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千米深井“三液联动”掘砌研究与应用
王雨寒1 龙志阳2,3
（1中煤第49处工程处，河北邯郸 056003；2北京中煤矿山工程有限公司,3煤矿深井建设技术国家工程实验室 北京 100013 ）
摘要：随着地下煤炭资源的深入、凿井深度增加、施工速度要求的提高，现有凿井工艺和设备在千米深立井快速掘砌施工中严重制约着施工速度、工效、成本和工程质量，采用5m深孔液压凿岩伞钻、1m3液压中心回转式抓岩机、4.2m迈步式液压模板等关键技术及装备的“三液联动”掘砌施工，降低了施工噪音和粉尘浓度、满足了千米深立井安全、优质、高效、快速建设的需要。
Hydraulic umbrella drilling, hydraulic grab, hydraulic move-type template (three liquid-linked) in meters deep shaft speed driving and masonry construction and application of
关健词：千米深井 “三液联动” 快速掘砌施工
Abstract: With the underground coal resources in depth, drilling depth increases, the construction speed requirements increase, the existing drilling technology and equipment in kilometers deep in the rapid construction of seriously restricting the construction speed, efficiency, cost and quality, with5mumbrella hole hydraulic rock drill,1m3center rotary hydraulic grab machine,4.2mmove hydraulic templates and other key technology and equipment to reduce the concentration of construction dust bath tones to meet kilometers deep safe, high quality, efficient and fast construction.
Key words: integrated hydraulic drilling equipment kilometers deep Rapid Construction
1、概述
随着地下煤炭资源的深入、凿井深度增加、施工速度要求的提高，现有凿井工艺和设备只适用于850m以内浅井筒的施工要求，现有立井凿井设备风动式伞钻、中心回转抓岩机，地面稳车钢丝绳悬吊整体模板，在千米深立井快速掘砌施工中严重制约着施工速度、工效、成本和工程质量。并且风动设备噪音高、粉尘大，严重危害着职工的身心健康。因此在国家“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”中，采用5m深孔液压凿岩伞钻、1m3液压中心回转式抓岩机、4.2m迈步式液压模板等关键技术及装备，降低了施工噪音和粉尘浓度、改善了施工条件。通过在羊东风井井筒的应用，连续8个月实现月成井100m，平均每月成井116m，充分体现了其优越性，取得了良好成效，满足了千米深立井安全、优质、高效、快速建设的需要。
2、”三液联动”的技术分析与研究
“三液联动”新工艺主要内容：
所谓“三液联动”掘砌施工，是指在千米深立井工程的施工中，由5m深孔液压凿岩伞钻、1m3液压中心回转式抓岩机和迈步式液压模板组成的机械化凿井作业，即在吊盘安装一液压泵站，液压伞钻打眼并装药爆破→1.0m3液压中心回转式抓岩机配合吊桶装岩至段高→4.2m迈步式液压模板下落、找正并砌壁→1.0m3液压中心回转式抓岩机配合吊桶装岩至硬地→下一个循环。同时减少了模板设施的布置，增加了井筒内的施工空间，以及施工人员的施工环境问题有了很大的提高。这是原有的施工设备所不能达到的技术要求和技术创新之处。
原有的施工工艺普遍是在井筒内布置一趟压风管路提供动力，凿岩采用风动六壁伞钻、风动中心回转抓岩机抓矸，伸缩整体下移式金属模板砌壁。千米深立井要求井筒内设备布置越少越安全，设备投入越少、工期越短项目就效益越高。风动六壁伞钻一般采用4.5m长钻杆，凿岩效率低、速度慢逐渐显现出来，风动中心回转抓岩机抓大容积最大0.6m3，抓岩能力低、抓岩速度慢，伸缩整体下移式金属模板仅有一条伸缩缝，脱模是靠安装在伸缩缝两侧的四个液压油缸向内收缩，带动模板进行收模工作，脱模下移到预定位置时，靠液压油缸同时外伸，使模板撑大至设计尺寸，操平找正并固定近牢固后便可浇筑，拆模组立工序繁所，施工用时长。并且压风管路和模板悬吊设施布置占用部分井筒的空间，压风机、供电线路等一系列配套设施资源消耗负担增加，职工施工环境粉尘的危害，施工工期不易控制。
“三液联动”新工艺的特点：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，液压伞钻打眼，液压中心回转式抓岩机出矸，液压迈步式模板由泵站提供动力，推动迈步油缸使迈步环和悬吊环交替运动，起到砌碹的目的，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。
液压伞钻钻孔动作（回转、冲击、推进）由两台55kW电机提供动力，采用液压传动型式，所有动作实现机械化。钎杆移位迅速、准确、平稳，并配用四台HYD-200凿岩机，凿岩效率高。电动液压系统所需功率，只有气动钻进功率损耗的1/3。凿岩效率高、速度快，经试验对比，在同类岩石和相同孔径的条件下，凿深孔用液压凿岩机比气动凿岩，凿岩速度提高二倍以上，液压凿岩速度可达0.8-1.5m/min。液压凿岩能保证钻孔深度和间距的精度，故可提高工程的施工质量。改善工作环境，噪声低，由于液压凿岩不必排除废气，因而没有废气所夹杂的油污所造成的对环境的污染。液压中心回转式抓岩机由吊盘上一套泵站提供液压动力即可，采用1m3大容积抓斗，经实测，该抓岩机抓一斗平均为22s，比风动抓岩机快10s左右，正常情况下4m3吊桶需5-7斗，所需时间平均为2min35s。比风动抓岩机少40s。对抓岩效率有了很大提高，井下噪音减少15dBA，大大改善了井下作业环境。液压迈步模板是模板靠井壁支撑悬挂、自行调平找正和液压迈步移动，以替代目前靠地面稳车悬吊的方式，简化了井筒内悬吊布置。采用“三液联动”新工艺职降低了施工成本、减少能源消耗、提高井筒基岩施工速度和工效、简化了井筒悬吊布置、改善了施工环境，澡音和粉尘浓度降低，提高施工质量，保证了施工安全。附图:
1液压伞钻 2 液压抓岩机 3 迈步式模板
3、研究预期目标
本工艺适用于深度850m以上、直径6-9m的井筒基岩掘砌施工。以千米级深井基岩快速掘砌关键技术及装备为主要研究内容，经过近3年多的科研开发，将初步形成了一套适合千米级深井基岩快速掘砌成套装备。全面推行4.2m一掘一砌正规循环的短段掘砌混合作业施工方法。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。在涌水量小于10m3／h的条件下，使月平均成井速度达80m以上。
一掘一砌的作业方式从理论上讲，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，目前国内以3～3.5m段高为主掘砌正规循环作业。为了进一步提高我国深井基岩快速掘砌水平，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，加快我国立井凿井速度。
4、主要设备技术性能
本工艺主要设备为5m深孔液压伞钻、1m3液压中心回转式抓岩机、迈步式液压模板、液压泵站各一台。主要技术参数如下：
5m深孔液压凿岩伞形
适用井筒净直径(m) | Φ6～9m |
收拢后外形尺寸(外接圆直径×高度)(mm) | 最小Φ1650，最大Φ8200 |
动臂动作范围 炮眼圈径(mm) | 最小Φ1650，最大Φ8200 |
左右摆动度: （°） | 双向各75 |
总质量: （ kg ） | 9500 |
液压凿岩机台数：（台） | 4 |
推进器型式: | 油缸－钢丝绳行程倍增式 |
推进力：（ N ） | 0～9800 (可调节) |
动力驱动型式: | 电－液驱动 |
液压系统工作压力（MPa） | 16 |
钻架一次推进行程达到（m） | 5 |
HZY-10型中心回转抓岩机
适用井筒净直径（m） | Φ6～9.0m | 提升能力（kN） | 65 |
抓岩生产能力 (m3/h) | 80 | 提升速度 (m/s) | 0.4～0.5 |
整机重量（kg） | 19000 | 回转速度 (r/min ) | 3～4 |
抓斗容积 (m3) | 1 | 变幅速度 (m/s) | 0.4 |
抓斗重量（kg） | ≤3500 | 动力驱动型式 | 电-液驱动 |
液压系统工作压力（MPa） | 16 |
液压迈步式模板
模板直径（m） | 6～9.0m | 模板高度（m） | 4～4.5 |
悬吊移动方式 | 液压迈步机构 | 模板收缩方式 | 液压缸装置 |
模板移动收缩动力 | 液压泵站（工作压力：16～32MPa） | ||
5、劳动组织
工业性试验井羊东风井井筒劳动组织采用综合施工队形式，按专业化班组配备，井下实行四个专业化班滚班制作业，地面辅助人员“三·八”制作业。现场劳动组织设立抓岩机、伞钻、液压站、水泵、运转包机组，进行设备的动态检修，确保设备完好运行。井筒施工井工共计62人，伞钻大抓包机6人、稳绞维护3人、泵包机5人、机大班6人、电工班8人、司机4人。
6、研究效果
6.1、经济效益：本工艺与传统施工方法相比，虽增加了一台液压泵站及相应电缆，但减少了3台悬吊模板用凿井绞车及配套钢丝绳、减少了压风机数量及井筒内布置的压风管路尺寸，共计减少设备租赁费用如下（按1000m井筒计算）：
序号 | 曾加 | 减少 | ||||
设备名称 | 数量 | 租赁费用 （万元/月） | 设备名称 | 数量 | 租赁费用 （万元/月） | |
1 | 液压泵站 | 1台 | 0.3 | 凿井绞车 | 3台 | 1.2 |
2 | 70mm2电缆 | 1000m | 0.3 | 压风机（40m3） | 2台 | 2 |
3 | 钢丝绳（Φ38mm） | 3000m | 0.3 | |||
4 | 压风管路（Φ159mm） | 1000m | 0.1 | |||
5 | 合计 | 0.6 | 合计 | 3.6 | ||
6 | 合计减少费用 | 3万元/月 | ||||
6.2 节能效益：由于“三液联动”凿井设备相比风动式凿井设备减少电机功率572kW，按每天工作8h、1.2元/ kW·h计，每月节电30×8×572=137280 kW·h，节省费用16.4736万元/月。
6.3 质量效益：相比稳车悬吊模板通过3台稳车的提升来调平找正模板，常出现的模板高低差、中心偏移等现象，采用液压迈步式模板浇筑井壁施工，由于其悬吊装置可自行调平找正，提高了井壁浇筑质量及尺寸误差。
6.4 凿井速度快掘进工效高：采用“三液联动”凿井设备快速掘砌工艺试验期间，每循环平均时间比传统工艺缩短2.3h，抓岩机实测生产能力可达80～96m3/h，设备性能达到各项考核指标，并且达到了每月成井118m水平，掘进工效达2.22m3/工以上，并且安全无事故，经建设、监理单位共同验收工程质量达到优良。
6.5 环保效益：相比风动伞钻及抓岩机工作中震动大、噪音大等缺点，采用电-液压驱动后，由于其传动平稳、震动较小，工作噪音比风动式可降低15-20%；粉尘浓度大大降低。
6.6 社会、安全效益：由于长时间地工作在震动、噪音、粉尘大的工作环境中，严重地影响了工人的身心健康。通过“三液联动”凿井设备的使用，为工人提供了一个相对比较舒适的工作环境，有利于工人的身心健康，从而保证施工队伍的稳定，提高了工作效率，而且可减少矿井安全事故，实现高效、安全生产。
参考文献
[1] 龙志阳. 立井井筒施工技术, 北京: 煤炭工业出版社1999.
[2] 郭培里. 加强深井机械化配套设备的研究.煤矿建设科研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.
[4]龙志阳 . 千米深井凿井技术现状及发展新动向. 矿山建设工程技术新进展论文集.徐州: 中国矿业大学出版社, 2009.
著作简介
王雨寒（1973—），男，汉族，河北省邯郸人，1998年毕业于山东矿业学院矿井建设专业，历任中煤第49处工程处，工程师，羊东项目部技术副经理。共发表论文近3篇，
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