全国千米深立井建设施工技术课件

1、千米深立井建设施工技术山东科技大学土建学院 林登阁 教授2019、8、17 山东邹城 学术讲座ACADEMIC COURSE主要内容：千米立井建设背景千米深立井施工面临问题千米立井关键技术与装备的攻关千米立井建设取得的成效我国煤炭资源90%以上依靠井工开采。近年来在东部、中西部地区千米深度的煤炭、金属等矿山资源的开发途径上，大量采用了千米深立井井筒的开拓方式。中西部地区在亿吨级矿区、千万吨级矿井的建设过程中，大量采用了大直径立井井筒。 1、千米立井井筒建井背景 深部资源的开发利用 高地温降温 大煤流的通道 大风流的通道 大设备流的通道满足要求:（一“深”一“高”三“大”）国家能源战略，在未来相

2、当长时期内是“以煤炭为主体、电力为中心，油气和新能源全面发展”，煤炭作为我国主体能源的地位短期内不会改变。第3次全国煤炭资源预测，埋深2000m内的煤炭资源总量为5.57万亿吨。已探明煤炭总储量中 65%以上埋深超过800m，其中8001200m范围内的储量约占总储量的四分之一。我国浅表煤炭资源已渐枯竭，目前煤矿正以每10年100300m的开采速度向深部延深。图1 立井掘进全国平均速度2019年以来建井速度较上世纪有了较大提高，但平均月进度维持在6566 m/月，依然较低。自2019年后，立井井筒平均掘进速度由68.51 m/月逐年降低至2019年的65.13 m/月。主要原因是：井筒掘进直径

3、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、千米深立井建设面临的问题深度：到2019年底，我国施工的立井井筒最深约1100 m。目前煤矿立井井筒深度达到1342米国外立井井筒的建设深度已超过2000m，最深井筒为南非贵重金属矿斯录桂登矿井，其井深达3480m。南非英帕拉铂金公司第16号立井工程井深1657m。工艺：主要施工工艺是短段掘砌混合作业，正规循环段高平均为33.6m；装备：针对800m井深以下井筒施工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工艺、装备遇到局限。虽经多次改造升级，完成工程施工，但无法满足千米立

4、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2.1 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

5、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、千米立井关键技术与装备的攻关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68ms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68ms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

6、破碎立井硬岩爆破现场试验 （1）大断面深孔钻爆关键技术莱新铁矿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（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

7、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（

8、部级）工法高地压、软岩矿山大型硐室施工工法木垛接顶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

9、系列安全辅助装置提升-悬吊-掘砌-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 新型VII凿井井架上“日”、下“目”字型 双层天轮平台结构体系 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型新型VII凿井井架性能指标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/m16.016.017.5517.5521.

10、021.0 10% 31%天轮平台数/层112- 100%天轮平台/m7.57.59.059.059.09.012.012.0 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/m3.0

11、4.0 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 吊桶横向摆动分析吊桶高速摆动分析模型吊桶质量/t激励/cm预紧

12、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 吊桶防坠装置吊桶防坠滑架结构示意（2）悬吊系统大直径变径吊盘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设备上下便于重复利用移动稳定可靠性能指标传统新型效果

13、适应荒径/m6.0-9.09.0-15.0 5067%承载/kN200-400400-600 50100%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/m1.8-2.0圆形2.63.0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性能指标传统新型效果控制稳车最多数/个

14、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

15、%性能指标液压伞钻大行程伞钻最大行程/m3.0-4.25.5 5563%抓岩机抓斗 （3）掘砌系统新型全液压中心回转抓岩机 动力：由气动改电液增大容积 节约能源 降低噪音 减少污染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 5060%高度/m2.5-3.64.5 3380%段高调节固定1.6+2.9m可调可调节

16、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（4）内壁砌壁施工双层辅助盘 立面布置采用两层刚性盘盘间采用刚性连接双层辅助吊盘作业性能指标传统吊盘新吊盘效果层数/层1-22方便连接方式柔性刚性稳定保护盘无有安全安全室无有安全安全性易翻盘稳定杜绝翻盘2019年9月6日，甘肃某矿采用传统辅助吊盘，发生翻盘事故，导致19个施工人员中10人死亡，9人受伤（5）安装系统新型六层安装吊盘盘面布置示意纵剖面示意多层功能分区一次安装协同现场地面安装性能指标传统新型效果层数/层2-36 5060%重复/次231 3380%安装时间/ 1/3安装质量多次安装影响垂

17、直度等指标一次安装更好安全性无保护盘有保护盘更安全不完全统计，2019年以来全国施工的立井和正在施工的立井：215个。1000米以上的立井井筒：32个。4、千米立井建设取得的成效序号工程名称井深/m净径/m地点1磁西副井1341.68河北峰峰2孔庄混合井10888.1江苏沛县3祁南二矿副井1063.58.2安徽宿州4祁南副井1063.58.2安徽宿州5祁南二矿主井1045.57.2安徽宿州6朱集副井10368.2安徽淮南7潘一二副井1034.28.6安徽淮南8新庄矿副井1025.39陕西宁县9恒源进风井10197安徽淮北10朱集西副井1015.28安徽淮南11顾桥风井1010.67.2安徽凤台

18、12口孜东风井10057.5安徽阜阳13核桃峪副井10059甘肃庆阳14潘三进风井10048.6安徽淮南15杨村副井10007.5安徽凤台24张集东进风井1027.57.2淮南凤台县25印度斯坦锌业公司混合井10537.5印度拉贾斯坦邦26双合主井1097.85.5山东鱼台27羊东副井1013.67河北峰峰市28梁宝寺主井1060.55山东济宁市39安居副井10086山东济宁30梁宝寺二号井副井1090.56.5山东济宁31信湖矿井副井1034.58.1安徽亳州32双合煤矿副立井1117.86山东济宁5个海外国家、11个省区的200多个立井井筒施工中成功应用与推广项目研究成果在 56 个 矿井

19、井筒施工中应用序号工程名称井深/m荒径/m净径/m开竣工时间施工时间/月1孔庄混合井108810.98.12019.12009.1122朱集副井103610.18.22019.72009.8133朱集西副井1015.29.282009.82019.1144顾桥风井1010.68.67.22019.72009.495口孜东风井10058.57.52019.72009.9146梁宝寺2#风井977.59.75.52019.92019.5207谢桥副井976.39.582019.92009.12168磁西主井971972019.52019.8159郓城主井95011.372019.92009.121

20、510潘一东回风井883.210.282019.72009.51011潘一东风井883.29.182019.62009.51112莱新铁矿2#副井832.4872019.92019.71213李粮店副井780.510.36.52019.32019.11814门克庆副井755.513102019.12019.11215赵固二矿副井739.510.96.92019.32009.51416母杜柴登副井71213.49.42009.62019.11917梁北混合井710.59.282019.92009.11418葫芦素副井704.712.9102019.12019.92019巴彦高勒副井644.512

21、.992019.52019.2920文家坡副井680.89.78.52009.82019.11521沙曲进风井633.79.682019.12009.11222屯留李村副井596.410.78.22019.12009.11223纳林河副井588.515.5102019.32019.1924纳林河2#副井588.415.510.52019.32019.1925孟村副井585.810.78.52019.62019.41126虎豹湾副井582.410.672009.22009.9727屯留南进风井576.6107.52019.12009.61728胡家河矿副井568.310.78.52019.920

22、09.61029麻家梁矿副井562.212.99.32019.122019.112330屯留南回风井557.79.97.52019.12019.11331准东二号副井545.410.99.52009.12019.61732金能副井53710.492019.62019.81433王村副井511.89.67.52009.122019.121234成庄回风井5009.482009.82019.21235察哈素矿副井481.512.69.22009.92019.5836马泰壕副井45710.49.22009.82019.5937磁西副井1341.610.282019.6至今38祁南二矿副井1063.511.78.22019.5至今39祁南副井1063.511.78.22019.5至今40祁南二矿主井1045.510.37.22019.3至今41潘一二副井1034.210.98.62009.4至今42新庄矿副井1025.313.492019.7至今43恒源进风井10199.472019.8至今44核桃峪副井100513.492019.9至今45潘三进风井100411.88.62019.9至今46杨村副井100097.52019.9至今47红四副立井