液压伞钻在二号回风立井井筒掘砌施工中的应用

杨德凯 YANG De-kai；张志峰 ZHANG Zhi-feng

（中煤第一建设有限公司第四十九工程处，邯郸 056003）

0 引言

为了使井筒掘砌施工能够顺利稳定地进行，并保证施工技术的可靠性和先进性，综合考虑了工程地质条件、井筒设计技术特征以及凿井设备装备，并且结合笔者所在单位多年的施工经验，最终决定井筒掘砌施工采用立井综合机械化配套作业线，短段掘砌混合作业方法施工。表土及强风化基岩段采用人工配合挖掘机掘进；风化基岩和基岩段采用液压伞钻打眼，中深孔光面光底爆破。

1 矿井概况

胡家河煤矿位于彬长矿区中北部泾河东岸，属沟涧黄土侵蚀地貌，主要构成是：黄土塬、黄土梁、河谷平川。区内塬面较为平坦完整，周围有河沟切割，在平面图上呈花瓣状，梁呈长条形平顶状，梁顶宽度大小不等，横剖面呈穹隆状。沟谷地由河谷、干沟、冲沟以及发育在上述地貌各种坡面上的细沟、浅沟、切沟等组成。塬面海拔+1170～+1200m。胡家河煤矿二号回风立井隶属于陕西彬长胡家河矿业有限公司，位于陕西省咸阳市彬州市境内，设计生产能力为5.0Mt/a，回风立井设计标高+1177.90m，井筒净直径7.5m，井筒净深738.45m。

现场配备相应型号的液压伞钻，钻孔动作（回转、冲击、推进）由两台90kW 电机提供动力，配用型号为HYD-200 凿岩机，安装6 台凿岩机进行打眼施工，伞钻质量为12000kg。根据主提升能力确认计算，满足提升至井底使用的要求。

2 液压伞钻的优点和工作流程

液压伞钻主要由九个部分构成，分别为：液压凿岩机、推进系统、动臂、调高器、立柱、摆动架、支撑臂、液压水气系统、电气系统。与传统的凿岩设备相比，液压凿岩具有以下优势：①降低了钻杆成本：因为液压凿岩的参数可以进行调整，所以可以针对不同的岩石条件来选择最优的凿岩参数。另外，液压凿岩冲击应力波平缓，传递效率比较高，所以钻具和钎杆一般可以节约15%-20%。②降低了凿岩成本：与传统的气动压力相比，液压压力更大，高了将近10 倍左右。当受到同样冲击功率时，液压凿岩机活塞受力面积小，冲击活塞面积接近钎尾面积，应力传递损失小，受力均匀，而且液压凿岩机的寿命比较长，出故障机率比较低，所以其成本费与气动凿岩机相比，降低了30%左右。③节约了能源：与传统的气动钻机相比，电动液压系统所需的功率是气动钻机功率损耗的三分之一。由于功率损失小，因此节约了能源。④降低了噪声、改善了工作环境：液压凿岩不需要排除废气，因此便不会对环境造成污染，同时液压凿岩还能提高工作面的能见度，使工作环境得到改善。液压凿岩不排除废气，没有废气排放声，所以比气动凿岩相比，噪声降低了5-10 分贝。⑤凿岩效率更高、速度更快：通过实践经验可知，在同类岩石以及相同孔径的条件下，使用液压凿岩的凿岩速度达到了0.8-1.5m/min，与传统的气动凿岩相比，提高了两倍多。⑥施工质量得以提高：液压凿岩可以确保间距的精度和钻孔的深度，因此使工程的施工质量得到了提升。

其工作流程如图1 所示。

图1 液压伞钻工作流程

3 液压伞钻的参数确定

凿岩设备采用国产XFJD8.12 型伞钻，配备YGZ-70型导轨式独立回转凿岩机，伞钻重量及耗风量等主要技术参数见表1。

表1 伞钻重量及耗风量等主要技术参数

4 伞钻悬吊计算及伞钻梁选型计算

根据中煤一建49 处发[2019]179 号《立井筹备施工专项规定》第六条：井口伞钻钢梁，6 臂以下采用I40C 型工字钢，6 臂以上采用不小于I42C 型工字钢；钢梁固定方式采用断焊及螺栓固定，螺栓采用M20 以上螺栓，固定点间距0.5m，最大间距不得超过2m，钢梁两侧端头须加封闭挡板，并安装2 道U 型卡，中间不少于3 个固定悬吊点；吊装伞钻小跑车车轮与伞钻梁面接触面应大于小跑车车轮宽60%以上。

伞钻采用XFJD8.12 型伞钻，总重量12000kg。即重力F=12000×9.8=117.6kN

①钻梁选择计算：

均布荷载q=117.6÷5=23.52kN。

最大弯矩Mmax=（ql2）/8=（23.52×2.42）÷8=16.93kN·m；

梁的截面选择计算：

Wx≥（1.2Mmax）/（C* [σ]）=（1.2×16.93×106）/（0.9×170）=1327.84cm3

式中：

Wx—毛截面抵抗矩；

C—截面削弱系数，一般取0.9；

[σ]—钢材抗弯容许应力，对于3 号钢，按工作荷载计算时取170N/mm2。

根据计算结果选取I45a 型钢梁，其Wx=1430cm3≥1327.84cm3

符合要求。

②U 型卡拉拔力计算：

伞钻梁每个固定点采用两附U 型卡悬吊固定，U 型卡采用Q235 钢制作，每个卡子受拉力F=9.0/4=2.45t，查表得：31.21×2.45=76.46N/mm2，

76.46N/mm2＜[ε]=215N/mm2，经验算满足拉拔力。

[ε]-钢材极限抗拉强度。

③钢梁上安装购买的20t 滑车，采用钢丝绳套悬吊伞钻。

④伞钻悬吊钢丝绳选择：

1）钢丝绳端吊重：

伞钻重量：12000kg

2）钢丝绳的选择：

Ps=Q0/（110αB/9.81ma-H0）=3.64kg/m

试选钢丝绳：18×7+FC-Φ36-1770

绳单位长度重量：Ps=5.05kg/m

最小钢丝破断拉力总和：Qd=93082.95kg

钢丝绳自重：H0×每米重 Q绳=5.05×1.5=7.57kg

3）悬吊重=端吊重+钢丝绳自重

12000+7.57 =12007.57kg

4）安全系数校核：

m=Qd/（Q+ PsB ×H0）

m=7.75＞6；选钢丝绳：18×7+FC-Φ36-1770 满足要求。

5 伞钻的安装及使用

①为了确保工作安全，把伞钻入井需要注意的问题，提前和提升司机、吊盘、井口和工作面信号等的工作人员讲解清楚，以便更好地与之配合。

②伞钻上下井在进行挂钩转换时，必须把井盖门关上。

③伞钻通过吊盘喇叭口时，应停下由伞钻操作人员连接吊盘液压站与伞钻之间快速接头，并仔细检查是否有凸出部分碰到吊盘，及时进行收拢，然后继续下放伞钻，注意伞钻与吊盘间距离，以免拉断管路。

④下放伞钻到井底约0.3m 时，要停止下放，放好伞钻底座。应将伞钻移至井筒中央，坐于底座上，此时中心稳车绳将伞钻吊正。

⑤将吊盘上泵站与伞钻之间9 根管路连接，管路附着在中转绳上，每次打眼时悬吊下放到工作面与伞钻相连，9根管路分别为：冲击管2 根直径为25mm 压力为28MPa、回转管2 根直径为25mm 压力为28MPa、风水管路各一根直径为38mm 压力为32MPa、回油管2 根直径为60mm 压力为8MPa，泄漏管1 根直径为20mm 压力为36MPa。油管连接示意图如图2 所示。

⑥连接方法：首先将液压泵站管路连接好，每根管路上有闭锁，顺时针方向上紧，听见“咔”的一声即连接到位；9 根管路连接完毕后，通过吊盘信号工与地面信号房进行联系，开始慢慢下降中转绳，将管路下降至伞钻管路连接处，依次按顺序将伞钻管路连接到位。

⑦接通电源，电源从排水管附着下放到上层盘，电缆型号为：MY3×95+1×25，每6m 进行绑扎，启动油泵工作，供给压力油。操纵立柱油路阀升起支撑臂，伸出支撑爪，撑住井筒壁，整体伞钻垂直固定后放松稳绳少许使之扶住伞钻，确保安全。

6 爆破效果分析

采用伞钻打眼，深孔光面光底爆破。B25mm 中空六角钢成品钎杆，配合Φ55mm 十字形钻头，水胶炸药。雷管选用6m 长脚线毫秒延期电雷管，段号为1-5，放炮基线用14#铁线，放炮母线选用MY3×25+1×10 电缆，吊盘以下至工作面选用2 根4mm2单股铜芯电缆做母线，380V 专用放炮开关井上起爆。

施工过程中，当岩石硬度或断面发生变化时，需要根据现场的具体情况进行调整，使爆破效果达到最优。图3为非冻结段（-694～-738.45m）施工炮眼布置图；爆破原始条件见表2；爆破参数见表3；预期爆破效果见表4。

表2 爆破原始条件

表3 爆破参数表

表4 预期爆破效果表

图3 非冻结段（-694～-738.45m）施工炮眼布置图

2021 年开始井筒施工，2022 年结束施工，完成了732.4m 的掘砌，2022 年开始使用XFJD8.12 型液压伞钻打眼，进行爆破施工。炮眼深度4.4～4m，循环进尺4m，1 个掘砌循环24 小时内完成，比之前用的压风伞钻缩短了3 个小时，基岩段第1 个月（3 月份）磨合期成井就达到88m，第2 个月（4 月份）成井达到116m。无废气排放声音，噪声也降低了5～10db。

7 结语

使用XFJD8.12 型液压伞钻打眼，有效解决了基岩段深孔爆破问题，缩短了每个掘砌循环时间，而且节约了能源，降低了成本，改善了工作环境，提高了工作效率。