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立井快速施工技术的发展与应用
龙志阳　陆　伦
　　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设备的研究内容和成果，通过对立井快速施工技术的完善、提高和推广，立井施工取得了快速、优质、经济的效果。
　　关键词　立井　凿井技术　快速施工　混合作业法　施工设备
　　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3.5%～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，开凿条件也日趋复杂，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施工。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3～4.5 m，平均成井速度50～60 m。

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，须为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1.0～1.5 m，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4 m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10 m3/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40～50 m/月，掘进工效达1.0　m3/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6.8 m，井口标高＋38.7 m，井深705.5 m。主要配套装备有：V型井架、瑞典HTVD-3.5提升机、国产Jk-2.5/20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、2～3　m3吊桶提升、排矸汽车、YJM－3.5/6.8型整体下移金属模板砌壁。采用3.5 m段高一掘一砌正规循环的作业方式，打4 m深炮眼。历经91天，完成39个循环，平均每个循环用时59 h（其中钻爆、出矸、砌壁和影响分别用时641、1 530、535和835 min），爆破进尺3.43 m，3个月共成井121.1 m，平均月进尺40.37 m，工效1.8 m3/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。取得以下成果：
　　(1)形成混合作业法成套技术。试验证实了4～5 m无临时支护空帮凿岩、4 m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3.5 m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（55 m）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:断面设计增加了模板刚度；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内吊挂、钻架、抓岩机和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4 m深炮孔，还可兼打12 m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5.0～8.5 m 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0.2、0.4、0.6 m3，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。　　
3.1.3　MJY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性能改进，并逐步进行系列化设计，在全国大力推广使用。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，一般需加工三套模板，或更多。因此，研制成既能下行砌壁，又能上行套内壁的模板，并在外壁中可多次变径使用，使模板实现了多用途。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100 m的有近40个井筒。　　
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，采用独特的伞型结构、液压缸调节支撑臂、双分料管360°转动，完全实现了对称浇注，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　凿井设备井内吊挂技术
　　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16.2 m/月提高到1986年26.1 m/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次月成井破百米，其中1997年有28次。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71.6 m/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106.4 m和107.6 m。当年共施工井筒569 m，两个水平的马头门和井底车场80 m，立井平均月成井速度为81.3 m。中煤五公司在枣庄矿务局傅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，1993年10月创出月成井120.1 m，全井筒平均月成井达78 m。
　　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的作业线，基岩段施工连续6个月超百米，最高月进尺为141 m，平均月进尺达121.2 m，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108.9 m。在曲江副井井筒施工中，取得了月进尺119.5 m、148.68 m和125.6 m的好成绩。　　
4.3　1997～1998年凿井施工新突破
　　经过近十年的推广应用和完善提高，这项技术日趋成熟。各施工单位也不断地总结经验，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212.6 m和216.5 m。　　
4.4　技术经济效益
　　中煤建设集团所属中煤一公司、三公司、五公司，二十多年来一直注重于立井的综合机械化发展，采用世界上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8 550万元，节约贷款利息2.34万元。　　
5　结　　语
　　随着开采深度的增加，新井开凿和老矿改扩建，立井施工正向深井过渡。“九五”期间全国预计将有大批井筒施工，其中有近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。因此，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的需要，就具有特别重要的现实意义。　　
作者简介　龙志阳　1961年生，高级工程师，1982年毕业于山东矿业学院矿井建设专业，1997年获工程硕士，现从事井巷施工工艺和设备的科研工作，发表论文20余篇。地址：北京市和平里青年沟东路5号，邮码：100013。
作者单位：龙志阳（煤炭科学研究总院北京建井研究所）
陆　伦（中煤建设集团公司）
参　考　文　献
1　李俊良，姜　利. 立井混合作业法机械化配套施工.建井技术,1989(2)
2　龙志阳.我国立井整体移动金属模板现状与发展.煤矿建设40年.北京：煤炭工业出版社，1997
3　毛光宁. 煤矿立井凿井技术装备的现状与展望. 矿井建设技术论文集.徐州: 中国矿业大学出版社, 1996
(收稿日期：1999-03-02；责任编辑：王承源)
煤炭科学技术
COAL SCIENCE AND TECHNOLOGY
1999年 第27卷 第3期 vol.27 No.3 1999