克、波兰、加拿大不少井筒深度在1000米左右，在南非深达1500～2000米。说明深井开凿已成为国外机械化配套设备的发展趋向。前苏联及东欧国家平均月成井速度达50～60米，人工工效达3～3.5立方米，德国平均月成井速度为80～100米，人工工效为4～5立方米。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。

前苏联每年要完成大量各种用途的立井掘进工程量约20000米，其中煤炭工业占50%以上。限于基建投资削减，今后主要是在改建现有生产矿山企业需要开凿的大量新矿井。这些矿井的净径一般为6～9米，其深度为1000～1500米。从1952年以来乌克兰顿涅茨克凿井公司主要施工的立井工程多达184千米。共完成了358个井筒，其中最深的1417.5米。曾于1969年创造了401.3米/月的掘进世界纪录。

90年代后，前苏联的解体导致了矿井建设体系的巨大变化，但乌克兰顿涅茨克矿井凿井公司始终坚持了自己的生产和科技优势，保持了在国内外立井市场的竞争力。

2002-2004年顿涅茨克凿井公司立井工程项目见表1

表1 顿涅茨克凿井公司立井工程项目

南非金属矿开采深度较深，直径为10米立井有1个，一般直径为8米，6米直径风井约150余个。普遍采用先注浆治水后开凿的凿井方法。

大直径深井凿井，一般使用的机具为：大型吊盘（6层，起升总重140吨）、大型多臂（7臂）气动伞钻、大抓斗（0.85立方米）、大吊桶（13.6t/10立方米）等设备。例如：开挖净直径为10米的井筒，采用7臂气动伞钻遥控钻孔，中心孔直径200毫米，周围布爆破孔共7圈124个、直径54毫米，孔深6米，钻眼时间4小时。钻眼后，使用泵送液态炸药装药，延时爆炸破岩。由于装药量多，起爆时震动十分剧烈。有些矿井则采用8臂钻机配0.84立方米抓斗完成钻孔、爆破和装矸等工艺。

国外某矿开凿的井筒井深为3000米，仅吊盘悬吊钢丝绳就需6根长11.6千米的长绳，其安全系数仅为3.4，但要开凿3000米深井，钢丝绳的长度仍不够长，矿方设法将钢丝绳的死点从井口下移300米在井筒内固定，以延续凿井。为克服在井筒中部地层条件变化对井壁的影响，该矿主立井在-2348米至-2733米段采用了不锈钢制井壁。此段钢筒壁厚120 毫米，内有钢结构支撑，外部浇注钢丝纤维混凝土，整体构成总高385米的柔性井壁，以适应地层岩石移动和压力变化。

（三）国内井筒施工设备现状

1974年三部立井掘进机械化配套科研攻关会战取得的近百项科研成果，1985年以后在推广应用中专门研究了混合作业法，发展了综合注浆法新技术，又开发出了井壁支护系统的新设备和新工艺，成功研制出3.5 米高、单伸缩缝的整体下移金属模板、改进了伞型钻架、开发出系列抓斗，初步形成了我国煤矿独具特色的短段掘砌混合作业的凿井新技术，为快速施工提供了物质基础。这些设备全部国产化，机械配套合理，性能可靠，使用得心应手，在立井井筒快速施工中发挥了重大的作用。

80年代初，当时煤炭部在许多单项科研课题取得初步成果的基础上，又组织了30个井筒进行凿井机械化配套，生产配备一大批凿井设备，主要包括凿井提升机、稳车、井架、伞形钻架、抓岩机、吊泵、吊桶，同时也进口部分瑞典提升机，日本伞形钻架、抓岩机，开滦东欢坨煤矿副井还整套引进德国凿井机械化配套设备，经过近20年使用这批设备已基本到服务年限。

近十年煤炭基本建设进入第二个春天，随着新建井筒数量的增加，主要凿井设备又添置开始了一个新的高潮，其中凿井提升机、稳车、伞形钻架、抓岩机等设备增加较多，经过中煤第一、三、五建设公司和部分矿建公司不完全统计，主要凿井设备使用数量和2010年预计增加量见表2。

表2 国内主要凿井设备使用数量统计表

（四）国内深井井筒施工情况

从中国能源结构情况可知今后十年煤炭仍占全国能源总量的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”期间约有近300个井筒施工，其中有约15％的是千米级深井井筒，以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。近5年部分千米级深井井筒凿井施工情况见表3。

表3 我国近5年部分千米级深井井筒凿井施工情况

二、千米深井凿井主要存在问题

（一）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2台排气量40立方米/分钟和备用1台20立方米/分钟的空压机，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。凿岩钻架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。要根除这些问题应着力研究液压凿井钻架。

（二）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立方米为主， 0.6立方米中心回转抓岩机在深井筒中平均抓岩能力为36 立方米/小时。特别是近几年8.0米以上大直径井筒逐渐增多，使用4 立方米后，的吊桶提升，而用0.6立方米抓斗需连续抓岩8～10次才能装满一桶。有些施工单位在井筒内布置2～3套0.6立方米中心回转式抓岩机抓岩，实际使用中两台之间相互干扰，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，要提高抓岩效率、彻底改善井下施工环境，抓岩机必须使用电动—液压驱动形式并加大抓斗容积。

（三）凿井设备钢丝绳悬吊，重量大

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。目前国产稳车最大悬吊能力为40吨，最大悬吊深度为1000米，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的能力、移动安全灵活等都会出现问题。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。

（四）掘进效率低

立井掘进采用普通法凿井掘砌正规循环，段高一般在3-3.5米以内，工序转换多，辅助作业时间较长，井壁接茬多，其掘进工效率近十年来一直在1.0立方米/工左右。在有利于井帮稳定和施工安全的前提下，一次掘砌段高越大，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，段高要由一次爆破深度来确定。通过对4.2米段高掘砌正规循环作业的研究及其配套施工设备的工业性试验，可得到取代临时支护的短段掘砌新工艺，及与之配套的伞形钻架、大抓岩机、整体下移金属模板等成套设备及其技术参数，提高了立井掘进效率，加快了我国立井凿井速度。

（五）伞形钻架用钻杆、钻头

采用5米及以上深度的钻孔，要配置具有良好力学性能的钻杆。在采用电动-液压式伞钻后，对钻杆的抗弯性能有更加较高要求。

提高钻头的钻进效率和提高钻头的寿命也是急需解决的问题。

钻杆、钻头要采用近年来研制的新材料，新的热处理技术使钻进工具有一个新的突破。

三、千米深井凿井新技术研究

我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相比，还有一定差距。 为了提高现有凿井设备的耐久性和利用率，应尽可能利用现代科技改进其性能，使它具有更好的自动化水平，更大的适用范围，及与施工工艺更好地配合。因此，在总结经验的基础上，为了提高凿井技术水平，必须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。

（一）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。采用4～5米深孔钻爆法快速掘进；用0.6～1.0 立方米大斗容抓岩机配4～5立方米吊桶高效出岩；用3.6～4.2米整体移动金属模板并辅以井内其他大型设备对井筒进行快速施工，在涌水量小于10立方米／小时的条件下，使月平均成井速度达80米以上。研究适宜千米深井快速施工工艺及施工组织，开发出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，简化了输入条件，方便了操作人员在短时间内掌握，同时可根据需要随时增加相应的功能模块。

千米深井施工组织设计专家系统主要功能包括：凿井设备选型计算（包括提升钢丝绳、悬吊钢丝绳的选型计算）、凿井设备布置、爆破图表生成、正规循环图表生成、绞车电阻提升机调速电阻配置计算、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4.4～12米，井筒深度范围为1200米以内，是在通过总结国内许多专家的施工和设计经验的基础上优化设计而成的，具有企业施工和经营管理理念，在使用时应结合企业自身管理水平、经济实力等情况进行综合考虑。

（二）液压伞形钻架研制

液压伞钻采用了电动—液压驱动形式和导轨式液压凿岩机，提高了凿岩效率； 采用液压自动平移装置，提高了凿岩机移动定位的速度，保证凿孔的垂直精度；采用液压缸—钢丝绳行程倍增推进系统，使凿孔深度增为5米；合理的钻架结构使推进器摆动角增大至150°（±75°）。液压伞钻与国内钻架性能见表4(见图1)，其主要技术特点：

1. 凿岩耗能低： 气动伞形伞钻通常使用2台40立方米空压机作为动力，电机功率为500千瓦，而液压伞形伞钻用电机总功率不到120千瓦的液泵压站为动力，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0.5～1米/分钟，而液压凿岩机的凿速是1～3米/分钟，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，使用寿命高，钻具成本费可降低70％左右。

4. 经济效益好：一台6臂气动伞钻， 2台排气量40立方米/分钟和备用1台20立方米/分钟的空压机，设备费用基本与SJDY4型液压伞钻价格持平，每月按施工100米井筒计，液压伞钻比气动伞钻可节约设备动力费约6万元。

 图1 5m行程凿岩钻架及液压泵站

表4   SJDY型钻架与国内钻架性能比较

（三）5米深孔爆破技术研究

采用三维大规模仿真工程模型及其测试系统，结合微观、细观和宏观力学分析，建立了立井深孔掏槽爆破、深孔定向断裂爆破的基本理论；研究深孔大当量炸药爆破对立井围岩、支护结构的破坏机理，形成立井爆破破坏评价标准；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，在立井深孔控制爆破应用技术方面取得了新的突破。

通过上述研究构建了千米深井基岩5米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、起爆顺序等方面提出了适合立井基岩5米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等系列技术，形成了适应立井5米深孔爆破安全高效的机械化配套、生产工艺和技术体系。该技术具有爆破效率高，围岩破坏小，在立井凿岩中实现了深孔控制爆破约1200米，其爆破效率平均达到85～90.5%，周边半眼痕率达83%以上，可满足我国千米立井凿井快速优质施工的需要。

（四）1立方米液压抓岩机

1立方米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、抓岩等机构的各项运动要求。

其主要技术特点是：1立方米液压抓斗容积大，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2000千克。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，液压抓岩机动力能耗仅为气动抓岩机的1/3，噪声低，噪声可降低10分贝以上，改善抓岩作业环境；机构中设有安全保护装置，传动平稳，工作安全可靠。经过地面和井下施工试验证明1立方米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80立方米/小时以上。新型液压抓岩机（见图2）与原气动抓岩机性能指数见表5。

表5  HZY液压抓岩机与原气动抓岩机性能比较

图2 大型中心回转式抓岩机整机及抓斗

（五）液压迈步式模板

根据千米深井快速建井施工需要，开发研制了非地面钢丝绳悬吊的立井凿井液压迈步式整体移动模板，实现模板靠井壁支撑悬挂、自行调平找正和液压迈步移动，替代了此前靠地面稳车悬吊模板的方式，节省了3台以上稳车和数千米钢丝绳，减少了凿井井架的负载，从而达到简化深井井筒悬吊布置的目的。

对迈步式液压模板的模板主体和迈步行走机构（见图3）、上支撑环、下支撑环和悬吊装置分别进行了研究。模板主体由数段弧形模板块组成环状，在模板圆周上只设一个可伸缩搭接缝，模板整体性好，刚度大，不易变形；模板的伸缩是靠一组伸缩液压缸将整个模板主体直径收缩变小或恢复变大，从而实现脱模和立模。用液压迈步式模板井壁悬吊闭锁机构在井壁上支撑悬吊模板；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. 根据我国新建千米立井日益增多的情况和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在井筒井壁之上，靠液压系统实现迈步移动和支托模的技术是先进的。

2. 由于MJY型模板已经得到普遍推广应用，使用模板液压迈步支架与该模板配合使用操作更方便，掘砌综合配套情况更好，适合深井施工的要求。

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.  整个迈步支架及液压系统运行平稳、工作安全可靠，模板升降操作简单易行更适应井下工作环境使用。

 图3液压迈步机构外观图

（六）千米深井凿井专用提升机研制

凿井提升机主要用于矿山初期打井行业，是井筒作业的关键设备，在建井产业中占有特殊地位，承担着吊桶的提升、人员的上下、材料和设备的运送任务。随着矿山开采深度技术不断进步，凿井提升机已向大型高效纵深方向发展，因此提升载荷越来越大，井深越来越深，提升速度越来越快，工况更加复杂，对超千米井型提升要求也越来越高。“十一五”期间国内研究试制4米大型凿井提升机（见表6 ），解决井深在1200～1500米凿井提升问题。

表6 凿井提升机技术性能表

凿井提升机应具备如下特点:静张力大、大容绳量、多水平提升、调速范围广、便于解体运输、电控采用集装厢式、配置专用工具、低速重载双驱动。

（七）千米深井4.2m段高一掘一砌装备配套试验

峰峰矿务局羊东项目部施工的羊渠河东风井井筒Φ6.0米，井深945米，于2009年11月份正式开工。用5米 深孔钻爆法快速掘进；用1.0立方米大抓斗抓岩机，配4～5立方米吊桶高效出岩；用4.2米液压迈步大模板，并辅以井内其他大型设备进行快速施工，基岩段掘砌施工作业正规循环图表见表7。该项目采用新技术、新工艺，在施工中高效组织、严格管理，以“预防为主、安全第一”为前提，全体员工发扬了攻坚精神，使风井井筒连续8个月实现月成井超百米的好成绩，最高月进度138米。全井月平均进度110米以上和人员工效达2.22立方米/工以上的效果，实现段高为4.2米的短段掘砌混合作业施工方法（见图4）。

表7

图4 4.2米正规循环掘砌工艺图

十一五期间开展千米深井凿井新技术研究，已开始形成了一系列拥有技术知识产权的新型凿井配套设备，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、深孔液压伞钻快速钻进、液压迈步式模板井壁悬吊的新设备。上述设备共用一套液压动力系统，取代了原压缩空气动力系统，简化了相应设备的自身结构和井筒施工设备布置、省去了部分地面稳车等设备。使用新型设备能大幅度降低了施工噪音和粉尘，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，其总体技术达到国际先进水平,在我国矿山立井建设发展中具有深远意义和重要的推广价值。

四、发展趋势

随着我国矿产资源开发向西部和深部发展，建设特大型矿井和千米以上矿井是我国今后一段时间矿山建设的主要任务。西部的特大型矿井井筒直径大，立井井筒施工工作面有了更大的空间，传统的施工工艺需要进一步发展，因此瞄准和跟踪世界先进技术水平，加大投入，开展专项研究。在解决当前大直径深竖井井筒掘砌关键技术及装备的一些重大、急迫技术“瓶颈”问题方面取得突破，完成大直径深竖井井筒掘砌施工装备技术研究从以下方面进行：

1.新型大井径凿井井架研制，基于井筒直径和深度的增大，井筒施工设备的布置范围增大，凿井井架悬吊的施工荷载也在增大，我国已有的5个系列6个型号的凿井井架已不能满足深大立井施工的需要，深大立井井筒施工所需的大型凿井井架必须具有合理的结构尺寸和更大的承载能力。

2.深井凿井专用提升机继续研制，研究满足1500～2000米深井的5米大型凿井提升机，提升力达到410千牛。

3.大直径双联液压凿岩钻架，双联竖井钻机由两台独立的钻架组成，工作时，通过安装在其中一台钻架上的连接机构与另一台钻架刚性连接并保证工作过程中连接稳固。然后调整每台钻架的调高器和支撑臂。以上工作完成后就可以开始钻孔工作。钻孔工作结束后，断开两钻架之间的连接，顺序吊离井下。

4.新型大容量吊桶研制，目前国外在立井施工中已使用8m³的吊桶，开滦东欢坨矿引进的西德吊桶达6立方米,目前国内立井施工中使用的吊桶有容积2.0、2.5、3.0、4、5立方米五种规格。国内目前使用最大的达到5 立方米。有必要研究6～8立方米的吊桶结构、材料和加工工艺。

5.液压履带式装岩、清底机、为提高抓岩清底和抓岩效率，抓斗斗容为0.25立方米，实际清底抓岩能力为20立方米/小时。

6.多功能迈步式凿井吊盘研制，深立井施工凿井吊盘采用井壁吊挂技术，其吊盘的井壁安全吊挂和迈步移动升降是实现井筒施工工艺的前提，研制开发全液压控制的迈步吊盘设备并实现工程应用，可使深立井施工技术得以提升和发展。

完成上述研究可实现大直径深竖井井筒（10-12米）掘砌循环作业，形成一套新的大直径深竖井井筒掘砌混合作业法及配套装备，填补我国在大直径深竖井井筒施工中大型设备的空白，提高我国大型矿井建设速度和技术水平。