1 立井作业方式的现状与发展
50年代中期，国外已出现立井混合作业施工法；60～70年代，这种方法及凿井机械化配套技术得到大力发展，显出其优越性及潜力。据统计，前苏联、波兰等国混合作业法比例已达90%，德国为100%，捷克、日本和加拿大等国也已大量采用混合作业法施工，只有南非有部分井筒还采用手抱钻打眼、多层吊盘平行作业方式施工。在国外，混合作业法施工普遍采用深孔爆破一掘一砌正规循环的作业方式，循环进尺3.0～4.5m，平均月成井速度50～60m。
我国最早广泛使用的施工方式是单行作业方式。60～80年代掘砌平行作业曾在我国一些立井中采用，80年代中期以后很少采用。60年代短段掘砌作业方式在我国开始应用，至80年代已达施工井筒量的1/3左右。短段掘砌以模板砌壁高度为掘砌段高，取消临时支护，永久混凝土井壁紧跟掘进工作面。掘砌段高开始为1.0～1.5m，后期为2.0～2.5m。由于当时的工艺和设备不够完善，施工速度一直比长段掘砌单行和平行作业低。
掘砌安一次成井作业方式(井筒永久装备的安装工作与掘砌工作同时施工)的井筒施工布置比较复杂，必须在一定条件下方可采用，其施工井筒数量一直有限。
1974年以来，煤炭、冶金、一机3个部组织立井施工机械化配套攻关，相继研制一些大型凿井设备，但作业仍多沿用单行作业方式。到80年代初长段单行作业在我国仍很流行，其次则提倡平行作业。立井短段掘砌混合作业法及其配套施工设备的研究被列为国家“六五”重点攻关项目后，经煤科总院北京建井研究所与有关单位共同合作研究，形成了以伞形钻架、大斗容抓岩机和mjy型整体金属模板为主体的立井施工机械化作业线，使短段掘砌混合作业法成为一种工艺简单、施工安全、成井速度快、成本较低的施工作业方式，并很快被推广使用。
进入90年代，国内使用短段掘砌混合作业法施工的立井比例不断提高，目前已达到80%左右，施工中取得了较好的经济效益和社会效益。
2 混合作业法的研究及其配套技术
2.1 研究目的及内容
研究目的是在取消临时支护后，进行短段掘砌及与之相配套的伞形钻架、大抓岩机、整体下移金属模板等技术参数及其相互最佳匹配关系的研究。还包括4m深孔爆破、管子下料、早强混凝土等。使用该套技术在一般地质条件、涌水量不超过10m3/h的情况下，可不受断面及深度的限制而应用于立井普凿工程，使平均成井速度达到40～50m/月，掘进工效达1m3/工以上。
研究内容包括：①混合作业法总体参数及施工组织的研究；②深孔爆破技术的研究；③提高机械操作式大型抓岩机抓斗耐用性的研究；④整体下移金属模板的研究；⑤砌壁用早强混凝土的研究；⑥混凝土输送和浇灌技术的研究等。
2.2 试验情况
1987年在平顶山六矿北山进风井进行试验，井筒净直径为φ6.8m，井口标高为+38.7m，井深705.5m。主要配套装备：v型井架、瑞典htvd-3.5型提升机、jk-2.5/20型提升机、5～40t稳车16台、日本zc-3436型4臂伞形钻架、hz-6型中心回转抓岩机、2～3m3吊桶、排矸汽车、yjm-3.5/6.8型整体下移金属模板。采用3.5m段高一掘一砌正规循环的作业方式。
(1)凿岩爆破。伞形钻架上采用ygz-70型独立回转式凿岩机，φ25mm、长4 700mm六角形钎杆，φ55mm十字形钎头，全断面炮孔数量84～122个，打4m深炮孔。循环炸药量364kg(t100，t200和t300型煤矿水胶炸药)，采用特制的工业8号雷管。实际爆破效率达到87.95%。
(2)抓岩排矸。采用主提3m3吊桶不摘钩及副提2m3吊桶摘钩方式提升，出矸效率最高170m3/班，正常出矸130m3/班。井口座钩翻矸，2辆自翻汽车排矸。
(3)砌壁。用yjm-3.5/6.8型整体下移金属模板砌壁，全井完成171个循环，成井约600m，模板由3台10t稳车地面悬吊。混凝土搅拌站生产能力为25m3/h，混凝土输送采用下料管直接入模。
(4)排水及接管。因注浆效果差，井筒平均涌水量为54m3/h，配3套排水系统，由nbd型吊泵和80dgl7×75型吊泵通过吊盘水箱接力排水。压风管、排水管、供水管和风筒采用井壁预埋件井内吊挂，通常随井筒掘进，约30～40m进行一次接管工作，接管1次需1～2d。
(5)施工管理。三八作业制，实行正常掘进班与包机组相结合的劳动组织形式，伞钻、抓岩机的操作维修采用包机组形式。凿岩时，8名打眼工轮换作业，一般4名操作；出矸时，除抓岩机司机和信号工外，工作面还配有3～4人进行刷帮和清理浮矸；清底时，增至11～13人；砌壁4～5人。打眼、出矸时多余的井工在搅拌站备料。
正式试验时间为1988-05-08～1988-08-08，历经91d，完成39个循环，平均每个循环耗时59h(其中钻爆、出矸、砌壁和影响分别耗时640，1 530，535和835min)。爆破进尺3.43m，3个月共成井121.1m，平均月进尺约40.37m，工效约1.8m3/工，达到了国内先进水平。
2.3 研究成果
1988年10月，能源部科教司组织现场鉴定会，对国家“六五”重点攻关项目“立井短段掘砌混合作业法及其配套施工设备的研究”进行鉴定和验收，认为通过攻关研究使我国立井机械化施工水平接近国际先进水平。该项目成果被列为国家重大科研成果，1991年获能源部科技进步三等奖。
2.3.1 形成混合作业法成套技术
试验证实了4～5m无临时支护空帮凿岩、4m深孔爆破、管子下料、早强混凝土等配套技术和新工艺所构成的立井混合作业法是成功的，是一套技术工艺先进、机械设计配套合理、总体参数确定得当的方法。
2.3.2 找到了合适的工艺及参数
采用3.5m段高一掘一砌短段掘砌混合作业的深孔爆破、空帮高度、混凝土浇灌及工艺流程等工艺和参数是正确的，掏槽眼采用分段爆破，大直径(φ55mm)爆破，提高了爆破效率，且达到减震和抑制矸石抛掷、防止崩坏设备的目的。
2.3.3 施工设备合理
(1)钻架。以日本zc-3436型4臂伞形钻架为主，将其液压泵站改用国产泵站(tj9型风马达及cb-c18-fl型液压泵)，凿岩机改用国产ygz-70型独立回转凿岩机，操作简便、耐用，在整个试验期间未因其本身性能、结构及质量问题影响施工。
(2)抓岩机。采用hz-6型中心回转抓岩机，配置了dtzt-6型抓斗，提高了抓斗的抓岩性能和耐磨性。在其工业性试验期间，6个月抓岩17 630m3，抓斗主要零部件均未损坏，其性能优于原其他国产抓斗和日本进口抓斗性能。
(3)模板。所用模板有所创新：①断面设计增加了模板刚度；②减少收缩口1个，减少了脱模机构数量；③加大了模板段高(达到了3.5m)，减少了接茬数量；④采用了三角漏斗折页式浇注口，可保证井壁接茬处混凝土浇满密实；⑤新设计一种铁蓖工作台，不工作时悬吊在模板上口，工作时用支撑杆支撑即可形成1个环形浇注工作台；⑥实现液压脱模立模，脱模简单可靠。
2.3.4 社会和经济效益好
本次试验的立井混合作业法及成套技术中的设备及工艺参数配套合理，机械化程度高，改善了作业环境，减轻了工人繁重的体力劳动。
该项技术适应性好，无须临时支护，节省了材料、工时及费用，简化了作业程序，充分发挥了机械化施工效能，操作简单，节省了人员，加快了施工进度。与其他作业方式相比，掘砌段高小，作业成效稳定，便于管理，施工安全性好。试验期间平均月成井比计划进尺提高了18.39m，超产1m可降低成本5 479元，并节省临时支护费303元，试验期间超产经济效益为302 277元。整个井筒采用混合作业法施工可使工期提前13.58个月，总经济效益为183 494元。
3 混合作业法的应用与完善提高
3.1 列入原煤炭部“100推”重点推广项目
由于短段掘砌混合作业法的明显优点，被列入原煤炭部“100推”重点推广项目，并很快被全国基建单位逐步推广使用，全国立井采用混合作业法施工比例逐步提高，并创造出一批快速施工记录。
3.2 配套施工设备性能的完善提高
在完成立井短段掘砌混合作业施工配套设备研究基础上，“七五”国家攻关项目和煤炭行业科研项目中又将凿井设备井内吊挂、钻架、抓岩机和模板等配套设备进行单机性能的完善提高，使混合作业法适应性更强。
3.2.1 钻架研制和改进
研究成功与模板相配套的lbm型模板固定式凿岩钻架。该钻架高度低，可与小井架配套；提升重量较小，无须大提升机，可用于深井；稳定性较好，能打4m深炮孔，还可兼打12m深注浆探水孔，为工作面探水注浆开辟了一条新途径。该钻架结构新颖、设计合理、加工简单、使用可靠、适应性强，主要技术指标能满足施工要求，结构属国内首创，达到国内领先水平，具有很好的推广应用前景［2］。
同时将一批fjd-6型伞钻由气动操作改成全液压操作，并成功地在中小立井中使用。开发新型ygz-55型凿岩机与fjd-6a型伞钻配套，能实现兼打40m注浆孔。还对70年代进口的日本钻架进行了改造，降低高度、减轻重量，使之应用范围扩大，可在井筒直径φ5.0～8.5m中使用。
3.2.2 抓岩机改进和抓斗系列
对hz中心回转抓岩机的结构进行改进，研究成功了抓斗落地松绳具有自控装置和摆动液压缸油路闭路循环自润滑防污系统，使该抓岩机性能得到了提高。在dtzt-6型的基础上，研制开发了dtq系列通用抓斗，斗容为0.2，0.4，0.6m3，除在中心回转抓岩机上配套外，还可与长绳悬吊和吊盘悬吊抓岩机配套使用，其中dtzt-6型抓斗获原煤炭部科技进步三等奖。
3.2.3 mjy型系列多用金属模板
1989年以后，煤科总院北京建井研究所开始对mjy-3.5型整体下移金属模板性能进行改进，逐步实行系列化设计，并在全国大力推广使用。冻结法施工的井筒有内壁、外壁和基岩井壁段之分，所需模板直径也要相应改变，为此一般需加工3套模板以上；因此，根据需要研制了既能下行筑壁，又能上行套内壁的模板，并在浇筑外壁时可多次变径使用，使模板实现了多用途。mjy型系列多用金属模板，直径从4.5～8.5m分9个档次、高度从2.5～4.0m共分4个高度，按直径和段高不同排列组合为36种模板，已实现系列化(质量6.28～24.7t)；实现了变径设计，模板变径以冻结段内壁厚度为半径增量，把模板直径扩大到外壁直径，有些井筒模板变径2～3次；还可上行砌壁。
mjy型系列多用金属模板已通过鉴定，其技术水平达到国际先进，获原煤炭部科技进步二等奖，已在80余个井筒中推广应用，其中一模多用模板有10余套。应用mjy型系列多用金属模板月进尺突破100m的有近30个井筒。
3.2.4 混凝土分料器和振捣器的研制
新研制的qfh型混凝土分料器采用独特的伞型结构，液压缸调节支撑臂；双分料管360°转动；完全实现了对称浇注。既减轻了工人的劳动强度，提高了井壁浇注质量，又加快了浇注速度，降低了工程成本，有较明显的社会和经济效益，属国内领先水平。
znq-50型插入式高频振捣器采用气流式高速行星及高频摇滚结构，振动频率高(200～300hz),技术先进、结构简单、体积小、重量轻、摩擦阻力小、寿命长，主要技术性能指标在国内居领先水平。
3.2.5 凿井设备井内吊挂技术研究
井壁吊挂技术的研究，成功地将压风管、排水管、供水管和风筒吊挂在井壁上，减少了地面稳车数量，节省了大量钢丝绳。该项目获原煤炭部科技进步二等奖。
3.3 编入“井巷施工50项经验”
该技术除煤炭系统基建单位广泛使用外，在冶金、有色、化工和水电系统也逐步得到应用，创造出许多立井快速施工纪录。根据井筒和装备条件，因地制宜地在冻结表土段采用短段掘砌混合作业法施工，基岩段中灵活采用一掘一砌和多掘一砌等作业方式，同样取得较好的效果。原煤炭部“九五”期间“100推”续集重点推广项目中，把经过改进的配套施工设备列入。在新编的“井巷施工50项经验”中，把上述科研成果编入短段掘砌作业、伞钻打眼、中深孔光面爆破、整体模板筑壁和井筒管路吊挂等经验之中，这些必将对全国立井凿井技术进步和施工速度提高有较大的促进作用。
4 混合作业法施工成效和实例
4.1 立井凿井速度稳步提高
1980年初，上述3个部会战研制的凿井设备在30套立井机械化配套中先后投入使用，使煤矿凿井速度由1974年的16.2m/月提高到1986年的26.1m/月。1977～1987年有25次月成井破100m纪录。1988年以后，通过推行立井短段掘砌混合作业法及配套设备，使机械化凿井设备的效能得到充分发挥。1988～1997年有65次月成井破100m纪录，其中，1997年1a共约有25次。全国立井平均月进尺达45m以上，比1986年增加180%。涌现出一批当年开工当年到底的井筒，许多立井连续3个月月进超100m。1997年中煤建设一公司施工的11个井筒平均进尺达71.6m/月，达到国际先进水平。
4.2 几个典型的机械化配套实例
随着社会主义市场经济体制的建立和不断完善，煤矿开发建设走向业主负责制，井筒工程承包实行招投标方式，对立井凿井速度和质量提出了更高的要求。表1中列出的几例立井，均是在设计、施工中全面采用了短段掘砌混合作业法和配套设备进行快速施工，取得了高效的结果[5]。
表1 立井机械化配套实例
井筒
名称 | 井径
/m | 井深
/m | 作业
方式 | 钻眼机械 | 装岩机械 | 支护机具 | 装载提升机械 | 最高月
进/m | 平均月
进/m |
江西曲江
副井 | 6.5 | 917.0 | 短段掘砌 | fjd-6a伞钻配ygz-70凿岩机 | hz-6型抓岩机1台 | mjy-3.8型整体模板 | 主提zjk-3.5/20，副提jk-2.5/20 | 119.5 | 89.5 |
宣东二号
主井 | 6.0 | 829.0 | 短段掘砌 | fjd-6a伞钻配ygz-70凿岩机 | hz-6型抓
岩机1台 | mjy-3.0型整体模板 | 双提升机 | 141.0 | 121.2 |
宣东二号
副井 | 6.5 | 864.0 | 短段掘砌 | fjd-6a伞钻配ygz-70凿岩机 | hz-6型抓岩机1台 | mjy-3.0型整体模板 | 双提升机 | 141.0 | 105.9 |
| 付村副井 | 8.0 | 547.0 | 短段掘砌 | fjd-9a伞钻配ygz-70凿岩机 | hz-6型抓岩机1台 | mjy-3.0型整体模板 | 双提升机 | 120.1 |
甘肃海石
湾风井 | 6.0 | 732.0 | 短段掘砌 | fjd-6a伞钻配ygz-70凿岩机 | hz-6型抓岩机1台 | mjy-3.5型整体模板 | 主题3.5提升机，3m3吊桶 | 118.0 |
平顶山十
三矿副井 | 7.5 | 650.0 | 短段掘砌 | zc-3436型伞钻配ygz-70凿岩机 | hz-6型抓岩机1台 | mjy-3.5型整体模板 | 主提jkt2×3.5，
副提jk2.5/20，2m3吊桶 | 137.8 | 70.9 |
肥城曹庄
副井 | 6.0 | 412.0 | 短段掘砌 | fjd-9a伞钻配ygz-70凿岩机 | hz-6型抓岩机1台 | mjy-3.0型整体模板 | 双提升机 | 104.0 |
| 冷泉副井 | 6.0 | 746.5 | 短段掘砌 | tjys伞钻配ygz-70凿岩机 | hz-6型抓岩机1台 | mjy-3.3
型整体模板 | 主提2jk2×3.5，
副提jk2.5/20，2m3吊桶 | 120.5 | 66.3 |
平顶山十
一矿副井 | 6.0 | 783.0 | 短段掘砌 | zc-3436型伞钻配ygz-70凿岩机 | hz-6型抓岩机1台 | mjy-3.5
型整体模板 | 双提升机 | 102.0 | 62.0 |
甘肃海石
湾副井 | 7.0 | 783.0 | 短段掘砌 | fjd-6.7伞钻配ygz-50凿岩机 | hz-6型抓岩机1台 | mjy-3.0
型整体模板 | jkz-2.8/15.5a提升机，4m3吊桶 | 123.9 | 74.0 |
4.3 1997年凿井施工新突破
经过近10a的大力推广应用和不断改进提高，这项技术得到不断完善并趋于成熟。1997年月成井超100m的约有25次(表2)，其中许厂主副井和沙曲主副井当年开工当年到底，宣东主副井井筒仅用7个月就全部到底，平均凿井速度达100m/月以上。
5 结 语
立井井筒工程是矿井建设中的关键工程，随着开采深度的增加，新井开凿和老矿改扩建井筒施工正向深井过渡。“九五”期间，全国预计将有近200个井筒施工，其中，有近20个1 000m深井井筒，利用短段掘砌混合作业法为基础的深井机械化凿井已成为凿井施工建设发展的基本趋势。因此，大力推广并在实践中不断完善和提高现有凿井设备的性能和可靠性，研究和应用新工艺、新技术、新设备，必将使我国凿井施工技术和装备能满足矿井建设现代化的需要。
表2 1997年创月进尺超百米的井筒纪录
| 序号 | 井筒名称 | 施工单位 | 井径
/m | 井深
/m | 作业
方式 | 平均月
进尺/m | 超百米月
进尺/m | 创造时间
/年*月 | 次数 |
| 1 | 河南梁北主井 | 鸡西局工程处 | 5.0 | 685.0 | 混合 | 91.3 | 112，102，148，106 | 1997.8～10，12 | 4 |
| 2 | 金桥副井 | 江苏基建1处 | 5.0 | 496.0 | 混合 | - | 113.5 | 1997.8 | 1 |
| 3 | 江西曲江副井 | 中煤49处 | 6.0 | 917.0 | 混合 | 89.5 | 119.5 | 1997.1 | 1 |
| 4 | 宣东主井 | 中煤49处 | 6.0 | 829.6 | 混合 | 105.9 | 141，133，110 | 1997.9～11 | 3 |
| 5 | 宣东副井 | 江苏基建3处 | 7.0 | 847.0 | 混合 | 121.2 | 101，141，130.8，120 | 1997.9～12 | 4 |
| 6 | 长治沙曲进风井 | 中煤10处 | 5.0 | 285.0 | 混合 | 71.2 | 102，101，103.60 | 1997.8～10 | 3 |
| 7 | 长治沙曲回风井 | 中煤10处 | 5.0 | 285.0 | 混合 | 67.5 | 102 | 1997.12 | 1 |
| 8 | 许厂主井 | 中煤31处 | 4.5 | 337.9 | 混合 | 56.5 | 110.6 | 1997.3 | 1 |
| 9 | 许厂副井 | 中煤31处 | 5.0 | 322.5 | 混合 | 50.4 | 103.6 | 1997.1 | 1 |
| 10 | 孟加拉副井 | 江苏基建公司 | 7.0 | 306.6 | 混合 | — | 115.1 | 1997.7 | 1 |
| 11 | 新集西风井 | 中煤29处 | 5.5 | 510.0 | 混合 | — | 128 | 1997.1 | 1 |
| 12 | 政宏主井 | 中煤31处 | 4.0 | 207.0 | 混合 | — | 102 | 1997.12 | 1 |
| 13 | 新兴立风井 | 七台河局工程处 | 5.0 | 510.0 | 混合 | — | 103 | 1997.5 | 1 |
| 14 | 古城副井 | 新汶局工程公司 | 6.0 | 754.0 | 混合 | — | 112 | 1997.8 | 1 |
| 15 | 田庄立井 | 中煤71处 | 5.0 | 混合 | — | 101 | 1997.1 | 1 |
| | 合 计 | 25 |
