劉志強

(1.煤炭科學(xué)研究總院建井研究分院，北京 100013；2.煤礦深井建設(shè)國家工程實驗室，北京 100013)

礦業(yè)縱橫

豎井掘進機鑿井技術(shù)及裝備研究

劉志強1，2

(1.煤炭科學(xué)研究總院建井研究分院，北京 100013；2.煤礦深井建設(shè)國家工程實驗室，北京 100013)

在對礦山井筒向深部發(fā)展、普通鑿井法下井作業(yè)人員多與安全事故頻發(fā)、鉆井鑿井法僅適合沖積層為主的地層條件、隧道掘進機與反井鉆機等機械破巖技術(shù)及裝備發(fā)展迅速等分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合國家“十二五”科技發(fā)展規(guī)劃，提出和進行了礦山豎井掘進機研制及機械破巖鑿井新工藝研究。針對有導(dǎo)孔豎井掘進機的特點，研發(fā)了機械破巖豎井掘進機鑿井工藝，給出了主要技術(shù)參數(shù)，確定了豎井掘進機推進、旋轉(zhuǎn)、支撐、破巖等主體結(jié)構(gòu)型式、電液伺服系統(tǒng)控制方法以及加工制造工藝，分析了豎井掘進機、吊盤、提升等系統(tǒng)在井筒的空間布置。研究成果將為豎井掘進機的試驗與應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。

礦山井筒；豎井掘進機；鑿井工藝；機械破巖

井筒是進入礦體的重要通道，多數(shù)井筒采用豎井形式。豎井一般為圓形，進行支護后形成垂直地面的工程結(jié)構(gòu)。隨著礦井開采深度的增加，一次建設(shè)井筒深度也逐漸增加[1]。目前，東部地區(qū)煤礦井筒深度在800～1 000 m，最深達到1 341.6 m，西部地區(qū)井筒深度從300～400 m，增加到600～1 000 m。采用普通鑿井法建設(shè)豎井井筒，需要大量的人員在井筒內(nèi)作業(yè)，進行鉆眼、裝藥、爆破、出渣、排水、臨時支護、支模、井壁砌筑等操作。井筒垮塌、片幫、落石、落物等往往引起傷亡事故，作業(yè)人員還受到高強噪音、淋水、粉塵、有害氣體等危害。

鉆井法鑿井實現(xiàn)了“打井不下井”，所有鑿井工序在地面進行，但鉆井法只適用軟弱的沖積層為主的地層井筒施工[2]。我國在綜合機械化鑿井技術(shù)方面和國外還有一定差距，在豎井掘進機鑿井技術(shù)方面還是空白。在“十一五”期間研制的大型反井鉆機和偏斜控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，“十二五”期間研制開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型全斷面掘進機綜合鑿井裝備，以及相適應(yīng)的豎井掘進機鑿井工藝，為達到礦山豎井井筒施工實現(xiàn)破巖機械化、控制自動化、掘進支護一體化的目的，攻克大直徑井筒破巖滾刀在鉆頭的合理布置、巖石與滾刀適應(yīng)關(guān)系、邁步式推進方式、掘進方向智能控制等技術(shù)難題。為我國礦山豎井非爆破鑿井的機械化、自動化、智能化奠定基礎(chǔ)[3]。

1 豎井掘進機鑿井工藝

目前，隧道掘進機采用盤形滾刀實現(xiàn)全斷面破巖，一次完成隧道的開挖和支護。能夠?qū)崿F(xiàn)自動推進、旋轉(zhuǎn)、超前勘探、破巖、巖屑的裝載、運輸、支護(錨噴或管片)、注漿處理等工序。在長距離、坡度和角度變化小的隧道施工中，其成巷綜合效率遠高于鉆爆法[4]。

在水平隧道掘進機的基礎(chǔ)上[5-7]，發(fā)明制造一種能夠滿足一次完成隧道的開挖和支護作用的豎井掘進機。由于機械鏟挖式排渣不能運用到豎井掘進機，所以需要攻克豎井掘進機的巖渣排除難題。

針對該問題可采用液力提升和真空泵抽吸兩種方式實現(xiàn)上排渣。上排渣是指豎井掘進機能夠從上向下，不借助其他輔助條件，一次掘進成井。掘進過程中鉆頭破碎的巖石，排到豎井掘進機上部，進行氣固或液固分離后，通過吊桶運輸?shù)降孛?。下排渣豎井掘進機需要具備井下巷道條件，利用反井鉆機鉆孔作為導(dǎo)井[8-9]，從上向下掘進，鉆頭破碎的巖石通過導(dǎo)井溜到井筒下口排出。

本文研究的下排渣式豎井掘進機，主要針對地質(zhì)條件較好、巖石穩(wěn)定或經(jīng)過地層改性后穩(wěn)定的地層，并具有下部巷道的礦山井筒工程。如水利發(fā)電工程、鐵路、公路、地鐵等隧道工程的通風(fēng)井筒，以及其他地下工程的進出口和聯(lián)絡(luò)通道等。

根據(jù)豎井掘進機及豎井工程特點，研究確定了豎井掘進機鑿井工藝(圖1)，包括溜渣導(dǎo)井鉆進，采用BMC600型反井鉆機完成直徑1.2～1.8 m的導(dǎo)井鉆進，用于豎井掘進機鑿井溜渣、排水、通風(fēng)等[10-16]。然后，施工井筒鎖口、安裝地面提升裝備、組裝豎井掘進機，向下掘進一段井筒。當(dāng)具有安裝吊盤的空間組裝吊盤，繼續(xù)井筒破巖掘進，利用吊盤進行井筒支護作業(yè)。掘進到豎井下部，提出并拆除吊盤，利用鉆桿和豎井掘進機聯(lián)接，拆除鉆頭的擴展部分，將豎井掘進機整體提出地面，最后進行井筒提升、通風(fēng)、管道等設(shè)施的裝配工作。采用反井鉆機鉆機、豎井掘進機、新型井架、專用吊盤支護輔助作業(yè)，實現(xiàn)鑿井破巖、出渣、臨時支護、永久支護及鑿井輔助工作，形成新的機械破巖豎井鑿井工藝。

2 豎井掘進機技術(shù)參數(shù)

豎井掘進機設(shè)計鉆井直徑5.8 m，雖然豎井掘進機鉆進深度不受限制。但受到導(dǎo)井鉆井深度限制，只能鉆進深度800～1 000 m的井筒，溜渣導(dǎo)井直徑1.6 m，適合巖石單軸抗壓強度小于150 MPa的地層。采用鑲齒盤形滾刀破巖(通過更換不同類型的破巖滾刀，滿足巖石抗壓強度達到250 MPa巖石破巖鉆進)。確定鉆頭井底角為45°，通過計算需要布置42把滾刀。通過對滾刀、鉆頭受力和破巖能量分析，得出豎井掘進機主要技術(shù)參數(shù)，見表1[17-18]。

圖1 豎井掘進機鑿井工藝

編號參數(shù)名稱單位參數(shù)值1鉆井直徑m5.82導(dǎo)井直徑m1.63最大推進力kN60004最大拉力kN20005最大扭矩kN·m10006輸出轉(zhuǎn)速rpm0-3-57旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)功率kW4×1108糾偏滾刀數(shù)量把109井底角°4510總質(zhì)量kg140000

3 豎井掘進機總體結(jié)構(gòu)

豎井掘進機可以全機械化完成包括破巖、裝巖、運輸、臨時支護、永久支護、處理等工序。豎井掘進機采用滾刀擠壓破巖，需要對滾刀施加足夠的壓力和轉(zhuǎn)動力矩。豎井掘進機通過油缸支撐在井幫巖壁上，上、下支撐系統(tǒng)承受破巖反推力、反扭矩作用，油缸推進施加破巖壓力。變頻電機提供動力，經(jīng)齒輪箱減速驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)施加破巖力矩。排渣，設(shè)計鉆頭為錐形結(jié)構(gòu)，破碎的巖屑沿井底錐形面滑動進入導(dǎo)井，下落到下部巷道，由下部運輸系統(tǒng)裝運。

根據(jù)鑿井工藝對豎井掘進機整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和方案選擇，通過對比設(shè)備重量和功率負(fù)荷等因素對以下4種結(jié)構(gòu)方案(圖2)進行論證，考慮到豎井盡量降低空間高度的原則，選擇方案2-1。鉆機可形成整體框架結(jié)構(gòu)、多點支撐、變頻電機驅(qū)動、行星+單級減速、四油缸推進、錐形鉆頭破巖超前鉆頭糾偏。MSJ 5.8/1.6D豎井掘進機主要結(jié)構(gòu)分為4部分，由上到下分別為控制平臺、支撐裝置、驅(qū)動裝置以及破巖刀盤(圖3和圖4)。其中控制平臺安裝有泵站、控制臺、調(diào)頻啟動柜等，并設(shè)置有人員監(jiān)控室。

圖2 不同豎井掘進機總體結(jié)構(gòu)方案比較

圖3 豎井掘進機三維設(shè)計圖

圖4 豎井掘進機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

4 豎井掘進機部件設(shè)計與制造

4.1 鉆頭結(jié)構(gòu)

鉆頭的作用是高效破碎巖石。豎井掘進機采用滾刀破巖，鉆頭是鉆頭體和多把滾刀形成的組合結(jié)構(gòu)，滾刀刀齒在推進力的作用下壓入巖石，鉆頭在驅(qū)動系統(tǒng)的作用下旋轉(zhuǎn)，巖石和鉆頭作用形成滾刀的旋轉(zhuǎn)，逐漸將巖石從巖體上分離出來，最終在巖體內(nèi)鉆成井筒。為達到滾刀破碎的巖屑順利滑落入導(dǎo)井，鉆頭的井底角必須足夠大，使得巖屑在自重的作用下滾落，為此設(shè)計鉆頭井底角為45°。為方便運輸，鉆頭體采用分體結(jié)構(gòu)，由六個主翼板和擴展翼板、超前錐形鉆頭、六方鉆頭體和聯(lián)接法蘭盤組成，在翼板上布置破巖滾刀，形成六翼45°的鉆頭體(圖5)。為使豎井掘進機在超前孔偏斜的情況下能夠繼續(xù)施工，在鉆頭體前段設(shè)置了一個超前孔鉆頭，可在導(dǎo)孔偏斜和塌幫的情況下進行掃孔作業(yè)。

4.2 支撐推進結(jié)構(gòu)

圖5 六翼鉆頭結(jié)構(gòu)圖

圖6 豎井掘進機支撐推進結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

支撐推進結(jié)構(gòu)的作用是承受鉆進破巖過程產(chǎn)生的反壓力和反扭矩，并將這些力和力矩傳遞到井幫巖石上。支撐推進結(jié)構(gòu)設(shè)計成整體框架結(jié)構(gòu)(圖6)，包括框架和支撐結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)由上圈橫梁、下圈橫梁以及4立柱構(gòu)成，上下圈橫梁上布置8個支撐結(jié)構(gòu)。上圈橫梁上布置有四個推進油缸，立柱上設(shè)有導(dǎo)向滑軌，動力頭在推進油缸的作用下沿立柱上下滑動。豎井掘進機的8個支撐結(jié)構(gòu)由油缸、弧形支撐靴板和承載柱組成，支撐結(jié)構(gòu)不但承受反扭矩和反推、拉力，還可以通過油缸的伸縮，調(diào)整豎井掘進機的鉆進方向起到糾偏降斜的作用。8個支撐油缸分為上下2組，每組分裝的4個支撐板和支撐油缸，上下2個支撐部分結(jié)構(gòu)可進行分段支撐，每一個支撐油缸也可單獨控制動作。這種結(jié)構(gòu)能夠在減小鉆壓的情況下繼續(xù)鉆進，有利于掘進機通過不穩(wěn)定地層。

4.3 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)

豎井掘進機鉆頭主要破巖能量來自由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)(圖7和圖8)，驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)力矩所做的功，產(chǎn)生滾刀破巖能量。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)由4臺功率為110 kW的變頻電機驅(qū)動，電機經(jīng)行星減速，行星減速箱減速比為46.9，輸出轉(zhuǎn)速30 r/min，通過4個小齒輪驅(qū)動大齒輪旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過在經(jīng)過一級減速后，達到額定輸出扭矩600 kN·m，輸出轉(zhuǎn)速0～5 rpm，滿足鉆井直徑5.8 m高效破巖需要。

圖7 豎井掘進機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計圖

圖8 豎井掘進機驅(qū)動系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)

4.4 豎井掘進機電液控制系統(tǒng)

為達到豎井掘進機破巖、方向控制的鉆井工藝需要，電控、液壓系統(tǒng)設(shè)計上，首先要控制電機變頻，滿足滾刀破巖旋轉(zhuǎn)大負(fù)荷、不均載、不均旋轉(zhuǎn)等要求(圖9)。其次，要控兩個分層8個支撐油缸的快速伸出或縮回、對稱油缸同時伸縮、每個支撐油缸獨立控制伸出或縮回以及伸縮距離，以達到調(diào)整鉆進方向的目的，4個推進油缸由一組電液比例壓力閥控制伸出和縮回，并由一組行程傳感器檢測其運行距離。液壓系統(tǒng)實現(xiàn)對推進油缸和支撐油缸的比例供油(圖10)。

圖9 豎井掘進機電控系統(tǒng)

圖10 豎井掘進機液壓系統(tǒng)

4.5 豎井掘進機支護系統(tǒng)

根據(jù)井筒功能和服務(wù)年限，可以采用錨噴或現(xiàn)澆混凝土井壁支護，利用如圖11所示。

圖11 豎井掘進機鑿井支護系統(tǒng)

多層支護吊盤起到保護豎井掘進機和進行支護作業(yè)的目的，吊盤上的鑿巖機和噴漿機進行錨桿鉆孔和安裝及噴漿作業(yè)，如需混凝土井壁砌筑，可采用吊盤帶整體模板方式，隨著鉆進同時進行井壁澆筑。在巖石條件較好時，先采用豎井掘進機完成井筒鉆進并進行必要臨時支護后，拆除豎井掘進機，由下向上再進行混凝土井壁澆筑。

5 結(jié) 語

井筒施工作為礦山開采和地下工程建設(shè)的關(guān)鍵工程，現(xiàn)有鉆眼爆破的普通施工方法，雖然能夠適用不同的地質(zhì)條件和工程條件[19-20]，但是，普通鑿井法施工不連續(xù)，短時間的大量的出渣、支護作業(yè)等使提升設(shè)備高強運轉(zhuǎn)。井筒達到一定深度后，現(xiàn)有的提升機和鋼絲繩等難以滿足高強提升的要求，需要研究不同形式的豎井掘進機，形成新的鑿井工藝技術(shù)，減少井下作業(yè)人員，使鑿井工序更加均衡，設(shè)備效率提高。“863”項目研制的有導(dǎo)井的豎井掘進機，機械破巖代替爆破破巖，破巖、裝巖、支護實現(xiàn)平行作業(yè)，過程可控。豎井掘進機研制成功，經(jīng)過廠內(nèi)檢驗達到設(shè)計參數(shù)，還通過在不同工程條件下進行試驗驗證，形成鑿井工藝裝備配套與新技術(shù)，大大提高鑿井安全技術(shù)水平。同時，也為上排渣式豎井掘進機研制打下基礎(chǔ)，通過努力必將改變鑿井技術(shù)工藝水平，促進建井技術(shù)的發(fā)展。

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Research on sinking technology and equipment of shaft boring machine

LIU Zhiqiang1，2

(1.Mine Construction Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；2.National Engineering Laboratory for Deep Shaft Construction Technology in Coal Mine，Beijing 100013，China)

Based on analyzing of mine shafts continuously extending to deep formation，taking more underground working staff and frequently occurring safety accidents in conventional shaft sinking method，shaft drilling method being suitable for the alluvial formation condition only，mechanical rock breaking technology and equipment (such as tunnel boring machine，raise boring machine，etc.) developing rapidly，and combined with national “twelfth five-year” science and technology development plan of the People’s Republic of China，the development of mine shaft boring machine and the research on new technique of mechanical rock breaking were put forward and carried on.According to the characteristics of shaft boring machine with a guide borehole，sinking technique of shaft boring machine with mechanical rock breaking was researched and developed；main technical parameters were given；main structure types of thrust system，rotary system，support system，rock breaking system and so forth，the control method of electro hydraulic servo system and processing and manufacturing processes of shaft boring machine were determined；spatial arrangement of shaft boring machine，hanging scaffold，hoisting system in wellbore was analyzed.Research results will lay a solid foundation for test and application of shaft boring machine.

mine shaft；shaft boring machine；sinking technique；mechanical rock breaking

2016-11-12

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目資助(編號：2012AA06A403)

劉志強(1962-)，男，博士，研究員，中煤科工集團首席科學(xué)家，E-mail：liuzhiqiang@vip.sohu.com。

TD265

A

1004-4051(2017)05-0137-05