摘 要 从立井施工工艺的角度，提出了模板钻架的工作原理和结构，同时，给出了模板钻架的工业性试验结果。
关键词 立井施工 模板钻架 试验
凿岩是立井井筒施工中最繁重的工序之一，具有劳动强度高、施工环境差、施工难度大等特点，直接影响爆破效率和施工进度。目前，广泛采用的凿岩设备是手持式凿岩机和伞形钻架。伞形钻架的优点是配套使用重型凿岩机，机械化程度高，钻眼速度快，一次能钻凿4m的深孔，能很好地配合一掘一砌混合作业的施工工序，加快井筒施工速度；缺点是伞形钻架设备大、成本高，需用大井架和大提升机与之配套使用。手持式凿岩机的优点是使用灵活机动，成本低，维修方便；缺点是劳动强度高，只能打浅眼，增加了工序转换的次数。为此，我们提出充分利用整体移动模板已广泛推广的优势，研制一种结构简单、方便实用的可依附于模板的凿岩钻架，即模板钻架。
1 模板钻架设计方案
短段掘砌混合作业法是目前立井井筒施工中主要采用的施工工艺，一掘一砌是该工艺的基本特点，它施工安全、快速、不用临时支护。新钻架设计的主导思想是在深井和中小直径立井井筒中推广这种方法。在这类井筒中，存在着因伞形钻架重而使用大受限制、手持式凿岩机劳动强度高但效率低的问题。因此，研制一种保证使用性能、结构简单、重量较轻的钻架就显得十分必要了。新钻架满足如下要求：与一掘一砌作业方式相匹配；配套使用导轨式重型凿岩机；采用降低重量、简化结构的分离式结构(即由导轨式凿岩机组成的推进器为一组，支撑、移动推进器的动臂为另一组)；若干组(通常为3～4组)分离式机构均匀分布依托在整体大模板上。这样可实现动臂固定在模板上，凿岩时利用专用提升架将几组推进器送下井，完成凿岩工序后升井。凿岩时推进器可与动臂快速连接成数套单臂钻系统，既轻便又快速，这套系统可分区完成钻眼工作(图1)
该方案具有以下特点：
(1)提升重量轻、高度小，与现有中小直径井筒采用的凿井设备(井架、提升机)相适应。
(2)提升重量仅为推进器组和提升架重量之和，经计算不超过提升2m3吊桶的重量；提升高度小于6.5m，Ⅳ型井架即可使用。
(3)一次凿岩推进行程4m，达到了伞形钻架的钻孔性能，符合短段掘砌混合作业工艺中尽量加大掘砌段高、减少工序转换次数
①煤炭部重点科研项目(编号93—18)的要求。
图1 模板凿岩钻架示意
1-提升架；2-动臂；3-推进器；
4-凿岩机；5-液压系统；6-风水系统；7-模板
2 模板钻架布置形式与结构
整体大模板是钻架固定的基根。模板不仅起悬吊各个单臂钻的作用，还承受单臂钻频繁移位及凿岩时的振动力。通过计算，模板强度和刚度均能够满足安全施工的要求。
2.1 单臂钻数量的确定
根据国内外有关资料，立井钻架钻臂多为3～6臂，以4臂居多。每个钻臂所对应的最佳工作面积一般为7～15m2。模板钻架主要用于中小直径的井筒，通过分析和计算，以φ6m井筒为例，确定为4个单臂钻分区凿岩，如图2所示。
2.2 运动机构的确定
单臂钻的运动轨迹是以在模板上的固定点为中心，在规定的扇区范围内做切向和法向运动。为此设计了两组不同的运动机构：一组采用变幅液压缸，负责完成法向运动，液压缸设计较为简单，只要按动臂升降的幅度计算出几何尺寸，再计算出液压缸的伸缩力即可；另一组为简化控制，也采用液压动力方式，负责完成切向运动，此组机构固定在模板上，考虑到布置空间及防炮崩，设计成具有低转速、大扭矩的内摆线液压马达，摆动角为170°，以满足使用要求。
图2 单臂钻分区钻眼示意
1-井壁；2-模板；3-动臂；4-推进器；5-提升架
3 工业性试验情况
模板钻架在济宁运河煤矿主立井进行了工业性试验。该井筒净径φ4.5m，基岩段岩石以泥岩和粉砂岩为主，硬度系数f=6～8。在2个月的试验期间，共完成22个循环，钻炮孔516个，探水孔21个，累计凿岩深度为2 310m。钻凿炮孔时，每孔移位用2min，定眼位约用1min，打眼深度4m用5min，每循环纯打眼时间2h左右，炮孔钻凿质量较好，很少出现炮孔偏斜和卡钻现象。
整机性能设计合理，能满足立井凿岩施工要求。由于工程施工要求边掘进边探水，在打炮眼的同时还用其中的一个单臂钻打探水孔，探水孔深12m，边超前探水边进行井筒掘进，摸索出了用模板钻架打探水孔的新路子。试验表明，该钻架具有结构简单、操作方便、造价较低的特点，它除能打4m深的炮眼，还可钻凿12m深的探水孔，扩大了模板钻架的使用范围。
4 模板钻架的应用前景
4.1 模板钻架的优越性
(1)与模板配合使用，形成一个独具特色的简易掘进机组，工作安全，性能可靠。
(2)不受井架、提升机能力的影响，适用范围广。
(3)不受井深影响，可解决深井及超深井凿岩效率低的问题。
4.2 推广应用的适应性
(1)目前，中小直径立井井筒因设备布置及使用成本所限，主要采用手持式凿岩机施工。模板钻架解决了使用上的技术问题，降低了使用成本，与用手持式凿岩机相比降低了劳动强度，缩短了井下作业时间。因此，模板钻架在中小直径立井井筒具有很好的应用前景。
(2)模板钻架在深井施工中更能显示其优越性。目前国内千米以上井筒已有20多个，个别井深已达1 300m。随着开采深度的增加，井筒将会越来越深。模板钻架正好填补了这方面无相应凿岩机具的空白。
(3)模板钻架在打炮眼期间能同时打探水孔，一机多用，平行作业，从而可有效避免井筒施工时突水事故的发生。
4.3 经济效益分析
与手持式凿岩机相比，减少了作业人员，缩短了循环时间。济宁运河煤矿主井原来由10人采用手持式凿岩机打眼，改用钻架后，人员减少到5人，凿岩时间每循环由7h减少到4h，而循环进尺由1.5m增加到3.4m，提高了效率。与伞形钻架相比，仅为其价格的50%，而使用性能基本与之相同，达到高性能、低成本。这种钻架特别适合我国现有凿井设备和工人技术水平，为中小直径立井的机械化配套提供了一种很好的凿岩设备。由此可见，采用模板钻架进行施工的经济效益是十分明显的。
煤炭网版权与免责声明：
凡本网注明"来源：煤炭网www.coal.com.cn "的所有文字、图片和音视频稿件，版权均为"煤炭网www.coal.com.cn "独家所有，任何媒体、网站或个人在转载使用时必须注明"来源：煤炭网www.coal.com.cn "，违反者本网将依法追究责任。
本网转载并注明其他来源的稿件，是本着为读者传递更多信息的目的，并不意味着本网赞同其观点或证实其内容的真实性。其他媒体、网站或个人从本网转载使用时，必须保留本网注明的稿件来源，禁止擅自篡改稿件来源，并自负版权等法律责任。违反者本网也将依法追究责任。 如本网转载稿件涉及版权等问题，请作者在两周内尽快来电或来函联系。
网站技术运营：北京真石数字科技股份有限公司、喀什中煤远大供应链管理有限公司、喀什煤网数字科技有限公司
总部地址：北京市丰台区总部基地航丰路中航荣丰1层
京ICP备18023690号-1 京公网安备 11010602010109号
