我国煤矿凿井技术的现状与展望

发布时间:2024-03-26

我国煤矿凿井技术的现状与展望

龙志阳  李俊良 

提 要：我国的煤矿立井施工技术，经过几十年的发展，取得了长足的进步。特别是从1974年开始的煤炭、冶金、一机三部立井施工机械化配套科研会战，设备更新换代，工艺不断改进，奠定了现代化凿井技术的基础。1986年以后，在这一基础上，又进行了短掘短砌混合作业凿井的综合试验，进一步充实和提高了煤矿凿井技术，多次实现了月成井百米的奋斗目标，新纪录不断涌现，有效地加快了煤矿矿井建设速度，提高了技术经济效益。该文概述了三部立井施工机械化配套科研会战和综合试验的有关情况及其取得的成果，总结了我国煤矿凿井技术的主要特点，并展望了凿井技术的发展方向。

关键词：凿井技术  现状  展望1． 前言

立井是煤矿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％。随着新区建设和煤炭开采向深部发展，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5％左右，但其建设工期往往占全矿井建设总工期的40％以上。随着现代化煤炭生产技术的进步，高产高效矿井的建设，运输大巷多布置在煤层中而减少岩石巷道的掘进工程，这一矛盾更加突出。因此，为了加快建设速度，缩短建井工期，及早发挥投资效益，首先必须提高凿井技术水平，加快立井井筒工程的建设速度，就具有特别重要的现实意义。

我国的煤矿立井井筒施工，在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。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，使我国煤矿凿井技术又上了一个台阶。1998～2002年仅中煤建设集团公司系统就有60多次月成井超过100 m，最高达到220.6m。目前全国立井井筒施工速度已达到平均月进60m以上,主要专业施工队伍的立井井筒施工速度已达到平均月进80m的世界先进水平。

2． 立井施三部工机械化配套科研攻关会战及成果

2.1 三部立井机械化配套科攻关会战

70年代初，能源成为制约我国经济发展的一个主要因素，煤炭在我国能源构成中占70%以上。为了加快新井建设的步伐，在煤炭部“四老（基地）、四新（基地）、四大露天”的建设方针指导下，大规模建设新井，1973年同时施工的立井井筒有一百多个，进度不高，淹井事故时有发生。冶金部也在邯郸、莱芜、铜陵等矿区大量建设新井。国外，在60年代末凿井技术有重大发展，新型凿井提升机、抓岩机、伞形钻架问世，并出现了月成井401m的新纪录。国内已着手研制抓岩机、伞形钻架等新设备。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多个单位开始了。

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。

首先按照各个单项课题组织了由科研（设计）、制造、施工单位三结合小组（煤科总院北京建井研究所参加了部分项目），进行调研工作，发挥各自的优势进行单项攻关，由于措施得当，层层把关，从而保证了质量和进度。如伞形钻架、滚筒直径2.8m（单筒）和3.0m（双筒）凿井提升机的设计、试制和试验，都是一次成功，进展顺利。

在单项课题研究成功的基础上，首先实现小系统配套的研究。根据课题研究进度和施工现场条件，将已获得成果和经验的有关单项设备或工艺，与相关设备和工艺配套，进一步验证和试验，为全井筒机械化配套创造条件。

80年代初，在许多单项科研课题取得初步成果的基础上，又组织了30个井筒因地制宜地进行凿井机械化配套，一面进行配套试验，一面检验科研成果的实用性。配套设备虽然并非全部是科研会战成果，而且也并没有完全真正配套，但由于采用了凿井新设备和新工艺，配套井筒的进度明显高于非配套井筒，进一步说明了立井施工机械化配套的优势。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，为我国凿井技术的现代化奠定了初步基础。

2.1 主要科研成果

三部立井施工机械化配套科研会战历时12年，包括后期的科研成果，共取得科研成果近百项，主要有：

2.1.1提升系统

改Ⅳ型、新Ⅳ型、Ⅴ型凿井井架；3、4、5m³吊桶，7、9、11t钩头；直径2.8m（单筒），直径3.0m（双筒）凿井提升机（轴剖式、径剖式结构）。

2.1.2悬吊系统

5t安全梯稳车，单筒和双筒10t，16t，25t稳车，单筒40t稳车；电缆用稳车，井盖门小绞车；液压迈步吊盘，多层吊盘；管路井壁悬吊技术。

2.1.3钻眼爆破系统

环形钻架及改进型气腿凿岩机FJD6、FJD6.7、FJD9和6机及9机伞钻，YGZ70型独立回转凿岩机。

3m、4m中深孔光面爆破工艺，高威力炸药，高精度长脚线毫秒雷管，浆状炸药，电磁雷管，大功率发爆器，55硅锰钼合金成品钎杆，Ф55钎头。

2.1.4装岩排矸系统

0.6m³单双抓斗环形轨道抓岩机，0.4m³、0.6m³液压靠壁、中心回转抓岩机，0.6m³长绳悬吊抓岩机，0.2m³抓岩机；冻土挖掘机，气动清底机，振动抓斗，地面矸石仓或溜槽；汽车排矸；座钩式、链球式自动翻矸装置。

2.1.5砌壁系统

锚喷临时支护取代井圈背板，锚喷永久支护，液压滑动模板，整体模板，门扉式活动模板，液压滑模控制系统，管子下料，底卸式下料吊桶，混凝土上料搅拌系统。

2.1.6注浆、排水系统

千米注浆冻结两用钻机，液力调速注浆泵，止浆塞，超声波探测仪，200m工作面预注浆钻机，压力、流量可调注浆泵，隔膜注浆泵，壁后注浆技术。

400m、500m、750m扬程吊泵，800m井底临时卧泵，电动、气动潜水泵，井筒综合治水技术。

2.1.7通风、通讯系统

高效低噪音无极调速凿井专用扇风机（4-58）、玻璃钢风筒，KJX-SX-1型井筒通讯与信号装置，抗噪音电话，工业电视。

2.1.8测量、照明系统

4种型号的凿井激光指向仪，千米凿井激光指向仪，凿井防爆照明灯（DGC175/127型）。

3．“六五”、“七五”的立井机械化施工配套设备攻关

3.1立井短段掘砌混合作业及其配套施工设备攻关

80年代初，我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，由煤科总院北京建井研究所和平顶山矿务局建井三处合作研究在该局六矿北山风井进行试验。试验中，由于注浆防水效果不理想，试验期间月成井仅达40多米，但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，煤科总院北京建井研究所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。

3.2“六五”、“七五” 攻关的主要成果

“六五”、“七五”的十年中，是继三部立井施工机械化配套的又一次大规模研究凿井技术的十年，使我国煤矿凿井技术又上了一个台阶，其主要研究成果有：

3.2.1提升系统

直径3.2m（双筒）凿井提升机，凿井罐笼，乘人吊罐、多功能滑架，底卸式吊桶（1，1.6，2.4m³）。

3.2.2悬吊系统

混合作业模板液压悬吊装置，10t移动式稳车及活动基础，吊盘稳固装置，凿井设备井壁吊挂技术。

3.2.3钻眼爆破系统

1～15段塑料导爆管毫秒雷管，FJD6A和FJD9A 9机伞钻，除水分风气，模板固定式凿岩钻架。

3.2.4装岩排矸

0.6m³大型耐用通用抓斗，增力矩大抓斗，1m³大型抓岩机。

3.2.5砌壁系统

液压操作整体移动金属模板及改进，井筒锚喷支护，MJY系列多用金属模板，移动式混凝土连续搅拌站（HJL-30），ZNQ-50插入式高频混凝土振捣器，气流式混凝土振捣器性能优化。

3.2.6注浆排水系统

地面预注浆HC，SC，AC型单液水泥浆，注浆孔定向钻进，小孔多孔工作面快速预注浆，井筒施工截、导、排处理技术，高效耐用气动潜水泵（BQ20/35），深井注浆关键技术。

3.2.7通风、通讯系统

JZTJ9-25电磁调速双机拖动凿井扇风机，新光源凿井防爆照明灯（DKS175/250型和DS-NG150型），凿井通讯及信号装置。

3.2.8测量系统

千米立井激光指向仪。

3.2.9管理系统，立井施工组织与管理。4．技术经济效果

经过三部立井施工机械化配套科研攻关和短段掘砌混合作业及其配套设备攻关两次大规模的凿井技术的研究，涌现出一大批新凿井机械、相关工艺，凿井技术有了重大改进，在推广应用中取得了突出的技术经济效果。

4.1 立井井筒成井速度大幅度提高

新建立井平均月成井速度，1984年达到29.26m，比1974年16.4m增长了78.41％。 1998年达到55.0m，比1994年提高了39.45％，比1974年提高了235％。目前全国立井井筒施工速度已达到平均月进60m以上,主要专业施工队伍的立井井筒施工速度已达到平均月进80~100m的世界先进水平。

目前我国主要专业施工队伍的立井井筒施工速度已达到平均月进80~100的世界先进水平。

为历史最高水平，。

4.2 涌现出大量快速施工新纪录

据不完全统计，1974～1985年间立井成井月进度有25次突破100m，最高月成井达183.3m，1986～1996年又有23次突破100m，最高月成井达201m，1997年一年内就有28次突破100m的月成井纪录，1998年有24次突破100m的月成井纪录，1998~2002年年仅中煤建设集团公司系统就有60多次月成井超过100m，最高达到220.6m。值得指出的是月成井超100m水平的矿区分布面很广，几乎遍布新老矿区。如鹤岗煤建处在兴安矿主井施工中5个月连续破百米，最高120m，全井平均成井速度100.56m；鸡西建井处在滴道矿东风井施工中，5个月成井622m，平均月成井120.4m；中煤五公司三处在宣东二矿副井施工中连续6个月超百米，平均月成井121.2m，全井筒平均月成井108.3m。中煤五公司承建的摩洛哥王国杰拉达3号井、孟加拉国巴拉普库利亚副井施工中有3次突破月成井100m的水平，最高115.1m，获得国外同行的好评。中煤第一建设公司四十九处，在邢东煤矿副井842m的井筒施工中平均月成井135.16m全国最好记录。充分显示了我国煤矿凿井技术的水平。

4.3 建井工期缩短，经济效益突出

由于凿井技术的提高和井筒施工速度的加快，有效地缩短了井筒建设工期，为全矿井的提前投产创造了条件，同时节约了大量资金。这一点在当前市场经济条件下尤为突出。据中煤一公司49工程处近3年施工的5个井筒的不完全统计，由于施工进度加快，工程分别提前1～6个月，与预算价格相比节约金额1649万元，与合同价格相比节约金额907万元，这仅是井筒工程施工中直接节约的金额，如包括全矿井工期缩短，贷款利息节约，提前投产出煤产值，其经济效益极为可观。再如宣东二矿，设计能力90万吨／年，由于主井4个月平均成井速度120m/月，副井6个月成井713.6m，平均月成井118.9m，仅井筒工期就缩短了近6个月，按原设计要求，全矿井建设工期提前6个月，所节约的投资和贷款利益，及提前出煤的产值，估计将达9046万元。

此外，由于机械化配套和工艺改进，工程质量明显提高，安全状况彻底改变，很多月成井百米的立井都未曾发生人身事故。在这方面的成绩是非常突出的。

4.4 促进了施工组织与管理

凿井技术的提高，机械化配套和新工艺的改进，要求现代化科学施工管理能与之相适应。近年来，很多单位进行了加强施工科学管理的尝试，以经济效益为中心，充分发挥施工机械化配套的能力，调动一切积极因素，提高职工素质，充分体现职工的创造力、积极性，取得了显著效果。例如合理的劳动组织，滚班制和包机制，科学的循环作业，全面质量管理和监督，ISO9002质量体系的认证，定期机械检修维护等等，保证了能够在实现机械化配套后，正常情况下100～120人即可进行快速施工，从而提高效率和经济效益。

5．我国煤矿凿井技术的特点

经过多年实践，尤其是经过一百多井次月成井超百米的检验，体现了我国煤矿凿井技术的众多独特特点，其主要内容如下：

5.1 提升系统

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，其结构有轴向剖分和径向剖分式，便于运输、安装、拆除，双筒凿井提升机还有调绳装置。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钩头和2、3、4、5m³吊桶可选用。

5.2 稳车悬吊

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。还有带活动基础的10t稳车，考虑了凿井拆除、安装的需要。使用这些稳车悬吊吊盘、模板、吊泵、抓岩机、安全梯及各种管线，再配以稳车集中控制装置，保证同步运行，安全作业。为了简化地面布置，节省稳车，还可利用各种井壁吊挂技术，满足深井施工需要。

5.3 打眼爆破工艺

伞形钻架打眼与中深孔光面爆破工艺。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；配YGZ-55型凿岩机可以打40m深的工作面预注浆钻孔。LBM型模板钻架也可打4m深炮眼和12m深探水孔，供小直径立井施工用。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。

5.4 装岩

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，但目前广泛应用的只有中心回转式和长绳悬吊式两种，1m³抓岩机还没得到推广。一个井配1台可满足装岩能力50m³/h的需要。有的单位曾用过两台，装岩能力提高30％左右，也有另用1台0.2m³或0.11m³小抓岩机清底，需因地制宜。近年开发的耐用大型通用DTQ系列抓斗，增力矩抓斗性能有很大提高，冲击式抓斗用于抓冻结段矸石也有成效。

5.5 砌壁模板

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。所用液压脱模技术，浇筑口改进，解决了浇注困难、质量不稳定和接茬差的问题，经在300多个井筒使用，获得好评。与能力为40m³/h的混凝土集中搅拌和自动上料计量装置，管子下料，1.0、1.6、2.4m³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。

5.6 井筒综合治水

综合治理井下涌水，千方百计实现打干井，是机械化配套能否充分发挥作用，能否实现立井快速施工的关键。为此，根据每个项目的具体地质水文条件，可采用地面预注浆、工作面预注浆和壁后注浆技术。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、少孔高压注浆，以及工作面快速预注浆，都取得了突出效果。另外对涌水不大，或注浆后仍残留涌水较多时，可采用集流、导排措施将涌水导至井底，用各种吊泵，电动及气动潜水泵、隔膜泵排水，为施工创造良好的工作条件。防水、排水问题处理的好是快速施工的必要条件，所有月成井超百米的立井，无一例外。

5.7 辅助配套设施

凿井辅助设施配套，减少辅助作业时间，保证安全施工。KJTX-SX-1型煤矿井筒通讯与信号装置，包括信号控制台，提升机信号机，通讯机信号机和抗噪音电子电话，取代了传统的手工拉绳联系方式，提高了通讯联络质量，又保证了安全。4～58型高效低噪音风量可调凿井扇风机，通过玻璃钢风筒，可以保证井下有足够的新鲜空气，缩短排炮烟时间，改善作业环境。千米深井激光指向仪取代了放大线，铅锤找中的繁杂工艺，大大缩短了测量放线时间，而且不用人工操作。DKS250/127型、DS-NG150型立井照明灯光效高，照度大，彻底改变了井下暗淡的作业环境，有利于安全施工。

5.8 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。

6．展望

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。展望我国煤矿立井施工技术的发展，我们认为以下方面加强工作..

6.1立井机械化配套设备

为了大力加快提高我国凿井机械化配套设备的实际能力，必须加强管理部门对机械化配套的规范性研究，科研部门对单机能力和配套系统水平的指导性研究，发展采用JKA型2～5m单绕式提升机、FJD-6型液压伞形钻架、HZ4-6型中心回转式抓岩机，3～5m³吊桶，液压脱模金属模板等，初步形成了适合我国中浅井施工用的凿井机械化配套设备。底卸式吊桶、QFH型混凝土分料器、ZNQ一S0型气动高频振捣器、QF型除水分风器、BQ20／35型气动潜水泵、HCS一10型水泥自动拆包机、JH一20型连续式混凝土搅拌机等一大批凿井配套设备，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。

6.2深孔凿岩钻架与深孔低抛控制爆破

5-6m深孔凿岩钻架是以国产FJD伞形钻架为基础，研制新型多架分离式，独立工作，可钻5-6m的炮孔、兼钻30-40m深注浆孔。形成3-6臂多种规格凿岩钻架，研究深度5-6m的深孔爆破参数，拟定炮孔深度为5-6m，爆破效率0.9，通过合理的掏槽机理与参数、炮孔布置与装药器、起爆时间与抛掷规律等技术的研究，实现深孔低抛减震控制爆破。

6.3迈步式液压模板与吊盘

拟用井壁支撑代替稳车悬吊，靠液压迈步机构整体移动、自行找正，并在我所“六·五”研制成功的YJM型模板基础上增大层数或高度，使之成为适合千米深井大段高快速施工的机械化程度更高的新型模板。我所在“六·五”研制成功的YJM型液压金属模板和已鉴定的QFH型混凝土液压分料器，都成功地应用了液压技术。迈步式模板与原液压金属模和液压分料器可共有一个动力源。研制迈步式模板与吊盘，提高模板的使用性能不仅是必要的而且是完全可能的。吊盘是凿井掘进与支护设备的工作台，国内外环轨式或中心回转式抓岩机均固定在吊盘下，国外模板也都吊挂在吊盘下。抓岩时吊盘倾覆，严重影响吊桶安全提升、稳绳安全张紧以及依附吊盘的抓岩机、模板和分料装置等的稳定性。

6.4千米深井快速施工工艺及施工组织

国外普通凿井混合作业法已成为主要施工方法，原苏联、波兰达90%；西德为100%，我国随着机械化配套水平的迅速提高，也充分体会到混合作业法不用临时支护、工艺简单、成井速度快和施工成本低的优点。

6.5深井凿井设备加工生产标准化

为了提高凿井设备的稳定性和可靠性，国内现有设备标准化不到一半，尤其是一些非标加工件，如吊盘、天轮平台、模板、吊筒等，应该尽快实现生产标准化，以提高设备的寿命。

6.6大力发展凿井设备整体移动

随着我国煤炭工业的迅速发展，开采深度不断增加，井简年均深度上升至600m左右，已建成900 ～1000m以上的深井有40座之多，近年来深井开凿数量逐年上长，华东地区立井基本都采用冻结、注浆，因此凿井设备在准备期较长，发展凿井设备整体移动，如提升机、稳车移动基础，冻结机组、注浆机组移动设备，可以大大缩短准备工期，节约资金。

6.7发展凿井专业化队伍实现高效建井

就是根据立井工程条件，施工队伍素质和技术装备情况将各主要工序用的施工设备进行优化，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。

我们相信，再经过若干年的努力，我国煤矿凿井技术一定会达到世界先进水平，而对煤炭工业的发展做出更多的贡献。