劉志強(qiáng)

(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(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

礦業(yè)縱橫

豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井技術(shù)及裝備研究

劉志強(qiáng)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(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

在對(duì)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(jìn)機(jī)與反井鉆機(jī)等機(jī)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(guó)家“十二五”科技發(fā)展規(guī)劃，提出和進(jìn)行了礦山豎井掘進(jìn)機(jī)研制及機(jī)械破巖鑿井新工藝研究。針對(duì)有導(dǎo)孔豎井掘進(jìn)機(jī)的特點(diǎn)，研發(fā)了機(jī)械破巖豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井工藝，給出了主要技術(shù)參數(shù)，確定了豎井掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)、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(jìn)機(jī)、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(jìn)機(jī)的試驗(yàn)與應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

礦山井筒；豎井掘進(jìn)機(jī)；鑿井工藝；機(jī)械破巖

井筒是進(jìn)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(jìn)行支護(hù)后形成垂直地面的工程結(jié)構(gòu)。隨著礦井開(kāi)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(dá)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(jìn)行鉆眼、裝藥、爆破、出渣、排水、臨時(shí)支護(hù)、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(qiáng)噪音、淋水、粉塵、有害氣體等危害。

鉆井法鑿井實(shí)現(xiàn)了“打井不下井”，所有鑿井工序在地面進(jìn)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(guó)在綜合機(jī)械化鑿井技術(shù)方面和國(guó)外還有一定差距，在豎井掘進(jìn)機(jī)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(jī)和偏斜控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，“十二五”期間研制開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型全斷面掘進(jìn)機(jī)綜合鑿井裝備，以及相適應(yīng)的豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井工藝，為達(dá)到礦山豎井井筒施工實(shí)現(xiàn)破巖機(jī)械化、控制自動(dòng)化、掘進(jìn)支護(hù)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(jìn)方式、掘進(jìn)方向智能控制等技術(shù)難題。為我國(guó)礦山豎井非爆破鑿井的機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化奠定基礎(chǔ)[3]。

1 豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井工藝

目前，隧道掘進(jìn)機(jī)采用盤形滾刀實(shí)現(xiàn)全斷面破巖，一次完成隧道的開(kāi)挖和支護(hù)。能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)推進(jìn)、旋轉(zhuǎn)、超前勘探、破巖、巖屑的裝載、運(yùn)輸、支護(hù)(錨噴或管片)、注漿處理等工序。在長(zhǎng)距離、坡度和角度變化小的隧道施工中，其成巷綜合效率遠(yuǎn)高于鉆爆法[4]。

在水平隧道掘進(jìn)機(jī)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(kāi)挖和支護(hù)作用的豎井掘進(jìn)機(jī)。由于機(jī)械鏟挖式排渣不能運(yùn)用到豎井掘進(jìn)機(jī)，所以需要攻克豎井掘進(jìn)機(jī)的巖渣排除難題。

針對(duì)該問(wèn)題可采用液力提升和真空泵抽吸兩種方式實(shí)現(xiàn)上排渣。上排渣是指豎井掘進(jìn)機(jī)能夠從上向下，不借助其他輔助條件，一次掘進(jìn)成井。掘進(jìn)過(guò)程中鉆頭破碎的巖石，排到豎井掘進(jìn)機(jī)上部，進(jìn)行氣固或液固分離后，通過(guò)吊桶運(yùn)輸?shù)降孛?。下排渣豎井掘進(jìn)機(jī)需要具備井下巷道條件，利用反井鉆機(jī)鉆孔作為導(dǎo)井[8-9]，從上向下掘進(jìn)，鉆頭破碎的巖石通過(guò)導(dǎo)井溜到井筒下口排出。

本文研究的下排渣式豎井掘進(jìn)機(jī)，主要針對(duì)地質(zhì)條件較好、巖石穩(wěn)定或經(jīng)過(guò)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(jìn)出口和聯(lián)絡(luò)通道等。

根據(jù)豎井掘進(jìn)機(jī)及豎井工程特點(diǎn)，研究確定了豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井工藝(圖1)，包括溜渣導(dǎo)井鉆進(jìn)，采用BMC600型反井鉆機(jī)完成直徑1.2～1.8 m的導(dǎo)井鉆進(jìn)，用于豎井掘進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)，向下掘進(jìn)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(jìn)，利用吊盤進(jìn)行井筒支護(hù)作業(yè)。掘進(jìn)到豎井下部，提出并拆除吊盤，利用鉆桿和豎井掘進(jìn)機(jī)聯(lián)接，拆除鉆頭的擴(kuò)展部分，將豎井掘進(jìn)機(jī)整體提出地面，最后進(jìn)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(jī)鉆機(jī)、豎井掘進(jìn)機(jī)、新型井架、專用吊盤支護(hù)輔助作業(yè)，實(shí)現(xiàn)鑿井破巖、出渣、臨時(shí)支護(hù)、永久支護(hù)及鑿井輔助工作，形成新的機(jī)械破巖豎井鑿井工藝。

2 豎井掘進(jìn)機(jī)技術(shù)參數(shù)

豎井掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)鉆井直徑5.8 m，雖然豎井掘進(jìn)機(jī)鉆進(jìn)深度不受限制。但受到導(dǎo)井鉆井深度限制，只能鉆進(jìn)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(qiáng)度小于150 MPa的地層。采用鑲齒盤形滾刀破巖(通過(guò)更換不同類型的破巖滾刀，滿足巖石抗壓強(qiáng)度達(dá)到250 MPa巖石破巖鉆進(jìn))。確定鉆頭井底角為45°，通過(guò)計(jì)算需要布置42把滾刀。通過(guò)對(duì)滾刀、鉆頭受力和破巖能量分析，得出豎井掘進(jìn)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)，見(jiàn)表1[17-18]。

圖1 豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井工藝

編號(hào)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(jìn)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(jìn)機(jī)總體結(jié)構(gòu)

豎井掘進(jìn)機(jī)可以全機(jī)械化完成包括破巖、裝巖、運(yùn)輸、臨時(shí)支護(hù)、永久支護(hù)、處理等工序。豎井掘進(jìn)機(jī)采用滾刀擠壓破巖，需要對(duì)滾刀施加足夠的壓力和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。豎井掘進(jìn)機(jī)通過(guò)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(jìn)施加破巖壓力。變頻電機(jī)提供動(dòng)力，經(jīng)齒輪箱減速驅(qū)動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)施加破巖力矩。排渣，設(shè)計(jì)鉆頭為錐形結(jié)構(gòu)，破碎的巖屑沿井底錐形面滑動(dòng)進(jìn)入導(dǎo)井，下落到下部巷道，由下部運(yùn)輸系統(tǒng)裝運(yùn)。

根據(jù)鑿井工藝對(duì)豎井掘進(jìn)機(jī)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和方案選擇，通過(guò)對(duì)比設(shè)備重量和功率負(fù)荷等因素對(duì)以下4種結(jié)構(gòu)方案(圖2)進(jìn)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(jī)可形成整體框架結(jié)構(gòu)、多點(diǎn)支撐、變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)、行星+單級(jí)減速、四油缸推進(jìn)、錐形鉆頭破巖超前鉆頭糾偏。MSJ 5.8/1.6D豎井掘進(jìn)機(jī)主要結(jié)構(gòu)分為4部分，由上到下分別為控制平臺(tái)、支撐裝置、驅(qū)動(dòng)裝置以及破巖刀盤(圖3和圖4)。其中控制平臺(tái)安裝有泵站、控制臺(tái)、調(diào)頻啟動(dòng)柜等，并設(shè)置有人員監(jiān)控室。

圖2 不同豎井掘進(jìn)機(jī)總體結(jié)構(gòu)方案比較

圖3 豎井掘進(jìn)機(jī)三維設(shè)計(jì)圖

圖4 豎井掘進(jìn)機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

4 豎井掘進(jìn)機(jī)部件設(shè)計(jì)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(jìn)機(jī)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(jìn)力的作用下壓入巖石，鉆頭在驅(qū)動(dòng)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(lái)，最終在巖體內(nèi)鉆成井筒。為達(dá)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(jì)鉆頭井底角為45°。為方便運(yùn)輸，鉆頭體采用分體結(jié)構(gòu)，由六個(gè)主翼板和擴(kuò)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(jìn)機(jī)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(gè)超前孔鉆頭，可在導(dǎo)孔偏斜和塌幫的情況下進(jìn)行掃孔作業(yè)。

4.2 支撐推進(jìn)結(jié)構(gòu)

圖5 六翼鉆頭結(jié)構(gòu)圖

圖6 豎井掘進(jìn)機(jī)支撐推進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

支撐推進(jìn)結(jié)構(gòu)的作用是承受鉆進(jìn)破巖過(guò)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(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gè)支撐結(jié)構(gòu)。上圈橫梁上布置有四個(gè)推進(jìn)油缸，立柱上設(shè)有導(dǎo)向滑軌，動(dòng)力頭在推進(jìn)油缸的作用下沿立柱上下滑動(dòng)。豎井掘進(jìn)機(jī)的8個(gè)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(guò)油缸的伸縮，調(diào)整豎井掘進(jìn)機(jī)的鉆進(jìn)方向起到糾偏降斜的作用。8個(gè)支撐油缸分為上下2組，每組分裝的4個(gè)支撐板和支撐油缸，上下2個(gè)支撐部分結(jié)構(gòu)可進(jìn)行分段支撐，每一個(gè)支撐油缸也可單獨(dú)控制動(dòng)作。這種結(jié)構(gòu)能夠在減小鉆壓的情況下繼續(xù)鉆進(jìn)，有利于掘進(jìn)機(jī)通過(guò)不穩(wěn)定地層。

4.3 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

豎井掘進(jìn)機(jī)鉆頭主要破巖能量來(lái)自由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(圖7和圖8)，驅(qū)動(dòng)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(tái)功率為110 kW的變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)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(guò)4個(gè)小齒輪驅(qū)動(dòng)大齒輪旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)在經(jīng)過(guò)一級(jí)減速后，達(dá)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(jìn)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

圖8 豎井掘進(jìn)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)

4.4 豎井掘進(jìn)機(jī)電液控制系統(tǒng)

為達(dá)到豎井掘進(jìn)機(jī)破巖、方向控制的鉆井工藝需要，電控、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，首先要控制電機(jī)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(gè)分層8個(gè)支撐油缸的快速伸出或縮回、對(duì)稱油缸同時(shí)伸縮、每個(gè)支撐油缸獨(dú)立控制伸出或縮回以及伸縮距離，以達(dá)到調(diào)整鉆進(jìn)方向的目的，4個(gè)推進(jìn)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(cè)其運(yùn)行距離。液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)油缸和支撐油缸的比例供油(圖10)。

圖9 豎井掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)

圖10 豎井掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)

4.5 豎井掘進(jìn)機(jī)支護(hù)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(hù)，利用如圖11所示。

圖11 豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井支護(hù)系統(tǒng)

多層支護(hù)吊盤起到保護(hù)豎井掘進(jìn)機(jī)和進(jìn)行支護(hù)作業(yè)的目的，吊盤上的鑿巖機(jī)和噴漿機(jī)進(jìn)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(jìn)同時(shí)進(jìn)行井壁澆筑。在巖石條件較好時(shí)，先采用豎井掘進(jìn)機(jī)完成井筒鉆進(jìn)并進(jìn)行必要臨時(shí)支護(hù)后，拆除豎井掘進(jìn)機(jī)，由下向上再進(jìn)行混凝土井壁澆筑。

5 結(jié) 語(yǔ)

井筒施工作為礦山開(kāi)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(shí)間的大量的出渣、支護(hù)作業(yè)等使提升設(shè)備高強(qiáng)運(yùn)轉(zhuǎn)。井筒達(dá)到一定深度后，現(xiàn)有的提升機(jī)和鋼絲繩等難以滿足高強(qiáng)提升的要求，需要研究不同形式的豎井掘進(jìn)機(jī)，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?！?63”項(xiàng)目研制的有導(dǎo)井的豎井掘進(jìn)機(jī)，機(jī)械破巖代替爆破破巖，破巖、裝巖、支護(hù)實(shí)現(xiàn)平行作業(yè)，過(guò)程可控。豎井掘進(jìn)機(jī)研制成功，經(jīng)過(guò)廠內(nèi)檢驗(yàn)達(dá)到設(shè)計(jì)參數(shù)，還通過(guò)在不同工程條件下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)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(shí)，也為上排渣式豎井掘進(jìn)機(jī)研制打下基礎(chǔ)，通過(guò)努力必將改變鑿井技術(shù)工藝水平，促進(jìn)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(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目資助(編號(hào)：2012AA06A403)

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

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1004-4051(2017)05-0137-05