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1、立井施工技术及机械化煤科总院北京建井研究所李俊良摘要 立井施工技术和机械化配套是加快立井施工速度，提高劳动生产率，降低成本的有效方法。文章从作业方式，各设备之间的匹配关系等方面进行了论述，并按我国现有施工技术和装备情况，推荐了最佳的施工工艺和机械化配套方案。关键词 立井施工施工技术机械化配套立井井筒工程是矿井建设的关键工程。采用先进的施工技术和选用适宜的机械配套方式可使井筒施工质量和速度大幅度提高，进而可有效地缩短矿井建设总工期，降低人工费、辅助费、管理费、设备租赁费等，提高施工企业的竞争能力，而且对矿山整体的建设和其后的生产都有巨大的效益。在70-80年代，立井施工单位多采用劳动密集型的突击
2、创月成井新纪录的方法，对全井筒平均速度的提高效果不明显。80年代末，立井混合作业法及机械化配套在我国逐步形成和推广，极大地推动了立井施工速度的提高。目前，立井施工重视施工技术的开发和机械化配套，充分发挥凿井设备能力，加强劳动管理，实现正规循环，争取全井筒的持续稳定高速度施工，以获得好的经济效益。我国立井平均施工速度在经历20年的徘徊后1965年32m/月，1988年28.18/月）有了较大突破，1997年已达到45.43/月。一、立井短段掘砌混合作业方式立井施工时，通常是掘进一段井筒，砌筑一段井壁。掘砌段高的长短，掘壁顺序的不同，演变出不同的施工方式。混合作业方式不受井筒断面、深度和地质条件的
3、限制，不需要临时支护，掘砌可以适当地平行交叉作业，使掘砌工序在同一循环内完成。工序转换时间少，施工速度快，可以大幅度地提高立井筒施工速度和工程质量。而且永久支护紧跟工作面，安全性好。现已被建设部批准为第一批工法。目前，采用立井短段掘砌混合作业法施工的井筒已占在建井筒的90%以上。立井混合作业方式便于实现综合机械化配套，减轻工人体力劳动强度，大幅度提高成井速度。这种方式的基本循环过程是：打眼放炮后立即通风、出矸，当出矸到一个段高后，在工作面矸石上立模并浇灌混凝土。当混凝土浇筑完后，即可实施下一个段高的装矸作业，清底后再进行下一循环打眼放炮。有时，在浇筑混凝土的后期，可以交叉进行一部分装矸工作。另
4、外，工作面找平，脱模，立模等工序与出矸、清底与凿岩准备工作可实现部分平行交叉作业；由于压气、供水、风筒等管路实行井壁吊挂，井内管路的接长也可安排与打眼工序平行进行。混合作业法施工工艺见图1 所示。二、机械化配套设备的匹配我国立井施工设备，从1974年原煤炭、冶金和一机等三部进行会战起，经过20多年的不懈努力，已逐步发展成以伞形钻架，大斗容抓岩机为主，配以大提升机、大吊桶、整体金属模板、强制式搅拌机，砂石自动计量上料装置、高扬程吊泵、井筒通讯和信号装置、稳车集中控制装置、凿井通风机等系列凿井设备。立井施工机械化配套，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
5、，使之能力匹配，前后衔接成一条工艺系统完整的机械化作业线，并与各辅助工序设备相互协调，充分发挥各种施工机械的效能，快速、高效、优质、低耗、安全地共同完成作业循环。各设备之间能力要匹配，主要应保证提升能力与装岩能力，一次爆破矸石量与装岩能力，地面排矸与提升能力，支护能力与掘进能力的匹配。1.钻眼深度与掘进段高的匹配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。立井混合作业机械化施工，打眼以伞钻为主，段高H应是一次打眼的最大深度L乘以爆破效率K，即：H=KL炮眼深度除受钻
6、具的制约外，还受井筒断面的限制。炮眼加深，爆破受岩石抛掷的夹制作用增大（图2）。我国立井净直径一般为5-8m，炮眼深度范围为3.8-5.5m。因此，混合作业的掘进段高取3.3-5。2. 一次爆破岩石量与装岩能力的匹配抓岩机的生产能力与一次爆破岩石量有密切关系。炮眼越深，一次爆破矸石量越大，抓岩机连续工作的时间就长，装岩、清底和收尾时间所占的比例就相对减少，因而平均装岩生产率将有所提高。抓岩机的生产率变化有两个阶段：第一阶段爆破后岩堆情况较好，抓岩机生产率高于平均生产率20-30%，而第二阶段岩堆较低，而且部分矸石处于震裂状态，因此其生产率比第一阶段低70%左右。一次爆破岩石量增加时，第一阶段的
7、抓岩时间也增加，而第二阶段的抓岩时间基本不变，所以一次爆破岩石量越大，抓岩机的平均生产率越高。提高一次爆破岩石量是提高抓岩机生产能力有效方法。一般要求一次爆破岩石量是抓岩机生产能力的4-5倍以上。第二阶段的岩石量与抓岩机的一次抓取量、井筒的断面和抓岩机的叶片数有关，可按下式估算：式中Q-第二阶段的岩石量，m3h-第二阶段的岩石厚度，m；s-井筒掘进断面积，m2；q- 抓斗容积-抓斗片数影响系数，6片时取0.5,8片时取0.7。3.提升能力与装岩能力的匹配装岩和提升能力的大小对于立井施工速度的影响最大。因此，首先应使装岩能力和提升能力匹配。为了充分发挥抓岩机的生产能力，加快出矸速度，减少出矸时间
8、。提升能力应大于抓岩机的生产能力，即q提q抓。抓岩机的生产能力可由抓岩机技术特征查得。提升能力可由下式计算：式中!A1提升能力，m3/h；V吊桶容积，m3；K提升不均衡系数，K=1.25；T0一次提升循环时间；3600一小时的秒数。提升机的选择除了满足抓岩机生产能力外，还要保证伞型钻架等大型设备的有效升降。4.吊桶容积与抓斗容积的匹配随着抓斗容积的不断增大，抓斗的张开尺寸也越大，抓斗装吊桶时的矸石流直径也越大，为了不使抓取的岩石在装入吊桶时撒落吊桶外，抓斗直径%，一般应满足下式：式中d 吊桶直径，m。0.8dr是从抓斗卸出来的矸石流断面的最大直径（已考虑到抓斗在由桶上方的位置的不对正的情况）。
9、若矸石流断面积大于吊桶，则有矸石撒落。以吊桶口断面积和岩石流面积之比户表示抓斗容积的利用率，则P为：当时，抓斗容积的利用率最高。5.地面排矸能力与提升能力的匹配排矸能力一定要满足装岩和提升能力的要求，以不影响装岩提升工作连续进行为原则。地面排矸方法有自卸汽车排矸和矿车排矸两种。自卸汽车排矸机动灵活，简单方便，排矸能力强，排矸距离在500mm左右，单车（7t）小时排矸能力可达50-60m3，是国内大型矿井用得最多的一种方法。为了解决在生产中提升和排矸不均衡的矛盾，可在井架卸矸方向设置矸石仓，其容量可达30m3，亦可采用落地矸石仓。6.井筒的支护能力与掘进速度匹配在现浇混凝土的井筒中，由于采用了液
10、压金属活动模板、大流态混凝土、混凝土输送管下料等新技术，使立模、拆模、下料、浇筑混凝土等工序实现了机械化，砌壁速度大大加快，砌壁占整个循环时间的比例在20%左右。立井井筒采用锚喷支护技术，井筒支护占整个循环时间的15%左右；因此，提高井筒支护工作能力的关键是选择一套完整的机械化程度高的筑壁作业线，加快其速度，降低其占用施工循环的时间比例。三、立井机械化配套设备的选择我国现有设备情况，推荐选择主要立井机械化配套设备如下：（1）凿岩。我国钻架主要是伞钻，主要型号有FJD-6、FJD-9、FJD-6.7 等。9臂伞钻因自重大，井下钻臂比较拥挤，相互干扰，打眼速度与! 臂钻架相比，并没有因其钻臂多而有
11、明显提高，现已基本不用，所以凿岩主要机型为! 壁伞钻。（2）装岩。HK型中心回转抓岩机是国内的主要机型。这种抓岩机同DTQ通用系列抓斗（有0.6m3，0.4m3，0.2m3）相配用，可以满足不同直径井筒的需要。通常6.5m井筒配一台抓岩机就可以。7m井筒可以考虑再配一台斗容小一点的抓岩机。宣东二矿副井施工时，布置两台中心回转式抓岩机，实行分区抓岩。HK-6!型抓岩机向4 m3吊桶装岩，HK-4型向2.5m3吊桶装矸。清底时，用HK-4抓取小矸石堆，一次出矸时间缩短约2h,HK-6型抓岩机标称生产能力50m3/h。第一阶段出矸实际平均出矸能力35-40m3/h。长绳悬吊抓岩机在东北地区使用十分普
12、遍。虽然机械化程度低一点，但出矸能力与同斗容的中心回转抓岩机差不多，也是可选择机型。目前已有550m3的大吊桶，在井筒平面布置空间容许、提升能力许可的条件下，应尽量选择容积大的吊桶。（3）提升系统。提升机的选择，首先应满足提升能力的需要。从凿井方便、机动、安全的角度，两套单钩提升明显超过一套双钩提升。两套单钩提升对伞钻作业十分有利，一台提升机提吊伞钻打眼时，另一台提升机可以正常运行和升降人员或物件。出矸时，人员、材料的上下，对出矸影响较小；一台发生故障时，另一台可以继续工作，有利于施工。因此，有条件的单位，应优先选用两套单钩提升机，井筒断面大时可选择一双、一单的提升系统，最好是凿井专用提升机。
13、（4）砌壁采用下移式金属活动模板。这类模板都具有脱模力强、刚度大、变形小、立模拆模方便的特点，高度已可达5m，井壁接茬少，井壁成形质量好。目前使用最普遍的是MJY型系列多用液压金属活动模板。这种模板除了具有上述优点外，还可一模多用，一套模板可完成冻结井筒砌外壁、上行套内壁和基岩段下行砌壁用，使用方便，经济效益十分明显。这种模板与采用外加剂配成大流动态混凝土和溜灰管下料配用，能提高砌壁质量，砌壁时间占循环时间从30%下降到20-15%。（5）地面排矸能力要与装岩、提升能力相适应，其排矸能力应以不影响装岩，提升工作正常进行配置。目前大多数单位采用矸石落地，汽车排矸配套方式，一般一个井筒两台自卸式汽
14、车就可满足施工要求。为了提高地面矸石仓储备量，适当加大溜矸槽的高度，采用落地矸石仓，使提升排矸能力有一定的缓冲。（6）立井机械化配套设备选择方案。按照立井综合机械化配套中凿岩、装岩、支护、提升和运输各个环节相互匹配的要求，使设备综合能力最大限度得到发挥，取得快速、经济施工的效果。推荐当前我国立井综合机械化主要配套设备如表1。按照这个表配套的立井机械化装备，代表了我国现有凿井装备的技术水平。经过实践这是一套非常成功的机械化配套装备。1997年全国有,28次月成井突破百米水平。1998年仅中煤建设集团公司所属施工单位月成井超百米就达19次以上。这些井筒所使用的设备,大多采用了表1的机械化配套装备。四、结论短段掘砌混合作业方式是一种行之有效的作业方式，实践已证明这种方式不但可取消临时支护，施工安全，而且适合大型施工设备发挥效率，是当前公认的最佳作业方式。主井施工设备的大型化、配套齐全和匹配合理至关重要，需视工程条件、队伍素质等进行慎重选择和优化匹配，以求最佳结合效果。
