大直径深井施工机械化的设计与应用

方体利，牛学超

（1.中煤第三建设集团有限责任公司 第七十一工程处，安徽 宿州234000；2.北京工业职业技术学院，北京100042）

鉴于目前煤炭建设发展现状，为满足千米及以上更深煤层开掘的需要，中煤第三建设集团公司71工程处，在立井施工方面不断探索和研究，与相关凿井专业设备厂商及科研院所进行合作，在千米级及更深深井井筒快速掘砌关键技术及装备方面，开展了大量的科研工作，取得了显著的经济和社会效益。近年来，仅71工程处就施工井筒近50个，通过对大直径深立井井筒施工经验的总结，逐渐形成了一套成熟的施工机械化配套方案。下面介绍具有代表性的千米大直径深立井机械化配套方案及施工技术。

1 工程概况

某立井井筒工程，井筒净径φ8.6 m，冻结深度为370 m，井筒全深1038 m。井筒穿过第四系冲积层和煤系地层。其中，冲积层厚度为308 m，风化带厚度为52 m，粘土层层数多，厚度大。在煤系地层，检查孔揭露基岩厚度586.35 m，层位为石千峰组底部至11-2煤底。岩性由砂岩、粉砂岩、砂质泥岩及泥岩组成，含煤16～18层。根据勘探资料，新生界地层结构和水文地质特征为，新地层划分为上、中、下三个隔水层组。

井筒围岩岩组划分和稳定性评价结果为，极稳定岩层30层，稳定岩层23层，较稳定岩层35层，不稳定岩层20层，极不稳定岩层40层。本次检查孔对3个煤层采集4个突出指标样，测试成果突出指标K值均小于15，本处煤的坚固性系数（f）值较大，瓦斯放散初速度 （Δp）为4～6。

2 井筒冻结段机械化配套施工工艺

冻结法是我国施工深厚表土层井筒的主要方法。[2]影响冻结法施工速度的主要因素，除了冻结站和冻结系统的正常和高效工作之外，就是冻结井筒的掘进和支护工艺。冻结井筒的掘砌工艺，取决于先进施工机械的应用，而合理的机械化配套是发挥先进施工机械的保证。[3]

（1）冻土掘进及外壁砌筑

在该立井井筒施工过程中，井筒中布置两台CX55B凯斯无尾挖掘机破土，两台HZ-6型中心回转抓岩机装罐，配合人工风镐与风铲破土，铁锹装土。采用2JKZ-4.0/15凿井专用绞车作为井筒主提升，JKZ-2.8/15.5绞车作为副提升。其中，主提升凿井绞车为中煤第三建设集团公司与中信重工机械股份有限公司共同研发的凿井专用绞车，其电机功率为2×1000k W，最大静张力为25t。主、副提升各配置一套单钩4.0 m3吊桶。砌壁采用高度为1.5～2.5 m的MJY整体移动金属模板，配以高度为0.3 m的高环形斜面接茬模板浇筑混凝土。混凝土下放采用DX-3/2.4 m3底卸式吊桶，经分灰器浇进模板，分层振捣，实行短段掘砌平行混合作业。

由图4可知，随着亚硝酸盐浓度的增加，鲁氏酵母菌的生长受到不同程度的抑制。当亚硝酸盐浓度为0.005%时，鲁氏酵母菌的吸光度值骤然下降，生长速度明显迟缓；亚硝酸盐浓度达到0.015%时，鲁氏酵母菌仍保持一定程度的生长；当亚硝酸盐浓度升高至0.020%时，吸光度值明显小于0.6，处于生长滞缓阶段。由此说明，鲁氏酵母菌具有较高的耐受亚硝酸盐能力，可作为发酵香肠的发酵剂使用。

（2）冻结基岩段施工

当井筒掘进进入冻结基岩风化带后，风镐风铲挖掘困难，需采取钻爆法掘进。打眼采用SJZ-6.10新型伞钻。为防止爆破震动损坏冻结管，采取了控制装药量、浅孔爆破等技术措施，其中炮眼深度不得大于1.8 m。采用防冻岩石乳化炸药，1～6段秒延期电雷管，地面380 V电压起爆的爆破方法。打眼时严格按照爆破图表认真找线，分片包干，定人定钻，做到 “准、直、齐”。坚持光面、光底、弱冲、减震爆破技术。打周边眼时，要根据各段冻结管的偏斜图合理布置炮孔，确保炮孔与冻结管的安全距离符合规范要求。

（3）内壁浇筑

为加快内壁施工速度，保证井壁整体防水性能，采用液压滑模砌壁。混凝土由DX-3/2.4 m3底卸式吊桶经分灰器直接浇筑入模，分层浇筑、振捣，由下向上连续浇筑。滑模由22个提升架、44个千斤顶组成。模板外径为8650～8750 mm，均进行了模板结构强度的加强，总重达到17901kg。

（4）内外井壁夹层注浆

为了加强冻结段复合井壁的质量、提高井壁的防水性能，在内层井壁套砌之后，适时进行了井壁夹层注浆。根据以往的施工经验，一般在冻结壁夹层解冻时进行壁间注浆较为适宜。所以，要适时监测冻结壁解冻情况，把握好最佳注浆时机。

3 井筒基岩段机械化配套施工方案

我国的井筒基岩施工，经历过7655凿岩机打眼、绳捆模板支护的年代。改革开放以后，立井井筒机械化配套快速发展。20世纪80～90年代，散钻和中心回转式抓岩机应用于立井井筒施工，但是，由于支护工作占用大量的施工循环时间，限制了井筒施工速度。煤炭科学研究总院建井分院的专家，研制并推广使用MJY型系列多用金属模板，使立井机械化配套真正发挥了各种先进施工机械的功能和威力。

（1）钻眼爆破

采用1台改造的SJZ6.10新型伞钻，配合6台YGZ-70型凿岩机凿岩。钎杆长度为5500 mm，十字形钎头直径为φ55 mm。掏槽方式为直眼分段挤压式，炮眼深度为5100mm，爆破效率大于90℅，与高度为4.5 m的模板配套，实现循环进尺4.5 m。爆破作业严格按爆破图表进行操作，打钻人员定人、定钻、定眼位、定时间、定质量、定数量，分60°扇形区间操作，6台钻机同时打眼。采用T220号岩石水胶炸药，周边眼药卷直径为35mm，其余炮孔药卷直径为45 mm；起爆采用抗水、抗杂散电流毫秒电磁雷管，反向耦合连续装药，串并联联线方式，高频发爆器起爆。采用光面、光底、减震、缓冲击深孔爆破新技术，并根据工作面岩石软硬程度，及时调整爆破参数，提高爆破效率。光底爆破技术要求爆破后工作面实底呈现锅底形状。

（2）抓岩排矸

在吊盘下方，布置两台HZ-6型中心回转抓岩机抓岩，配合防爆小型挖掘机清底，提升设备与冻结段相同，即主提升采用1台2JKZ-4.0/15型凿井专用绞车，副提升采用1台JKZ-2.8/15.5绞车，各配备一套单钩4.0 m3吊桶提升。井筒施工至800 m后，副提升更换为3 m3吊桶。循环出矸量325 m3（实体）条件下，采用该抓岩提升机械化配套系统，包括清底时间在内，循环出矸时间控制在10 h左右。光底爆破技术，在缩短清底时间方面起到了重要的作用。

（3）砌壁

采用MJY型整体金属刃角下行模板砌壁，模板有效高度为4.5 m。为了方便脱模，缩短立模时间，在模板上口设置8根工字钢导轨；为了保证接茬严密，在浇灌口上方设置环形斜面板。砌壁混凝土由混凝土输送车从集中搅拌站运至井口，采用DX-3/2.4 m3底卸式吊桶下放至模板。为了提高井壁浇筑质量，加快浇筑速度，采用对称浇筑方式，ZNQ-50型插入式高频混凝土振捣器振捣混凝土。冬季施工期间，采用热水拌制混凝土，确保入模温度不低于15℃。在通过基岩段含水层时，添加防水剂，提高井壁防水性能。

（4）临时排水方案

井筒施工过程中，对照井检孔柱状图，在接近含水地层时，坚持 “有疑必探、先探后掘”的原则。当工作面涌水量小于10 m3/h时，可通过BQE-50/25风动潜水泵，将水排至吊桶的方法进行排水；工作面涌水量大于10m3/h时，安装排水系统，迎头用BQE-50/25风动潜水泵，将水排至吊盘水箱，再由卧泵排至地面，并进行工作面预注浆封堵。卧泵选用100DG-100×10型，排水量Q=66 m3/h，扬程H=1104 m，重量为3.5t，电机功率为440k W，电压等级为6k V。在上层盘布置卧泵和转水箱，井筒内排水管选用Φ159 mm×6 mm的钢管。

4 临时改绞机械化配套方案选择

以往的矿井建设，对临时改绞阶段机械化配套方案重视不够。目前发现要缩短建井工期，必须在这个环节上实施科学地机械化配套方案。下面的配套方案效率，具有创新性和先进性的特点。

（1）临时改绞施工方案

井筒施工完毕，马头门施工到一定的长度并完成永久支护，满足井底车场施工条件后，即可进行临时改绞工作。临时改绞主要是将吊桶提升改变为临时罐笼提升，以满足巷道施工的需要。改绞时，井筒上下均需设置矿车进出平台，安装钢丝绳罐道，采用液压拉紧装置固定钢丝绳。改绞后，要求在井筒内布置单层双车1.5t凿井罐笼一对，同时安设防坠器，利用2JKZ-4.0/15凿井专用绞车提升；井筒中设置2路Φ1000 mm玻璃钢风筒，采用压入式通风方式；布置2路Φ219 mm×6 mm和Φ159 mm×6 mm无缝钢管，用作压风及排水管路；另外，设置Φ89 mm×6 mm供水管一路，MYJV428.7/15 KV 3×95高压动力电缆两路。

（2）临时改绞主提升绞车选型

计划改绞后，主提升采用2JKZ-4.0/15提升绞车，该绞车卷筒直径为D=4000 mm，卷筒宽度为BT=2650 mm；双滚筒，最大静张力为25t，最大静张力差为21t。井筒深度为1038 m，提升设备的重量如表1所示。

表1 改绞设备重量表

通过计算，井筒临时改绞，选用2JKZ-4.0/15新型凿井专用绞车满足使用要求。改绞后，井筒装备如表2所示。

表2 改绞后井筒装备设备一览表

5 结 语

（1）采用先进的施工工艺，选用适宜的机械配套方式，是大直径深立井安全快速优质施工的保证。该立井井筒选用先进的机械化配套方案，实现平均成井速度90 m的好成绩。

（2）超深井凿井专用绞车与超深井凿井井架配合，满足了井筒提升的需要。配套后的提升系统，满足了井筒施工过程中采用大量的重大装备要求，同时也满足了临时改绞选用双1.5t标准矿车提升的要求。

（3）大直径井筒深孔凿岩设备是提高打眼速度的保障。施工中采用了新型液压伞钻，垂直炮孔圈径大于12 m，凿孔深度大于5 m。

（4）大抓斗双中心回转抓岩机与工作面清底防爆小挖掘机配套使用，达到了快速出矸清底的目的。

（5）新型凿井吊盘配合大段高 （4.5 m）、高刚度的移动式金属模板，提高了井筒砌壁效率。