荊國業(yè) 劉志強 韓 博

(1.煤炭科學研究總院建井研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013)

1 引言

我國以傘鉆鑿巖爆破、抓斗裝巖、混凝土砌壁為核心的普通法鉆井得到了較快的發(fā)展，與凍結或注漿堵水相結合基本實現了月進尺80 m左右，達到國際先進水平，但普通法鉆井具有機械化程度較低、下井人員較多、作業(yè)環(huán)境較差以及安全隱患較多等問題。機械化鉆井是建井技術發(fā)展的趨勢，機械化鉆井主要分為兩類，一類是地面鉆井系統，是目前我國應用較多的鉆井法技術，具有打井不下井、機械化程度較高以及安全性較高等特點，目前已經實現了7 m左右鉆井的“一鉆成井”和9 m左右鉆井的“一擴成井”，但成井效率依然相對較低。目前“一鉆成井”的月成井速度不到40 m，而且主要適用于沖積層，對堅硬基巖并不適用。另一類是豎井掘進機系統，具有井筒掘進與排渣、井壁支護安裝平行作業(yè)、機械化程度較高、下井人員較少以及施工效率較高等特點，作業(yè)環(huán)境和安全條件大大改善，但目前國內尚無豎井掘進機應用的先例。

豎井掘進機在美國、德國和前蘇聯均有不同程度的發(fā)展，德國和美國是發(fā)展較快且較成熟的國家。20世紀70年代，德國威爾特公司根據平巷掘進機原理研制了井筒掘進機，主要用于在硬巖中打盲井，這種掘進機驅動裝置在井下，具有傳動效率高、掘進速度快、全部機械化施工以及便于隨時糾偏等特點，因此迅速得到推廣應用。在20世紀70年代后期，歐洲已較少采用轉盤鉆井法，但是當時這種豎井掘進機是部分斷面掘進機，需要有超前孔，下部必須有巷道，因此應用范圍受到了一定的限制。20世紀70年代，美國研制了全斷面豎井巖石掘進機，1978年6月開始試用。但是美國煤礦應用豎井掘進機較少，主要用于金礦、鈾礦等非煤礦山及冶金系統，而且井徑較小。

北京中煤礦山工程有限公司依托國家十二五“863”計劃課題“礦山豎井掘進機研制”開展聯合攻關并取得重要進展。課題組從豎井掘進機鑿井施工新工藝、高效滾刀破巖技術出發(fā)，攻克礦山豎井掘進機在井筒內狹小空間的合理空間結構及設備布置、高效大體積機械破碎巖石、大直徑鉆頭的空間結構及滾刀布置、多臺剛性連接電機大扭矩旋轉驅動的變頻器同步控制、大流量高精度電液比例控制、掘進方向智能控制、關鍵部件及掘進狀態(tài)監(jiān)測與診斷、井筒內特殊條件下的遠程控制等關鍵技術，成功研制出國內首臺套有導孔條件下的豎井掘進機樣機——MSJ5.8/1.6D型礦山豎井掘進機，為實際應用打下基礎。

2 豎井掘進機鉆井工藝

豎井掘進機鉆井工藝采用反井鉆機鉆進導井，豎井掘進機擴大成井，新型井架、專用吊盤支護輔助作業(yè)，實現鉆井破巖、出渣、臨時支護、永久支護及鉆井輔助工作。豎井掘進機鉆井工藝如圖1所示。

2.1 工作流程

(1) 定位。根據井筒方位測量結果，計算確定各支撐油缸的伸出量和支撐力，并在鉆進過程中隨時調整，確保鉆進方向和精度要求，防止靴板相對井幫滑動。

(2)鉆進。啟動電機帶動鉆頭旋轉，滾刀開始破巖，根據巖石物理力學性質和可鉆性，推力油缸施加相應的鉆壓，達到滾刀體積破巖狀態(tài)，直到主推油缸伸到最大行程，巖石條件差或糾偏時可慢速伸縮推進油缸進行掃孔。

(3)支撐結構移步。主推油缸達到最大設置行程位置時，轉動鉆頭平穩(wěn)接觸巖石，然后鎖緊主推油缸，逐漸松開8個支撐油缸。當各個支撐油缸支撐力為零時，逐漸收縮4個推進油缸，使支撐框架下移，同時地面提絞設備下放鉆桿和推進油缸保持同步。當推進油缸全部到位后，開始定位進行下一鉆進循環(huán)。

1-提絞系統；2-井壁；3-支護系統平臺；4-控制平臺；5-主機系統；6-鉆頭；7-先導孔；8-井下運輸系統圖1 豎井掘進機鉆井工藝

2.2 導井

采用反井鉆機鉆進豎井掘進機導井，然后施工井筒鎖口，安裝豎井掘進機和地面鑿井裝備，豎井掘進機掘進井筒達到一定深度后，安裝吊盤和保護盤，鑿井過程同時完成井筒支護，采用噴漿支護或砌筑混凝土井壁。

2.3 破巖

豎井掘進機采用鑲齒滾刀進行破巖，豎井掘進機包括支撐、推進、旋轉和控制系統，主要作用是破碎巖石，滾刀按照一定規(guī)律布置在豎井掘進機鉆頭上，滾刀破巖以擠壓、剪切和刮削等綜合作用將巖石破碎，從巖體上分離出來。電機帶動齒輪箱齒輪減速實現鉆頭旋轉，推進油缸通過推進驅動裝置沿掘進機支撐立柱上下滑動，向鉆頭傳遞推進力，主框架結構通過油缸支撐在井幫巖壁上，上、下支撐系統承受破巖反推力和反扭矩，推進油缸完成一個行程后，主框架結構沿豎井軸線向下移動一段距離，然后支撐油缸推動支撐板繼續(xù)支撐在井幫上，經找正后繼續(xù)形成下一個破巖循環(huán)。

2.4 排渣

鉆頭為錐形結構，破碎的巖渣沿井底錐形面滑動進入導井，落到下部巷道后由下部運輸系統裝運。

2.5 支護

(1) 臨時支護。豎井掘進機支撐結構施加在井幫上的壓力，具有防止井幫破壞的作用。利用吊盤上的錨桿鉆機和噴漿機進行鉆孔、安裝錨桿、掛網及噴漿作業(yè)，封閉井幫圍巖作為臨時支護。

(2)永久支護。對于服務年限短、非提升井筒或不安裝安全設施的通風井，錨桿、掛網和噴漿可以使用永久支護；對于長期服務和提升井筒，需要利用吊盤吊掛整體模板澆筑混凝土井壁，可以先進行錨噴臨時支護，在井筒掘進完成以及豎井掘進機拆除后，由下向上澆筑永久井壁。

2.6 通風

與爆破破巖不同，豎井掘進機鉆井為機械破巖，因此產生的有害氣體和粉塵較少，而且井下作業(yè)人員較少，導井和礦井的通風系統形成井筒循環(huán)通風，一般不需要單獨設立通風裝置，特殊情況下可設置局部通風機。

2.7 排水

因鉆井過程中地層涌水量較大，需要預先采用地層改性方法封堵涌水，從而穩(wěn)定地層，少量涌水直接通過導井流到井筒下部，匯入礦井的排水系統排出。

3 豎井掘進機鉆井裝備

豎井掘進機鉆進裝備由下到上由鉆頭、主機系統、液壓系統、電氣系統及導向糾偏系統組成，其中液壓系統、電氣系統及導向糾偏系統安裝在主機系統上方的控制平臺內。

3.1 鉆頭

豎井掘進機采用滾刀破巖，鉆頭體和滾刀形成組合結構，滾刀在推進力的作用下壓入巖石，鉆頭在驅動系統的作用下旋轉，鉆頭在井筒下部工作公轉帶動滾刀自轉，并將巖石從巖體上分離出來，在巖體內鉆成井筒。

豎井掘進機采用6翼可變徑45°錐形結構鉆頭，由六方中心管、6個翼板和超前錐形鉆頭組成。45°井底角可以使?jié)L刀破碎的巖渣順利滑落入導井，減少重復破碎，實現高效溜渣。采用6翼以60°均勻布置，相鄰翼之間用加強鋼管聯接，每個翼板由焊接在六方中心管上的主翼板和外側的擴展翼板組成，通過法蘭盤上的銷軸定位螺栓緊固聯接。井筒鉆進完成后，通過拆掉輔助翼板，使豎井掘進機最大端直徑變小，直接提出已進行支護的井筒，這種結構能夠減少最大件重量和尺寸，便于設備運輸和吊裝，可以通過調整輔助翼板，改變豎井掘進機的鉆井直徑。在鉆頭體下端設置超前孔鉆頭，在導孔偏斜和塌幫的情況下進行掃孔作業(yè)。

3.2 主機系統

主機系統是豎井掘進機的核心，由支撐裝置、推進裝置和旋轉驅動裝置組成，主機系統將掘進機支撐于井壁上，同時為破巖提供動力，實現鉆頭的推進和旋轉。豎井掘進機主機系統與鉆頭實物圖如圖2所示。

1-支撐裝置；2-推進裝置；3-旋轉驅動裝置；4-支撐靴板；5-鉆頭圖2 豎井掘進機主機系統與鉆頭實物圖

(1) 支撐裝置。支撐裝置由支撐油缸、支撐靴板、扶正桿和框架結構組成。在鉆進過程中控制支撐油缸的伸出量和支撐力，通過支撐靴板將掘進機固定于井幫上，既能夠提供鉆頭所需的反作用力和回轉反扭矩，又能夠調整主機的姿態(tài)和方向，實現連續(xù)準確鉆井。支撐靴板共有8個，均可單獨調整，采用上下兩層十字形布置。由于層間距較大，當通過破碎地層時便于選取有利支撐點，增強掘進機的穩(wěn)定性和適用性。

(2) 推進裝置。推進裝置由推進油缸和輔助設施組成。推進油缸位于支撐裝置上部，通過球鉸與驅動裝置連接，在組裝時已設定合適的工作壓力，為鉆頭提供推進力，實現鉆頭鉆進。

(3) 旋轉驅動裝置。旋轉驅動裝置由動力部分(包括電動機和減速器)、傳動部分(齒輪傳動)和箱體總成組成。箱體總成是動力和傳動的載體，包括主箱體(上、下箱體)、主軸、軸承、潤滑系統及附件等。電動機通過減速器后，齒輪箱內部齒輪驅動主軸旋轉，實現鉆頭旋轉破巖的功能。

3.3 液壓系統

液壓系統由液壓泵站、支撐油缸和推進油缸組成。液壓泵站由液壓泵、液壓閥組和輔助元器件組成，為支撐油缸和推進油缸提供動力，并控制油缸的推進力和推進速度。EDS3000壓力繼電器輸出參數≤±0.5 % FS，精度較高，能夠顯示當前壓力值、最大值和預設開關點值，根據預設開關參數輸出開關量，當井幫產生地應力時，確保打開支撐油缸雙向鎖，避免損壞支撐裝置。支撐油缸由泵站控制，一是可以實現上下各層4個油缸同時快速伸出和縮回(快速伸縮)動作；二是可以實現各層相背2個油缸同步對應伸出和縮回動作，完成該方向位移量相同的平動(成組運行)；三是可以實現每個油缸獨立控制伸出和縮回(單缸運行)動作。推進油缸為4個，采用并聯結構和機械強制同步運行，由行程傳感器檢測運行距離，由壓力傳感器檢測油缸上下兩腔壓力。破巖時的油壓值既能采用人工控制，又能采用自動調節(jié)，通過計算可得實際鉆壓值，便于鉆進過程的操作與分析。

每個支撐油缸和推進油缸均由一組電液比例換向閥控制伸縮量。無桿腔能夠實時檢測與顯示油壓，并將支撐力信號傳輸至控制單元，實現閉環(huán)控制和及時補壓。根據信號大小確定閥門開口大小，從而調整液壓油缸速度快慢，既能夠快速伸縮提高工作效率，又能夠緩慢伸縮提高工作精度，在鉆進和糾偏過程中滿足各項要求。

3.4 電氣系統

根據豎井掘進機設備構成和施工工藝要求，電氣系統由供配電、鉆頭旋轉驅動控制、支撐和推進裝置控制以及遠程控制組成，電氣控制系統工作原理圖如圖3所示。

圖3 電氣控制系統工作原理圖

(1) 供配電。由饋電電纜將三相1140 V交流電接入受電柜母線，根據需要配備獨立隔離開關和斷路器，分別向支護設備和降壓變壓器供電。380 V電壓用于鉆頭電機和液壓泵站供電，220 V電壓用于控制電源供電，127 V電壓用于工作面照明供電。

(2) 鉆頭旋轉驅動控制。使用4臺大功率電機驅動鉆頭繞主軸中心旋轉，電機與大齒輪為剛性連接，并經動力頭齒輪減速。鉆頭驅動系統采用一主三從方式，確保各電機同步工作，負荷均衡分配。鉆頭控制系統能夠實現啟動與停止平滑、加速與減速恒定、轉速和扭矩匹配，滿足不同地質條件下的破巖要求。鉆頭轉速測量采用軸編碼器，其通過信號電纜與變頻器相連。變頻器、接觸器、電抗器等安裝于電控柜中，傳動系統構成轉速閉環(huán)和轉矩(電流)閉環(huán)控制。

(3) 支撐和推進裝置控制。液壓泵站采用電液元器件，液壓PLC控制液壓系統，顯示油壓、行程、油泵等當前狀態(tài)，實時發(fā)送關鍵液壓數據。主PLC處理用戶面板中的操作指令，接受液壓狀態(tài)數據，向液壓主機發(fā)送液壓動作指令。

(4) 遠程控制。通過地面控制臺與工作面主控制臺之間相互發(fā)送及接收信息，實現操作指令和監(jiān)控測量等數據的實時采集、處理和傳輸。系統軟件允許用戶在遠程登錄并控制電腦，實時監(jiān)控運行狀態(tài)與處理相關數據，實現與控制臺相同的操作功能。

3.5 導向糾偏系統

導向糾偏系統由測斜系統和糾偏系統組成，其工作原理圖如圖4所示。

圖4 導向糾偏系統工作原理圖

測斜系統包括位移測量系統(激光發(fā)射器和PSD光電位移傳感器平板)和姿態(tài)測量系統(兩個高精度角度傳感器)，利用光電傳感器平板獲取豎井掘進機軸線與井筒設計軸線的偏斜量，利用角度傳感器獲取豎井掘進機姿態(tài)的豎直量。如果位移測量發(fā)現掘進機軸線偏離井筒設計軸線一定量(可根據工況現場設置偏離量)后，啟動導向糾偏系統，通過調整各個支撐油缸的伸縮量，使掘進機的鉆頭指向井筒設計中心軸線，經過幾個步距的糾偏，掘進機軸線與井筒設計軸線夾角逐漸變小直至重新重合。

4 豎井掘進機輔助裝備

4.1 提絞系統

井筒上方設置井架、絞車、穩(wěn)車，用于提吊下部設備；井口設置封口盤；井筒中間有API石油鉆桿，用于提升掘進機和固定線纜等；井筒中的吊桶用于將人員和材料下放到支護平臺和掘進機內部；井筒下部有反井鉆機施工的1.6 m先導孔，破碎巖渣由此自由落入下水平運輸巷，通過井下運輸系統運至地面。

4.2 支護系統

根據井筒功能和服務年限，選擇錨噴或現澆混凝土井壁支護形式，利用多功能吊盤進行支護作業(yè)。多功能吊盤為三層結構，包括保護盤、中層盤和下層盤，保護盤設有安全防護層，防止上部墜物下落并起緩沖作用。中層盤和下層盤均設有液壓支撐油缸，使吊盤支撐于井幫上，防止上下移動和旋轉，中層盤還設有噴漿機和混凝土分料及暫存裝置，進行掛網和噴射混凝土作業(yè)；下層盤設有錨桿鉆機，由掘進機驅動錨桿鉆機工作，以便在井壁上鉆進不同角度、直徑和深度的錨孔，同時進行錨桿安裝、充填和鎖緊固定。若圍巖條件較好，在掘進機完成井筒鉆進并進行必要臨時支護后，可先拆除掘進機，再由下向上進行混凝土井壁澆筑。

5 豎井掘進機鉆井特點及應用前景

(1) 豎井掘進機是一種涉及機械加工、液壓控制、電氣傳動、傳感器測量、數字控制以及巖石破碎等多學科的技術密集型施工裝備，能夠快速機械破巖和支護，具有不需爆破作業(yè)、機械化程度高、井下人員少、成井質量好、施工效率高以及安全性高等優(yōu)點。廣泛采用的普通法鑿井以鉆眼爆破為基礎，具有需要大量的工作人員下井作業(yè)、工作條件艱苦、作業(yè)環(huán)境不安全、工人勞動強度高以及爆破產生大量有害氣體等問題。豎井掘進機鉆進技術能夠實現用機械破巖逐步代替?zhèn)鹘y的鉆眼和爆破方法，并向機械化和智能化方向發(fā)展，使鑿井工作人員從礦山艱苦危險、安全條件差、職業(yè)傷害嚴重的井筒施工中逐漸解脫出來，實現建井技術新突破，是大型現代化礦井建設機械化的發(fā)展方向。

(2) 目前豎井掘進機鉆進技術已完成鉆進裝備樣機的研制，下一研究階段將進行工業(yè)性試驗及應用。豎井掘進機一是可以應用于煤礦、金屬或非金屬等地下固體礦物開發(fā)的礦井咽喉工程提升、通風、安全等各種井筒；二是可以應用于水利發(fā)電及抽水蓄能電站壓力管道井、通風井、引水井、調壓井和電梯井等；三是可以應用于地鐵、公路及鐵路長大隧道通風井、安全出口等工程；四是可以應用于地下工程如人防工程、軍事工程、科學實驗工程等井筒工程。進一步完善豎井掘進機鉆進施工技術和工藝和裝備，對地下工程建設領域有重要意義，有廣闊的推廣應用前景。

參考文獻：

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