千米深立井建设施工技术及装备

千米深立井建设施工技术及装备中煤建设集团有限公司汇报人：陆伦7月25日山东泰安汇报内容1.立井建设技术装备背景概况2.千米深立井建设存在的问题3.目前千米立井建设取得的成效4.进一步建设深井存在的问题1立井建设技术装备背景概况1.1国外现状上世纪50年代中期，立井混合作业施工法；上世纪60~70年代，混合作业方法+凿井机械化配套技术，前苏联、波兰、德国、捷克、日本和加拿大等目前，国外深度已超过2000m，贵重金属矿井，一次整体施工、永久装备，不求工期，对国内深立井建设而言可借鉴经验不多。1.2国内现状“掘砌单行作业”“掘砌平行作业”“短段掘砌作业”1974年，煤炭、冶金、一机三部会战进入21世纪，立井施工技术和装备配套水平不断提高。29.2641.5654.1968.5101020304050607019801983198619891992199519982001200420072010立井掘进月进度米•月-1•个-1时间/年图1立井掘进全国平均速度2005年以来较上世纪有了较大提高，但平均月进度维持在65~66m/月，依然较低。自2005年后，立井井筒平均掘进速度由68.51m/月逐年降低至2008年的65.13m/月。主要原因是井筒掘进直径的加大导致单位进尺工程量的剧增、井筒建设深度的增加则造成施工效率的降低。2千米深立井建设存在的问题到2008年底，我国施工的立井井筒最深约1100m，主要施工工艺是短段掘砌混合作业，正规循环段高平均为3~3.6m；主要施工技术和装备配备是我国上世纪70年代“三部会战”时针对800m井深研制的大提升机配置大吊桶提升、中心回转抓岩机装岩、伞钻打眼、光面爆破、整体移动模板砌壁等。虽经多次改造升级，勉强完成工程施工，但仍无法满足现代立井井筒安全、高效、快速施工的需求。施工与技术水平亟待提高软硬冻岩；大断面、深孔凿岩爆破：大面积、大体量；低效益装岩清底：大段高；大水量、高水压注浆堵水：井壁维护：大体积、大温差；多裂缝相互影响大、受力复杂大硐室群：特殊地层：膨胀地层、破碎带、煤层提升系统：悬吊系统：凿井井架提升机高速吊桶掘砌系统：伞钻抓岩机模板大吊盘装备安全与能力严重不足存在的问题：工作面大段高预注浆大直径厚止浆垫施工技术大段高造孔施工技术大段高注浆施工技术3.1施工关键技术研发大断面深孔钻眼爆破硬岩、软岩、冻结岩土大断面、深孔爆破高效装岩清底施工挖掘机改造与井下作业挖掘-抓岩机协同作业技术井筒穿越特殊地层施工井筒穿越膨胀地层施工技术井筒穿越破碎带施工技术井筒穿越煤层施工技术井筒相邻特大硐室群施工先外围-后主体硐室群施工方案两侧倾斜上行双导硐施工技术先让后抗-先拱后墙围岩稳定技术3目前千米立井建设取得的成效立井硬岩爆破数值模拟（1）大断面深孔钻爆关键技术直眼掏槽掏槽圈径1.6m孔深5.0m孔径55mm堵塞1.5m斜眼掏槽掏槽圈径1.6m孔深4.9m角度7°孔径55mm总药量36kg自由面岩石加速抛掷历时6~8ms轴线自由面岩石抛掷速度9.53m/s岩石最大抛掷高度4.6m底部1/3岩石没有充分破碎自由面岩石加速抛掷历时6~8ms轴线自由面岩石抛掷速度22.8m/s岩石最大抛掷高度26.5m炮孔底部岩石充分破碎立井硬岩爆破现场试验（1）大断面深孔钻爆关键技术五公司施工莱新铁矿2#副井-500m标高以下闪长岩，f=18性能指标传统优化效果炮孔数/个1529438%总装药量/kg528394.4225%炮眼利用率80.5%90%9.5%循环进尺/m3.64.011%造孔缩短时间/h02.0节省时间形成煤炭行业（部级）工法《立井施工硬岩爆破液压伞钻凿岩工法》立井软岩、冻结岩石爆破（1）大断面深孔钻爆关键技术软岩：钻孔难、成孔难冻岩：冻结管安全、炮眼利用率低多段延时爆破控制技术周边眼耦合装药控制技术大药量炮轰波控制技术专用凿岩装备钻眼技术电液驱动挖掘机（2）高效装岩清底施工关键技术挖掘机改造改柴油驱动为电液驱动节能减排、改善环境形成煤炭行业（部级）工法《立井施工液压挖掘机与抓岩机配套装岩工法》挖掘机与抓岩机协同作业装岩、清底：快速、彻底安全、高效：人少、机械授权国家发明和实用新型专利2项止浆垫施工技术几何、材料、位置注浆孔造孔技术大钻机、小钻头；孔口防喷井壁保护技术加厚井壁(增强)、泄压孔(泄压)预埋加长孔口管(减压)等超大直径深立井：空间大、水压高，水量大（3）工作面大段高预注浆关键技术形成煤炭行业（部级）工法《深立井工作面预注浆施工工法》大段高止浆垫施工示意硐室群施工技术：“先外围-后主体”硐室施工技术：“两侧上行倾斜双导硐”围岩稳定技术：“先让后抗-先拱后墙”（4）井筒相邻特大硐室群施工关键技术硐室群施工顺序两侧上行倾斜导硐施工方案形成煤炭行业（部级）工法《高地压、软岩矿山大型硐室施工工法》图3-3木垛接顶示意图方木碹股固定锚杆预留岩柱木垛接顶12312233贯通分层反刷123（5）井筒穿越特殊地层施工关键技术过膨胀地层加筋布(即彩条布和锚杆锚网)接头钢管混凝土铺设钢筋网丝杠柔模布过破碎带释压槽泡塑板井圈过膨胀土层——可调高度砌壁模板：缩小段高——开槽、敷设泡塑板：释放变形——井圈-背板喷射砼：临时支护——高强、早强混凝土：强化支护过破碎带——井圈-背板加喷射砼支护——柔模体系与浇筑混凝土技术提升系统关键装备新大型凿井井架提升机变频集控高速大吊桶稳控掘砌系统关键装备液压、双联、大行程伞钻新型液压中心回转抓岩机可调大段高整体滑动模板3.2施工关键装备研制悬吊系统关键装备大直径变径吊盘大直径吊盘稳控稳车群集群控制安装与安全系统关键装备新型六层安装吊盘内壁施工辅助吊盘系列安全辅助装置提升-悬吊-掘进-砌壁-安装（1）提升系统——新型大型凿井井架新型VI凿井井架“日”字型天轮平台改为“目”字型天轮平台优化布局，改善受力井筒中心线井筒中心线（1）提升系统——新型大型凿井井架新型VII凿井井架（1）上“日”、下“目”字型双层天轮平台结构体系（2）新型“M”型支撑结构优化平台布局，改善受力状态增加悬吊设备数量，降低重心优化井架整体受力，增强稳定个+个型M+个型M+M型（1）提升系统——新型大型凿井井架新型VII凿井井架授权国家专利5项（发明3项、实用新型2项）性能指标V型VI型VII型VI效果VII效果适用荒径/m7.0-8.08.0-10.09.0-15.025%88%适用井深/m600-11001000-12001000-160010%45%角柱跨距/m16.016.017.5517.5521.021.010%31%天轮平台数/层112-100%天轮平台/m7.57.59.059.059.09.012.012.020%60%一层平台高/m10.310.412.0-16%工作荷载/KN4148.65590.06748.035%62%断绳荷载/KN5456.68590.011412.057%109%（1）提升系统——新型大型凿井提升机不同提升速度提升能力——卷筒：整体式、两瓣式——制动器：油缸后置式、盘形——控制：电液联合——离合器：径向齿块式调绳——联轴器：弹性棒销1015202530354045505502004006008001000120014001600提升能力m3/hH/m4m/s8m/s12m/s16m/s10203040506070020040060080010001200140016001800提升能力m3/hH/m3m³4m³5m³性能指标JKZ-4/17.82JKZ-5/18效果滚筒数/个12100%滚筒直径/m4.05.025%滚筒宽度/m3.04.033%最大静张力/kN25035040%最大静张力差/kN290最大速度/ms-16.948.6725%提升高度/m1500175316.8%提升不同吊桶提升能力（1）提升系统——提升机高压变频控制——NT型提升机网络化集散控制系统——四象限带回馈制动高压变频器控制变频控制系统提升机授权国家发明专利2项性能指标传统新型控制方式PLC交流控制网络化集散控制启动方式电阻启动，启动电流大软启动运行速度变速震动无极变速，平稳安全性过卷，过放多重保护能耗耗能大25%震动噪音大小自动化程度低高维护工作量高低提升机变频调控建井界首次应用（1）提升系统——高速大吊桶稳控吊桶横向摆动分析411.1210(())FxykTQxvq吊桶高速摆动分析模型吊桶质量/t激励/cm预紧力/t速度/ms-1最大位移/cm11557.51151013.611105611101011.28.51554.98.515109.38.511054.58.5110108.7155537.515510681510530151010568.555524.58.5551046.58.5510522.58.55101043.5吊桶横向摆动检测（1）提升系统——高速大吊桶稳控扭转测量张力测试（1）提升系统——高速大吊桶稳控吊桶防坠装置授权国家发明和实用新型专利6项防坠吊桶结构示意吊桶防坠滑架结构示意（2）悬吊系统——大直径变径吊盘授权国家实用新型专利1项——增加变径结构——设计方形喇叭口——可重复易连接立柱——多种稳控装置适于多层井壁便于机械上下便于重复利用移动稳定可靠性能指标传统新型效果适应荒径/m6.0-9.09.0-15.050~67%承载/kN200-400400-60050~100%层数/层2-3多层更安全变径范围/m-1.0-4.0更灵活喇叭口/m1.8-2.0圆形2.63.0方形更方便（2）悬吊系统——大直径吊盘稳控装置自动张紧平衡调控装置吊盘柔性稳控装置丝杆、弹簧、插销调节导向授权国家发明和实用新型专利3项性能指标传统稳控新型稳控控制装置千斤顶、丝杠、木刹等丝杆、弹簧、插销控制方式硬性调节柔性调节控制效果弯曲变形频繁更换人工操作安装简单重复使用自动调节多台稳车自动调平历史状态自动记录吊盘位置实时显示——基准稳车行程控制——矢量控制变频系统——变频工频旁路互换（2）悬吊系统——吊盘稳车群集控系统授权国家实用新型专利1项性能指标传统新型效果控制稳车最多数/个414250%调整时间比10.820%能源消耗比10.820%吊盘稳定受力不匀升降不稳倾斜碰壁易被拉坏行程控制自动调平变频调速减少冲击更稳定更可靠——优化驱动动力：YSJZ4.8型液压伞钻——扩展工作范围：XFJD6.11S型双联伞钻——加大凿岩深度：5.5m大行程伞钻（3）掘砌系统——新型系列伞钻大行程伞钻双联伞钻液压伞钻（3）掘砌系统——新型系列伞钻性能指标气动伞钻液压伞钻效果驱动压力比11010倍能耗比10.3366%转速/mmin-10.5-0.90.8-1.560%转速压力调节恒定可调成本比10.730%噪音/dB906050%性能指标液压伞钻双联伞钻工作直径/m8.614.670%性能指标液压伞钻大行程伞钻最大行程/m3.0-4.25.555~63%授权国家发明专利1项抓岩机抓斗（3）掘砌系统——新型全液压中心回转抓岩机授权国家发明和实用新型专利2项动力：由气动改电液增大容积减小体积降低重量性能指标传统新型效果动力形式气动液压节能、减排高效、环保动力/KW1206050%抓斗/m30.61.040%设备体积比10.2575%设备重量比10.6535%噪音/dB906033%（3）掘砌系统——大直径可调节段高整体模板受力分析模板结构——纵向：高度可调——切向：圆度可调性能指标传统模板新型模板效果直径/m5-88-1250~60%高度/m2.5-3.64.533~80%段高调节固定1.6+2.9m可调可调节圆度调节无法调节可调节可调节调节方式液压千斤顶液压油缸更可靠稳定性（悬吊点数）6833%更可靠授权国家发明专利1项（4）安装系统——新型六层安装吊盘盘面布置示意纵剖面示意授权国家实用新型专利1项——多层功能分区——一