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肖瑞玲1 龙志阳1.2
（1煤炭科学研究总院建井研究分院, 北京 100013；2煤矿深井建设技术国家工程实验室 北京 100013 ）
基金项目：“十一五”国家科技支撑资助项目(2008BAB33B04)；国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目(2012AA06A402-04)
摘 要：回顾了我国解放后到70年代初小设备施工，煤炭、冶金、一机三部立井施工机械化配套科研攻关会战，立井短砌混合作业施工配套设备攻关，千米深井凿井技术开发研究等4个凿井技术发展阶段。全面介绍了立井施工机械化及其配套施工设备，概述了提升系统、稳车悬吊、打眼爆破、装岩设备和砌壁模板情况。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4~5m深孔钻爆、0.6m3抓斗抓岩、4~5 m3吊桶出岩、4.2m整体移动金属模板砌筑井壁，月平均成井速度达80m以上。提出了竖井掘进机技术及装备研究，大直径深立井井筒凿井设备研制，千米深井掘、砌、安施工关键技术及装备等研究方向，对今后深井凿井技术发展趋势进行展望。
关键词：立井凿井技术；施工设备；竖井掘进机
中图分类号：TD713 文献标识码：A
Abstract: In the paper, the author reviewed the four development phases of the shaft sinking technology: the first phase, shaft sinking by small equipment from the foundation of People's Republic of China to the early 1970s; the second phase, the experts from Ministry of Coal Industry, Ministry of Metallurgical Industry and the First Ministry of Machine-Building Industry having a great scientific research battle for jointly tackle a crucial problem of vertical shaft construction with mechanized completed equipment; the third phase, tackle matching equipment problem of build operation of the short zone in vertical shaft construction; the fourth phase, development and research of shaft sinking technology in kilometer deep mines. Additionally, the author comprehensively introduced vertical shaft construction mechanization and its matching equipment, summarized the status quos of hoist system, winch suspension, drilling and blasting technique, rock loader equipment and the formwork for building mine shaft wall. Mixed working method of short sectional excavation and lining with “One excavation, one lining” regular cycle was pursued all over the country, the key technologies include long hole blasting, 0.6m3 grab loader grabbing rock, 4~5m3 bucket embarking rock and 4.2m overall movement metal mould lining shaft wall, the average shaft completion exceeded 80m/month. Many research directions of vertical shaft sinking technology were put forward, such as the technology and equipment of full face shaft boring machine, the sinking equipment of large-diameter deep-vertical shaft and key technology and equipment of driving, supporting and setting in building the kilometer deep mine shafts, looked into the future of the development trend for deep shaft sinking technology.
Keywords: sinking technology of vertical shaft; construction equipment; full face shaft boring machine
0引 言
立(竖)井是矿山开采的一种主要开拓方式，近年来在新建矿井中约占开工矿井总数的45％。随着新区建设和矿山开采向深部发展，立井开拓方式的比重还会增大。立井井筒工程施工技术复杂，作业场所狭窄，工作环境恶劣，而且经常会受到地质情况变化，如井下涌水、煤层瓦斯突出、地热等自然条件的影响，威胁安全施工。因而，其工程量虽仅占全矿井井巷工程量的6％左右，但其建设工期往往占全矿井建设总工期的40％以上。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。1983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，使我国凿井技术又上了一个台阶。1992年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[1] 。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。国家“十一五”科技支撑计划重点课题“千米级深井基岩快速掘砌关键技术及装备研究”对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进行研究[2]，包括“全液压凿岩钻架技术”、“液压迈步式模板技术”，“1m3液压抓岩机技术”、“5m深孔控制爆破技术”等关键技术，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。4~5m深孔钻爆；0.6~1m3大抓斗抓岩机4~5 m3吊桶出岩；4.2m整体移动金属模板，月平均成井速度达80m以上。随着现代化矿山生产技术的进步，高产高效矿井的建设，必须进行凿井技术研究和开发，以便加快立(竖)井井筒工程的建设速度。
1凿井技术发展过程
1.1 1973年以前立井筒施工技术初步发展
我国从1949年到1973年，以人工手持式气动凿岩机、0.11 m3的小抓斗、容积1.0~1.5m3吊桶、提升机滚筒直径小于2.5m、木制井架和轻型金属井架、悬吊能力16t以下的凿井绞车、扬程250m吊泵等小型设备。工效低、速度慢。我国最早采用的施工方式是单行作业，随着新建矿井井型的加大和井筒的加深，开始采用掘砌平行作业，如1953年，阜新平安主井采用此工艺，取得了月成井80.56m的成绩。1958年，徐州权台主井采用掘砌单行作业，取得了月成井160.92m的成绩。同年，鹤壁梁峪副井施工时，还曾采用过掘、砌、安一次成井，达到月成井91.43m的成绩。1966年4月，水城老鹰山副井，采用掘砌平行作业、柔性掩护筒，取得了月成井105.4m的成绩。1970年1~9月，沈阳红阳二号主井采用掘砌平行作业，连续三个月达到月成井100m以上。70年代以后，有些立井采用了锚喷作永久支护。1973年7月，湖南涟邵桥头河二号主井采用短段掘喷棍合作业，创月成井174.82m的新纪录。
1.2 1974~1982年三部立井机械化配套科攻关会战
1974年经煤炭部、冶金部、一机部三部立井施工机械化配套科研攻关会战，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。煤炭工业系统先后在30多个立井组织凿井机械化配套设备施工试点，有20多次突破了月进度100m的水平，改变了立井掘进的技术面貌，加快了施工进度，据1982年上半年调查，用机械化配套设备施工的11个井筒，比非配套设备施工的13个井筒的平均月进度加快了43.4%。三部会战组织有关科研、设计、高校、施工企业、机械制造厂等140多个,历时12a，耗资近4000万元，取得了近百项科研成果。为我国凿井技术的现代化奠定了初步基础。
1.3 1983~1990年立井短砌混合作业施工设备攻关
"六五"期间完成了国家科技攻关项目"立井短段掘砌混合作业法及其配套施工设备的研究"[3]。该项目通过合理选择掘砌段高、深孔爆破工艺参数及选择凿井井架、提升、凿岩、抓岩、砌壁等工艺设备的配套设计，于1988年在河南平顶山矿务局六矿进风井成功地验证了一掘一砌的短段掘砌混合作业法是立井施工作业方式的优选方案。煤炭科学研究总院北京建井研究所与平顶山建井三处合作在进风立井进行"立井深孔爆破、短段掘砌混合作业法及其机械化施工综合配套设备"的研究和试验获得成功，历时91d，成井121.1m，后在全国推广应用。"七五"期间，完成了"设备井内吊挂技术的研究"。该项目的研究成功，使井下送风管、进排水管、通讯、照明、放炮电缆等吊挂于井壁，不仅减轻了井架负荷、大量减少地面稳车及钢丝绳数量，而且为凿井掘进、支护、运输等主要工序提供了可高效作业的空间。
1.4 1991~2005年立井机械化施工配套推广完善
1992年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[4] 。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，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。以立井井筒机械化快速施工综合配套为技术核心，系统优化了以大提升机、大模板、大抓岩机、大吊桶及伞钻深孔光面爆破为核心的立井施工技术，总结出了国家级一级工法《立井冻结表土机械化快速施工工法》、《立井机械化快速施工工法》。煤炭科学研究总院北京建井研究所相继研制成DTQ型系列通用抓斗、YJM型系列多用模板、HZ-6C型中心回转抓岩机、QH型混凝土分料器、ZNQ型气动高频振捣器、LBM型模板固定式凿岩钻架[5]、BQ型气动潜水泵、QF型除水分风器以及即将研究成的"多功能遥控抓岩机"和"井下对中找正仪"共10种新设备，为形成我国立井凿井短段掘砌混合作业法的机械化配套设备奠定了可靠的物质基础。
1.5 2006~2015千米深井凿井技术开发研究[3]
进入21世纪我国煤炭建设立井需要既有技术装备施工掘进直径9.0~15.0 m，掘进深度800~1200 m的立井井筒时，施工速度骤降，施工工期陡增，使得超大直径深立井的施工技术经济指标不在可接受范围之内。针对上述系列难题，国家“十一五”科技支撑计划课题千米级深井基岩快速掘砌关键技术及装备研究，中煤能源集团重大计划立项“超大直径深立井建井关键技术与成套装备”课题予以研究。掘进直径9.0~15.0 m，掘进深度800~1200 m 整体掘进速度100 m/月的立井井筒施工技术与装备集成为目标，以深立井地压、冻结壁计算理论为基础，以井筒安全与效益协调理论为指导，以大型施工装备研发为重点，以关键施工技术创新为保障，以适合超大直径深立井井筒施工的装备、技术与组织管理集成体系的创立为核心，采用理论分析、数值模拟、模型试验、现场实测、工程实践等多种方法和手段进行综合研究。
正在进行的国家“十二五”863计划课题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。迈步式凿井吊盘研制[6]，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。
研制了一套新型提升系统，主要包括：新型的6/7/8m3座钩式吊桶、G13~25t密封旋转钩头装置、新型JKZ-5×3.1和2JKZ-5×2.65超深立井凿井提升机和ф3.5/4.0m提升天轮。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0.25m3，实际清底抓岩能力为20m3/h。
2立井施工工艺和设备现状
2.1立井施工工艺
目前，国内以3~3.5m段高为主掘砌正规循环作业。近来进一步提高我国深井基岩快速掘砌水平，4~5m段高掘砌正规循环作业及其配套施工设备，采用取消临时支护的短段掘砌及与之相配套的伞形钻架、大型抓岩机、整体移动金属模板等成套工艺及技术参数，提高立井掘进效率，加快我国立井凿井速度。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4~5 m3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10m3／h的条件下，使月平均成井速度达80m以上。
2.2 井筒地层综合治水
综合治理井下涌水，在不稳定的含水层采用冻结凿井法，在煤矿建设实践中显示了明显的优势，又可用于基岩含水层立井施工。基岩含水层可采用地面预注浆、工作面预注浆和壁后注浆技术[7]。近年开发的综合注浆法、注浆专用钻机、注浆泵、群孔钻进技术[8]、少孔高压注浆，以及工作面快速预注浆，都取得了突出效果。
2.3 施工组织管理
施工组织管理的改进。为了促进机械化配套，发挥机械化优势，许多施工单位改进了施工管理，取得了较好效果。施工组织管理的核心是坚持正规循环作业，因此，制定和实施循环作业时，要考虑机械配备，人力因素，地质条件，安全和质量，用正规循环作业保进度，保质量，保安全。在劳动组织上，地面三班作业，井下4班作业，组织专业打眼、排矸、砌壁专业组，执行工种岗位责任制；在机械使用维护上将主要凿井设备如伞钻，抓岩机、吊泵等实行包机制和定期检修制；工程质量全面质量管理制，安全生产落实到班组；劳动报酬的合理化等，都是行之有效的制度，也都发挥了重要的作用。
2.4 提升系统[9]
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，JKZ2.8/15.5，2JKZ3.0/15.5，2JKZ3.2／13.32，新型JKZ-5×3.1和2JKZ-5×2.65超深立井凿井提升机等六种凿井提升机可选用，通常情况下当吊桶为2m3、井筒深度400~600M时，单钩可选用JK-2.5/20、2JK-3/20型提升机;双钩可选2JK-2.5/20、2JK-3/20型提升机;当吊桶为3m3、井筒深度600~800m时，单钩可选JKZ-2.8/15. 5、2JK-3.5/20、2JK-3. 5/15. 5 型提升机;双钩可选2JK-3/20、2JK-3/15.5、2JKZ-3/15.5型提升机;当吊桶为4m3、井筒深度800~1000m时，JK型新系列提升机已不能适应，只能选用JKZ型矿井凿井提升机，单钩可选JKZ-2.8/15. 5型提升机，双钩可选2JKZ-3/15. 5、2JKZ-3. 6/13. 4型提升机。与提升系统配套的还有新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。此外还有7、9、11t钩头,G13/15/18/21/25t新型提升钩头装置和2、3、4、5、6、7、8m3座钩式吊桶可选用。新型ф3.5/4.0m提升天轮。
2.5 稳车悬吊[10]
凿井绞车用于悬吊吊盘、吊泵、安全梯及管路缆线等凿井设备和拉紧稳绳。凿井绞车分单卷筒和双卷筒两种，前者用于单绳悬吊，后者用于双绳忌吊。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。采用双绳悬吊的设备也可用两台单卷筒凿井绞车来悬吊。凿井绞车有55型和Jz型两种，后者又有改进型JZ2：型和摩擦传动型JZM型等系列。凿井绞车所允许的钢丝绳最大静张力为49-392kN，卷筒的容绳量为400-1000m。凿井绞车的能力是根据允许的钢丝绳最大静张力来标定的，因此在选凿井绞车时，除了考虑设备的悬吊方式外，应使悬吊的终端荷载与钢丝绳白置之和不超过凿井绞车的最大静张力值。选用绞车的容绳量应大于悬同深度。
2.6 打眼爆破
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。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。SJDY4-8新型液压凿岩伞钻，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；使凿孔深度增为5m。
2.7 装岩设备
大型抓岩机装岩。0.4、0.6m3的大型抓岩机虽有4种结构7种规格的产品，1m3液压中心回转式抓岩机是国家“十一五”科技支撑项目中的专题项目。本专题研制的立井凿井液压中心回转式抓岩机，为提高抓岩效率和改善井下工人劳动条件，将抓斗容积增为1m3，抓岩能力增为60 m3/h，机组动力由气压驱动改为液压驱动形式。大型1m3液压中心回转式抓岩机经过地面和井下施工试验证明实际抓岩生产能力可达80m3/h以上。
2.8 砌壁模板[11]
MJY系列多用金属模板。模板在圆周上只设一个伸缩搭接缝，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。而且还可根据施工要求，组成直径4.5~12.5m，高度2.5~6.0m，刃脚高0.2~0.3m等50多种不同规格的模板，一模三用[12]。2.4、3.0、3.6、4.0m3底卸吊桶下料，井下混凝土分料器，振捣器等配套，更利于提高砌壁质量和效率。
国家“十一五”科技支撑计划课题把原来气动抓岩、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。本课题成果总体达到了国际先进水平，包括“全液压凿岩钻架技术”、“液压迈步式模板技术”，其中“1m3液压抓岩机技术”、“5m深孔控制爆破技术”等关键技术成果达到了国际领先水平。
3立凿井施工技术发展趋势
立井井筒工程施工技术复杂，作业场所狭窄，工作环境恶劣，而且经常会受到地质情况变化，按我需要每年至少要新建和改扩建100个矿井，将有大量立井井筒需要施工约200~300个井筒。其需求量是巨大的；目前井深超过700m的井筒已占1/2以上。其中有近20以上个千米深井井筒，利用短段掘砌混合作业法为基础的深井机械化凿井，已成为深井凿井施工发展的基本趋势[13]。
3.1竖井掘进机技术及装备研究[14]
竖井掘进机破岩钻井，是凿井技术的发展方向。采用全断面或部分断面掘进机，利用导孔出渣的下排渣和利用液力的上排渣，可以大大减少井下作业人员，加快凿井速度，缩短工期，降低成本。利用反井钻机钻进导井作为溜矸孔，机械化快速刷大井筒，并进行相应支护，一次成井的工艺和技术。第二类是直接机械化破岩掘进、岩石的排除、支护的一次成井工艺和技术。立井掘进机系统可以实现掘进破岩、排矸、安装井壁同时作业，互不干扰，具有很大的潜力和吸引力，因此机械化凿井的比重必将有较大的增长 。
3.2.大直径深立井井筒（10~12m）凿井设备研制
研究满足1500~2000m深井的5m大型凿井提升机，提升力达到410kN。大直径双联液压凿岩钻架，用于井筒工作面的电液挖掘机；开发了挖掘机与双中心回转抓岩机“三机”配合装岩清底技术；在全行业，首次实现了装岩、清底工艺的完全机械化；作业人员减少50%以上；效率提高30%以上。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。完成上述研究可实现掘砌循环作业，形成一套新的大直径深立井井筒掘砌混合作业法及配套装备，填补我国在大直径深立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。
3.3千米深井掘、砌、安施工关键技术及装备研究[15]
千米大型矿井所占比重越来越大，对施工工艺及施工机械化水平的要求也越来越高。目前国内千米深井悬吊大、提升能力小、气动凿岩机等设备耗能大等使现有施工技术遇到瓶颈。以千米深井为研究对象，开展掘、砌、安施工关键技术及装备的研究，构建适合千米深井掘、砌、安一次成井施工工艺、管路井壁吊挂及新型模板技术、研制5m大提升机及配套挖掘清底机等设备是未来深井施工技术研究的重点。
3.4低能耗深井凿井新装备[16]
“三液联动”新工艺的特点[17]：在吊盘安装一液压泵站，液压伞钻、液压中心回转式抓岩机通过液压泵站提供动力驱动[18]，液压伞钻打眼，液压中心回转式抓岩机出矸[17]，液压迈步式吊盘由泵站提供动力，推动迈步油缸使迈步环和悬吊环交替运动，起到吊盘的目的，靠井壁支撑悬挂、自行调平找正和液压迈步移动。液压泵站的安装，减少了压风机房、压风管路、模板稳车的安设，满足千米深立井快速施工减少设备布置的要求[18] 。
4结束语
从解放后井筒建设以人工和小型装备为主，到70年中期煤炭、冶金、一机三部立井施工机械化配套科研攻关会战，立井短砌混合作业施工配套设备攻关，千米深井凿井技术开发研究等，我国井筒施工技术经历了4个发展阶段。到目前，立井施工机械化、大型化，从提升系统、稳车悬吊、打眼爆破、装岩设备和砌壁模板实现综合配套，液压凿井装备推广应用，伞钻、抓岩机、模板实现一套液压系统综合控制。开始研制竖井掘进机技术及装备，不同类型竖井掘进机械破岩钻井是凿井技术发展方向。
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