机械化凿井技术的现状与展望.pdf

第 2 8 卷第 5期 2 0 0 7年 1 0月 建 井 技 术 M I NE CONS F RUCT1 0N TECHN0I 0GY Vo1 ． 2 8 NO． 5 0c t ． 2 0 07 施 工装备 机械化凿井技术的现状与展望 孙 勇 ， 毛光宁 1煤炭科学研究总院建井研究分 院， 北京 ， 1 0 0 0 1 3 ；2煤炭科学 研究总院 ， 北京， 1 0 0 0 1 3 摘 要 介绍 了机械化凿井技术的现状 ， 包括全断面立井掘进机和部分断面立井掘进机的 开发与应用。指出立井掘进机应用 目前仅 占凿井项 目的 2 O ～3 O ， 但随着凿井技术的发展 和 凿 井市场 需求 的增 大 ， 将 占到更 大 的份 额。 关键词 机械化凿井技术； 全断面立井掘进机； 部分断面立井掘进机 中图分类 号 T D 4 2 1 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 2 6 0 2 9 2 0 0 7 0 5 0 0 3 0 0 4 由于 能源 、 金 属 材料 需求 的增加 ， 煤 炭 、 有 色 金 属 开 采 深 度 增 大 ， 露 天 开 采 已接 近 临 界 深 度 。 预计 今后 1 O年 内 ， 全世 界凿井 工程 市场将 有较 大 发展 ， 每年将有 8 0 0 m深 以上的几 1 O个立井开工 建设 ， 都要 求加快 凿井 速度 ， 缩 短 建井工期 。 凿井技 术 分 为 普 通 法 凿 井 和 机 械 化 凿 井 两 种 ， 辅 以冻结 、 注浆等特殊施工手段 。 1 普通凿 井技 术 普通凿 井 法 是 最 为可 行 的 凿 井 技 术 。2 O世 纪 6 O年 代 ， 国外 凿 井技 术 有 了很 大发 展 ， 伞 形钻 架、 大型抓岩机相继 问世， 并创出了月成井 4 0 1 m 的最新纪录。2 O世纪 7 O年代 ， 我 国煤炭 、 冶金 、 机械工业 3部联合组织了机械化配套科研攻关会 战 ， 取 得科研 成果 近百项 ， 彻底 改变 了我 国凿井技 术 的面貌 ， 实 现 了从 人工 作 业 到 机械 化 配 套 的转 变 。2 0 0 6年 ， 我 国立 井平 均 月成 井达 6 7 ． 5 1 m， 比 2 O世纪 7 O年代初期提高了近 4倍 ； 有 8个立井 月成井 超过 1 5 0 m， 最 高月成 井达 2 2 3 ． 2 m ] 。 普 通法凿 井机 械 化 配 套 以凿 井专 用 单 、 双 滚 筒提升 机 ， 3 ～ 7 m。吊桶 ， 0 ． 4 ～ 1 ． 3 m。 抓 岩 机 ， 整 体液压模板， 自动翻矸装置 ， 多层吊盘 ， 大型稳车 为主要内容； 与深孑 L 光面爆破、 冻结或注浆堵水技 术结合 ， 日进尺一般可达 3 ． 0 ～4 ． 0 m， 凿井深度一 般 可 达 1 0 0 0 m 以 上 。南 非 在 凿 井 深 度 3 0 0 0 m 的立井施工中， 也采用了这种机械化配套设备 ] 。 2机械 化凿 井技术口 要想 凿井 日进尺超 过 4 ． 0 m， 并提高 安全施 工 水平和经济效益 ， 唯一的出路是采用机械化凿井 收稿 日期 2 0 0 7 0 8 2 8 技术， 更多地 以机械作业代替人工操作 ， 提高效 率 ， 降低成 本 。 德国亨瑞克纳奇特公司与埃森公司合作， 在 机械化凿井技术方面做 了大量工作 ， 已生产了定 型的机械化凿井机械， 开发出了实用的技术 ， 并正 在推 广应用 。 机械化凿井技术分两类 一类是钻井机系统， 一 类是井筒掘进机系统。井筒掘进机系统又分为 全断 面掘 进 机 和 部 分 断 面 悬 臂 式 掘 进 机 。2 0 世纪 8 O年代 以来 ， 机械化凿井技术有 了很大发 展 ， 但 应 用 范 围不 大 ， 只有 2 O ～ 3 O 的立 井 采 用机械化凿井技术施工 ， 7 O ～8 0 的立井仍采 用普通钻爆法施工， 可见机械化凿井技术具有很 大的 发展空 间 。 2 ． 1 钻 井机 系统 钻井机系统是 以钻井机为主要凿井设备 ， 先 钻导向孑 L ， 再分级刷大至设计规格 ， 然后将地面预 制的井壁圈漂浮下沉人井的方法。钻进时破碎下 来 的岩 渣 由泥 浆经 钻 杆 内 腔排 至地 面 ， 泥浆 循 环 的动力是压气 。岩渣分离后 ， 泥浆仍可复用。 国外用 钻 井 机 施 工 的立 井 ， 直 径 5 ～6 m， 深 5 0 0 6 0 0 m。钻井深度、 直径主要受到钻杆承载 能力和泥浆携带能力的制约。乌克兰顿尼茨凿井 公 司在 有利 地质 条件 下成 功地 完成 了净 直 径 5 ． 5 m、 深 1 1 0 0 m 的 1 个立井井筒钻井施工。国 外认为， 采用泥浆排矸的钻井机一般最适用于直 径 2 ． 5 ～3 ． 5 m、 深 2 0 0 m 的立井施 工 。 我 国将 钻井 机施工 系统作 为立 井冲 积层段 的 特殊施工法之一 ， 很少用 于岩层。至今已完成了 6 6个井 筒施工 ， 最大钻 径 1 0 ． 8 ．m， 最 深 6 6 0 m。 维普资讯 第 5 期 孙 勇 ， 等 机械化凿井技术的现状与展卑 2 ． 2 V型 立 井掘 进机 系统 2 5 年 来 ． 埃 森公 司采 用维 尔 特公 司提 供 的 V 型立井 掘进 机完成 了 5 0个立 井 的施 工 ， 累计 总长 度 2 0 k m， 全 部 利 用 导 向孔 排 矸 。 目前 V型 立 井 掘进机 有 了新 的改 进 ， 全密封 的破 岩钻 头 、 后 装截 齿 ， 可 以掘进 抗 压 强 度 2 5 0 Mt ’ a的硬 岩 。南 非 西 深水平 金矿 使用改 进后 的 V型立井 掘进 机开 凿 了 1个深 7 5 0 m 的风 井 ． 4 0 以上 的岩石单 轴抗 压强 度达 3 0 0 MP a ， 部分熔 岩地 层有 时达 5 5 0 MP a 。在 有导向孔的条件下， 日平均成井 7 ～8 m， 月成井 2 0 0 m 已成为机械化凿井 的最低要求 。戈特 哈德 隧道 工程 中的塞 德 鲁 2号 立 井 ， 深 8 0 0 m， 装 备 了 重 型提升机 ， 用 V型立井 掘 进机 凿 井 ， 1年 内完 工 是这种 立井 掘进机 的最 新成绩 。 美 国和前苏联都曾对类似的立井掘进机进行 过研 究 ， 并研 制 了样 机 ， 进 行 了试 验 ， 均 因排 矸 问 题没有 得 到彻底解 决而 中断 。 2 ． 3机械 化 凿井的优 点 在机械 化凿 井 领域 中 ， 立 井 掘进 机 的开 发 取 得 了突破性 进展 。机械 化凿 井 的主要 优点是 井简 掘进 不再使 用炸 药进行 爆破 作业 ， 井下 人员很 少 ， 提高了安全作业水平 ， 加快了进度 ， 提高了效率。 此外 ． 井简成形好 ， 减少了超挖 普通法凿井 高达 1 5 ， 意味着少排矸和节省井壁材料 ， 从而 降低 了成 本 。 为 了确定 出最 适 合 的凿 井 方 法 ， 应事 先 对 各 种可 用 的方法进 行工 艺分析 、 对 比和评 估 ， 从 安 全 上 、 技术上 、 经济上、 可行性上、 工期上进行综合分 析 。为 了扩大 机械 化 凿 井 技术 的应 用 范 围 ， 目前 正 在开发 以下项 目 1 水 下通过 不稳 定地 层凿井 技 术 ； 2 安装丘宾简井壁和底部密封 的井壁系统 工 艺 ； 3 可 系统 地进 行勘探 的滑架 式钻 机 ； 4 用 于封 闭 和加 固 围岩 注 浆 的专 用 注 浆钻 机 ； 5 安 装水 平和 斜 向锚 杆用 的锚 杆钻机 。 机械 化凿 井最 重要 的还是施 工安 全性 。应 在 确 保安 全的前 提下 ， 尽可 能 提 高 和 发挥 机 械 化 凿 井 设 备 的潜 力 。埃 森 公 司 2 5年来 在 凿 井工 程 施 工 中未发生过 1 起死亡事故， 就是应用机械化凿 井 技术 的最大奖 励 和驱动 力 。 3 立 井凿 井技术 的改进 与应 用[ 2 亨瑞克 纳奇特 公司新 近为 承包商 开发 了一 些 立 井掘进 机 ， 用于 稳定 和不稳定 地层 中凿井 ， 取得 了很好 的效 果 ， 但 仍需继 续解决 排矸 等 问题 。 3 ． 1 井底掘 进碎 矸 的排 除 实 践表 明 ， 全 断 面 掘进 机 凿 井需 要 解 决 的最 大问题 是如 何从井 底集 中和排 除碎 矸 。因为碎矸 尺寸过 大 ， 同时气 力 工艺 如 压 气提 升排 渣 易造 成耗能 过多 ， 效率 低 。 一 种可 行 的办 法是 采用 液力工 艺 。即在掘进 的 同时 ， 利用 液力 不 断 地从 井 底 吸 取截 割 下 来 的 碎矸 ， 然后通过井简管道 ， 靠离心泵提供的负压将 泥浆和碎 矸一 道排 出 。一 般将 掘进 室全部浸 入水 中或钻井 泥浆 中， 水位到钻 头上 方 。截割硬 岩时 ， 碎 矸尺寸 可 大到 6 0 ～8 0 mm。钻头 上装有 1套可 旋 转 的洒 水装 置 ， 为井底 清理作 业提 供支持 。 像井 底 聚集碎 矸 一 样 ， 碎 矸排 除 可 通过 机 械 的 、 液力 的或 气力 的手段 来完成 ， 关 键是排 除过程 不能成 为凿井 作业 的瓶 颈 。井 底排矸 能力应 达到 5 0 ～6 0 m。 ／ h 。最好 的 办法 是 采 用连 续 水 力 运 输 系统 ， 将 含有 碎矸 的泥 浆从 吊盘 上 经悬 吊管道 泵 排 到地 面 。对于用 泥浆把 截割 下来 的碎矸排 往地 面所需 的设 备及 操 作 工艺 问题 ， 费 赖堡 采 矿研 究 院凿井 和流 体技术 研究 所正在 进行研 究 和试 验 。 一 般不 考虑 吊桶排矸 ． 因为费用 高 ， 且 不能连 续 排矸 。 3 ． 2 井底 车场和 装载硐 室施 工 机 械化 凿井 工 艺也 可 临 时 中断 作业 ． 为 井底 车场 、 箕斗 装载 硐 室 或其 他 硐 室 施工 让 路 。办 法 是将 立井 掘进机下 放 到井底 车场运 输水平 之下一 段距离 ， 上 面安装 保护 盘 。这样 ． 井 底车场 就可 用 钻爆 法或 掘进 机 开挖 了 。 3 ． 3 亨瑞克纳奇特立井掘进机 近年来 ， 立井凿井技术 的发展远远落后于隧 道掘进 技术 和 隧道 掘进 机 械 化 的 发展 ， 仍 以普通 钻爆法凿井技术为主， 凿井工程普遍工期拖延 ， 投 资超过 预算 。为此 ， 亨瑞 克纳 奇 特 和埃 森 公 司 合 作开 发 了一种新 型 凿 井 系统 ， 以满 足 能 开挖 各 种 直径的立井井简 ， 能适应各种地质和水文地质条 件 ， 能采用 各种 不 同类 型 的井壁 系统 ， 能 实现 井壁 安装 和掘进 平行 作业 的要求 。这种 亨瑞 克纳奇 特 立井 掘进 机 的基 本特 征如下 1 自动化部分断面掘进机。类似部分断面 悬臂 式 巷 道掘 进 机 ， 截 割 直径 可 在 立井 直 径范 围 内变化 ； 可 自动进行 截割 ； 有水下 作业遥 控设施 和完整的量测系统， 使其能高度准确地进行截割， 见 图 1 。 维普资讯 建 井 技 术 2 0 0 7 年第 2 8 卷 图 1 自动化部分断面掘进机 2 综合流体运输系统。由于截割下来 的碎 矸 由泥 浆 排 除 ， 排 矸 与 截 割 掘 进 平 行 作 业 ， 速 度 快 。 3 掘进 与井壁 安装平 行作业 。井 壁构件 弧 板 在地 面预 制 ， 井 下组装 ， 向下 延伸 ， 不影 响掘进 作 业 ， 提 高 了成 井速 度 。 4 容易 维 护 。立井 掘 进 机 可 以垂 直 布置 和 移 动 ， 设 计上 考虑 了好维护 的要求 。 3 ． 3 ． 1 有导 向孔 的井简掘 进 如果有 1个导 向孔 ． 就可 利用 部 分 断面 掘 进 机 截割抗 压 强度 2 0 0 MP a的 岩 石 ， 刷 大井 简 至 设 计 断面 。立 井掘进 机 系统 有好 几 层 操作 平 台 在 机械供应平台上监测供 电等后勤工作， 在支护平 台上进行 锚杆 支护 ， 在机 械 固定 平 台上 支撑 底 座 夹具， 在井底平 台上操控截割破岩作业和清理矸 石 。立井掘进机系统截割破岩作业类似部分断面 巷 道 掘 进 机 ， 截 割 悬 臂 装 在 底 层 平 台 上 ， 可 旋 转 1 9 0 。 。旋 转 截 割 滚 简 装 有 截 齿 ， 安 装 在 悬 臂 头 上 ， 在悬 臂 摆 动过 程 中 ， 在井 底截 割 岩 石 ． 矸 石 从 导 向孔 中排除 见 图 2 。掘进 机 靠 吊盘 上 的机 械 固定装置 上 的支撑 顶 住 井 帮 ， 不 仅 能 保证 机 械 在 适当地方定位 ， 而且 能吸收截割 所产生的反作用 力 。操作和支持设备布置在机械供应平 台上， 除 装 备有 电力 、 液 压 支持 系统 外 ， 还设 有 3个 控 制 箱 ， 监测和收集掘进过程中的所有数据 ； 操作人员 据此检查和监测掘进机的有关技术参数 ， 并结合 遇到的具体情况进行调整。锚杆临时支护施工在 支 护平 台上进 行 ， 必 要 时加 金 属 网 。永久 井 壁 安 装在 支护 平 台上方 的另 一层 操作平 台上进 行 。立 井掘进机则有 自己独立的操作和控制系统 。 某隧 道 有 1个 荒 径 6 ． 9 ～9 ． 3 m、 深 1 6 0 m 的 风井 ， 采 用 1台 VS M 6 9 0 0 ／ 9 3 0 0立 井 掘 进 机 凿 井 。 由于 1 6 0 m 水 平 已有 隧 道基 础 设 施 ， 而且 提 前 打 了 1 个 导 向孔 ， 所 以排矸 很 容 易 。立 井 掘进 机是模数设计， 适用性好 ， 可用于各种直径的立井 图 2 有导 向孔条件下的立井掘进机 系统 井简 掘进 ， 能减少 搬往 另一工 地施 工所用 的时 间 。 该立井掘进机在开发阶段就详细分析了凿井作业 和井壁安装工艺的逻辑关系 ， 设计了专用截割滚 筒 ， 在吊盘上进行支护作业 ， 掘进、 砌壁平行作业 ， 取得了连续高速度凿井的好成绩 。每班 1 O h 平 均进 尺 2 ． 5 m， 最高进 尺 6 ． O m。 3 ． 3 ． 2 基 岩掘进 立井 掘进机 用 于基 岩 掘进 ， 用不 着 改 变 现有 的机械部件 ， 碎矸用水力提升 ， 经管道排往井口。 凿井施 工期 间 ， 立井 掘 进 机 用钢 丝 绳 连 接到 下放系统。下放系统布置在地面， 控制和下放立 井掘进 机非 常准确 。 1 在 不稳定 地层 中凿井 在不稳定地层 、 含水层中凿井时 ， 为了节省降 低水位的费用， 设计了 1套能在水下作业的系统。 为防止 片帮 或受 断 层带 影 响 ， 立 井 掘进 机 可 在金 属网保护 下作业 。截割下来的碎矸利 用液力排 维普资讯 第 5期 孙勇 ， 等 机械化凿井技术 的现状与展望 除 ， 即 由装 在截 割臂 上 的 电动 潜 水泵 将 碎 矸 吸 入 管道 后 ， 直 接排往 地 面 。矸 石从 泥浆 中分 离后 ， 泥 浆再 返 回到井筒 中。液力排 矸 能力与 截割 深度 及 井 内地下 水位 有关 ， 必要 时需 安 装 备用 的 电动 潜 水 泵 ． 以便 有 效地 排 除 含 碎矸 的泥 浆 。混 凝 土 或 钢 板混凝 土井壁 分 块 弧 板 在 地 面预 制 ， 与 掘 进 作 业 同步 进行 。预制 弧板从 地 面下放 到最 后一 圈 井 壁上 ， 锚 接成 1圈 ， 不 影 响掘 进 机 作业 ， 而 且 能 保 证井壁 不漏 水 。 俄 罗斯 圣 彼 得 堡 的 1个 下 水 道 系 统 的 立 井 ， 荒 径 5 ． 5～ 7 ． 7 m， 深8 5 m， 采 用1台 VS M 5 5 0 0 ／ 7 7 0 0立井 掘进机 施 工 。当地 表 土 为砂 和 亚 粘 土 ， 上部 6 0 m 为 含水层 ， 下部 为 干 硬亚 粘 土 ， 夹 有 边长 2 ． 5 K in _ 左右 的砾石 。凿 井设 备 包 括 1台立 井 掘进机 ， 可 水下遥 控操 作 ； 】 套 整 体 井 壁下 放 装 置 ； 液力运输系统和电动潜水泵 ， 将截割头截割下 来 的矸石 排 到井 口。混凝 土预 制弧板 在地 面锚 接 成圈， 整体下井， 就位后做好密封 ， 保证井筒不漏 水。平均凿井速度 1 0 h进尺 3 m， 最 高进 尺 4 m。 成 井偏 斜率仅 1 X 轴偏斜 1 8 F I 1 F I 1 ， y轴 偏斜 2 6 mm ， 符合当地质量标准。 2 在稳 定地层 中凿 井 在 稳定 地层 中凿井 ， 涌水 不大 ， 采用 双层 井壁 结 构 ， 即锚杆 支护 和永久 井壁 。条 件好 时 ， 也 可采 用 单层 井壁 。 立 井掘进 机从 不稳 定地 层转入 稳定 地层 中掘 进 时 ， 掘进机 上要安 装 2台锚 杆钻 机 ， 用 以勘探 前 方地层情况 。井底必须保持最低水位． 以保证液 力排矸 作业顺 利进 行 。立井 掘进机 上 有一控 制装 置 ， 随 时可 获 得 和 处 理 凿 井 信 息 。永 久 井 壁 在 吊 盘 工 作 盘 上安 装 ， 吊盘 可 在 井 筒 中上 提 或 下 放 。 3 ． 4深 井全 断面掘 进 机 开发深 井全 断面 立井掘 进机 的 目标是 能施工 直径 5 ～1 1 K in _ 、 深 3 0 0 0 m 的 立 井 ， 这 是 煤 炭 开 采 向深部 发展 所需 要 的 。矿业 开 发标准 趋 向于井 深 1 5 0 0 --2 0 0 0 m， 而立井 掘进 机市场 开 发计划 趋 向 于井 深 2 0 0 0 ～2 7 0 0 m， 因为 南 非 和 加 拿 大 都 有 这方 面 的要 求 。 最新一代全断面立井掘进机借鉴了全断面隧 道 掘 进机 的成 功 经验 ， 包 括 刀 盘 、 截齿 设 计 和 刀 架 。 且 有 最 新 的控 制 系统 和 驱 动 技 术 。 机 械 中 央 部分 允许 含碎矸 的泥 浆 自由进 入 ， 由高性 能 泥 浆 泵送 系统 排矸 。满 载 碎 矸 的泥 浆 从井 底 吸 入 ， 经 管路 排往 地面 ， 再 由专。用 的分 离设 备 将 其 中 的碎 矸排 除 后 ， 经供 浆管 返 回到井底 ， 循 环 使用 。 现代机械化凿井技术的主要优点是允许掘进 和排 矸平 行 作业 。随 着 井 筒深 度 的增 大 ， 还 可 同 时进 行支 护作业 。同时大部 分井 简装 备可 由安装 队 利用多 层 吊盘安装 。 锚杆 安装 、 金属 网铺 设 在位 于立 井 掘进 机 上 方 的多层 吊 盘 上进 行 。钢 纤维 喷 射 混 凝 土虽 薄 ， 但 支护强 度 大 ， 可作 为 永 久井 壁 材 料 。必要 时还 可 利用移 动模板 现场 浇筑 混凝 土井壁 。有 的井筒 永 久井壁 采用 预制 弧 板 结 构 ， 一 般在 井 筒掘 进 后 1 ～2 d内安 装 。 4经济效 益 根据 立井 掘进 机的类 型和 工艺 ， 同样条件 下 ， 立井 掘进 机 凿 井 比普 通 钻 爆 法 凿 井 工 期 可 缩 短 2 5 ～3 0 ， 每 r I 1 成 本接 近 或略 低 。立井 掘 进机 凿 井 只需 4 5 ～6 5 人 ， 比普 通凿 井法所 需人 员减少 1 0 -- 2 0 f 。 5 展 望 业 主一般 都希 望 尽 快 回收投 资 ， 因而 要 求 尽 快 完成 立井凿 井施 工任务 ， 转 入采 区开拓 ， 这就 给 承 包商 很大 的压力 。 采 用全 断面 立井 掘 进 机凿 井 ， 或先 准 备 1 个 导 向孔 ， 采用 部分 断面 立井掘 进机凿 井 ， 是 凿井技 术的发展方向； 也是加快凿井速度， 缩短工期 ， 降 低 成本 的最 佳选择 。立 井掘进 机 系统 可 以实现 掘 进 破岩 、 排矸 、 安装 井壁 同时 作业 ， 互 不干 扰 ， 具 有 很 大 的潜力 和吸 引力 。虽然 机械化 凿井技 术应 用 受 地质 条件 、 基础设 施 等 因素 的制 约 ， 但 随着技术 的发 展和市 场需 求 的增 大 ， 机械 化 凿 井 的 比重 必 将从 目前 的 2 O ～3 0 有较 大的增 长 。 [ 参 考文献] [ 1 ] 中国煤炭 建设协 会工 程统 计委 员会 ． 2 0 0 6年煤 炭建 筑业施 工、 监理企业主要经济技术指 标完成情 况[ R] ．北 京 中 国煤 炭建设协会 ． 2 0 0 7 ． r 2]S c h ma h，Ku n s t l e ，Ha n d k e， e l a 1 ． Fu r l h e r d e v e l o p me nt s a n d o u t lo o k f o r me c h a n i s e d s h a f t s i n k i n g E J ] ． ； lu c k a u f Mi n i n g Re p o r t e r ， 2 0 0 7． 1 3 03 8 ． 维普资讯