特厚堅硬黃土層立井掘砌快速施工技術(shù)＊

柴 敬 張文軒 袁 強(qiáng) 蔣旭升 劉 峰 孫 鵬 張萬彤

(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西省西安市，710054；2.西安科技大學(xué)西部礦井開采與災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實驗室，陜西省西安市，710054；3.甘肅煤炭第一工程有限責(zé)任公司，甘肅省白銀市，730913)

隨著我國能源開發(fā)利用強(qiáng)度加大，煤礦開采已由我國中、東部地區(qū)向西、北部地區(qū)轉(zhuǎn)移。我國西部地區(qū)地表覆蓋有大面積的特厚堅硬黃土層，局部黃土深度達(dá)到200～300m，黃土層深部以砂質(zhì)粘土、粘土為主，含黑色鐵錳質(zhì)結(jié)核、鈣質(zhì)膠結(jié)物的特硬 (f＝4)中更新統(tǒng)老黃土及古土壤，黃土層受埋深、高壓、溫度、土層膠結(jié)介質(zhì)等影響硬度增大，達(dá)到中等堅固巖石級別，其特殊的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件決定了礦井建設(shè)有其獨(dú)特的特點(diǎn)。表土施工方案選擇主要考慮工程的安全，往往成為立井施工的關(guān)鍵工程。井筒沿井深主要黃土層段擾動范圍、擾動土層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等參數(shù)的擾動變形特點(diǎn)決定了黃土層井筒的施工技術(shù)與方案。近年來，大量的新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備和新材料被應(yīng)用到礦山建設(shè)，加上綜合機(jī)械化配套設(shè)備和先進(jìn)的管理理念，使得建井速度和質(zhì)量都有了很大的提高。

1 工程概況

邵寨煤礦礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為180萬t／a，礦井采用立井開拓方式。邵寨井田位于隴東黃土高原南部，屬黃土丘陵塬區(qū)，井筒設(shè)計深度864.5m，其中表土段294m，基巖段570.5m，設(shè)計井筒凈直徑6.0m。表土段為雙層鋼筋混凝土井壁，壁厚為500mm／600mm／700mm／800mm，井壁混凝土強(qiáng)度等級為C40／C50／C60／C65。據(jù)鉆探揭露資料，表土段為第四系 (Q)揭露厚度平均292.83m，巖性主要為灰黃色、棕黃、褐黃色黃土，粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘土和粘土組成，含少量鈣質(zhì)結(jié)核，下部以砂質(zhì)粘土、粘土為主，含黑色鐵錳質(zhì)結(jié)核中更新統(tǒng)老黃土及古土壤，黃土層硬度增大，且部分黃土具有一定的濕陷性，與下伏地層呈角度不整合接觸。

根據(jù)井筒穿過的黃土層厚度和地層特性，0～-100m段施工時采用小型挖掘機(jī)挖掘，配合抓巖機(jī)輔助挖掘，3m3吊桶提土；-100～-294m段因為黃土層硬度增大，土質(zhì)特別堅硬，采用深孔松動爆破技術(shù)掘進(jìn)。

2 機(jī)械化施工配套設(shè)備及施工方案

2.1 施工設(shè)備

考慮到邵寨煤礦回風(fēng)立井井筒深、表土黃土層厚、荒徑大的特點(diǎn)，為實現(xiàn)快速施工，裝備了先進(jìn)的機(jī)械化鑿井配套設(shè)備，施工主要配套裝備如下:2JK-3.5／20主提升機(jī)1臺，JKZ-2.8／15.5A副提升機(jī)1臺，ⅣG型井架1座，3.0m3、1.0m3座鉤式吊桶各2個，TDX-2.0底卸式吊桶2個，SJZ-6.7傘型鉆架1臺，HZ-6B抓巖機(jī)1臺，KJTX-SX-1通訊信號裝置1套，UD250A-8、SA-120空氣壓縮機(jī)各2臺，DBJ60-ⅡNO.6局部通風(fēng)機(jī)2臺，ZL-50裝載機(jī)1臺，MJY-3.8／6金屬模板1套，DM系列臥泵3臺，MWY6／0.2挖掘機(jī)1臺，HZ6-50混凝土振動器6臺。

2.2 施工方案

2.2.1 0～-100m段施工

井口段采用挖掘機(jī)開挖、裝黃土，55kW調(diào)度絞車提升1m3吊桶提土，裝配式模板支模，混凝土輸送管下料澆筑的生產(chǎn)系統(tǒng)向下施工。施工到-20m后，安裝三層鑿井吊盤、中心回轉(zhuǎn)式抓巖機(jī)、固定盤、封口盤，形成防爆小型挖掘機(jī)挖土、HZ-6B中心回轉(zhuǎn)式抓巖機(jī)裝土、2JK3.5／20提升機(jī)和JKZ2.8／15.5A提升機(jī)雙套單鉤提升3m3吊桶提土，通過ZL-50裝載機(jī)將土裝入8t自卸式汽車運(yùn)土、DM臥泵排水、2m3底卸式吊桶下料、MJY-3.8／6整體下移金屬模板砌壁的快速機(jī)械化作業(yè)線，一掘一砌短段掘砌施工至-100m。

防爆挖掘機(jī)與抓巖機(jī)配合施工井壁，澆筑采用3.8m段高單縫液壓伸縮式下行金屬模板。掘夠澆筑段高后綁扎鋼筋，下放模板進(jìn)行澆注，豎向鋼筋采用螺紋套管連接，采用環(huán)向鋼筋綁扎。混凝土在地面混凝土集中攪拌站攪拌，并摻入BR-5型增強(qiáng)防水劑。通過混凝土專用運(yùn)輸車送至井口的卸料平臺，然后采用TDX-2.0底卸式吊桶輸送混凝土。

2.2.2 -100～-294m段施工

邵寨風(fēng)井黃土層深部含有鈣質(zhì)膠結(jié)物的特硬(f＝4)中更新統(tǒng)老黃土及古土壤，黃土層硬度增大，土質(zhì)特別堅硬，采用深孔松動爆破技術(shù)掘進(jìn)。

利用SJZ-6.7型傘鉆配以5.0m新型黃土層干式打眼螺旋鉆桿打眼、2號煤礦乳化炸藥、毫秒延期電雷管爆破、HZ-6B型中心回轉(zhuǎn)式抓巖機(jī)裝土、MWY6／0.2 型 防 爆 小 挖 掘 機(jī) 淸 底 修 幫、2JK3.5／20提升機(jī)和JKZ2.8／15.5A提升機(jī)雙套單鉤提升3m3吊桶提土、2m3底缷式吊桶下料、MJY-3.8／6整體下移金屬模板砌壁的快速機(jī)械化作業(yè)線，短段掘砌施工至-294m。其工藝流程為:傘鉆配特制螺旋鉆打眼→放炮與通風(fēng)→安全檢查→出土、平整工作面→下放模板刷涂隔離劑然后提起→綁扎鋼筋下放模板→測量找中校正加固→澆筑混凝土→裝巖出矸→脫模→清底→提盤、下放工作面風(fēng)水管路、下傘鉆做打眼準(zhǔn)備→下一循環(huán)。

3 特厚堅硬黃土層掘砌關(guān)鍵技術(shù)

3.1 深孔干式打眼技術(shù)

特厚堅硬黃土層深孔打眼技術(shù)是采用傘鉆配新型黃土層干式打眼螺旋鉆桿打眼，依靠螺旋鉆桿的軸向壓力和回轉(zhuǎn)力矩作用，鉆頭回轉(zhuǎn)切削巖土，巖屑沿鉆具的螺旋葉片上升至地面的干式作業(yè)成孔方法。鉆桿材料為42MnMo7，接頭材料為40Cr。鉆頭采用兩翼金剛石復(fù)合片鉆頭，直徑為56mm。螺旋鉆桿直徑應(yīng)比鉆孔直徑 (即鉆頭直徑)小10～20mm，以減小鉆桿與孔壁的摩擦阻力。經(jīng)過計算并修正確定為螺旋鉆桿外徑為50mm、螺距為30mm，螺旋鉆中心桿為34mm，根據(jù)鉆眼深度確定螺旋鉆桿長為5000mm，螺旋鉆結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，鉆桿與鉆頭通過六角套筒可拆卸連接。

圖1 螺旋鉆示意圖

新型黃土層干式打眼螺旋鉆桿在堅硬黃土層中的應(yīng)用具有以下特點(diǎn):

(1)由于螺旋鉆桿能及時輸出所鉆下的巖粉，無重復(fù)破碎現(xiàn)象，也沒有靜液柱壓力影響孔底巖石的破碎，在堅硬黃土層中鉆進(jìn)效率高。

(2)不使用循環(huán)沖洗液，實現(xiàn)了干式打眼，避免了常規(guī)濕式打眼在黃土層中難以成型、且成孔質(zhì)量差的缺陷，適于在嚴(yán)禁使用水法鉆進(jìn)的工程中使用。

(3)螺旋鉆桿回轉(zhuǎn)時，向孔壁擠壓巖粉，可在孔壁上形成一層較致密的泥皮，有加固孔壁、減少塌孔卡鉆的作用，實現(xiàn)了在堅硬黃土層中快速高效打深眼的目的。

(4)鉆進(jìn)中連續(xù)排粉，節(jié)省了提升鉆具的時間。鉆進(jìn)過程中振動、噪聲很小，不使用泥漿，減少了環(huán)境污染，改善了工作面作業(yè)環(huán)境。

3.2 特厚堅硬黃土層深孔松動爆破技術(shù)

松動爆破后的巖土松動而不飛散，能有效地控制飛石、振動效應(yīng)和沖擊波，確保爆區(qū)周圍環(huán)境安全，爆破后的巖石適合機(jī)械挖、裝、運(yùn)作業(yè)。采用深孔松動爆破技術(shù)掘進(jìn)，配合防爆挖掘機(jī)修幫，不僅可以改善作業(yè)環(huán)境和安全，而且可以降低材料的消耗，提高爆破效率。

炮眼采用復(fù)式直眼掏槽，炮眼呈同心圓布置，共五圈。具體為中心眼1個，眼深1.0m；第一圈掏槽眼8個，眼深2.2m，每個炮眼裝藥2節(jié)；第二圈崩落眼12個，眼深2.6m；第三圈輔助眼18個，眼深4.4m；第四圈輔助眼27個，眼深4.4m，每隔一個炮眼裝藥一節(jié)；第五圈周邊眼39個，眼深4.4m，每個炮眼裝藥一節(jié)，周邊眼距井壁留200mm的保護(hù)層，即中心線到周邊眼中心的距離為3700mm。每次打眼前當(dāng)班驗收員要用紅漆標(biāo)出巷道輪廓，定出眼位，爆破炮眼布置如圖2所示。在施工過程中，炮眼布置根據(jù)土層變化及時調(diào)整數(shù)量、深度、角度等有關(guān)參數(shù)。爆破采用全斷面一次爆破，炸藥采用二號煤礦許用乳化炸藥，藥卷規(guī)格?32mm×210mm，毫秒延期電雷管，連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)、反向起爆。起爆電源為380V動力電源，在井口設(shè)置閘刀經(jīng)井筒懸吊的放炮電纜起爆。

圖2 松動爆破炮眼布置圖

3.3 砌壁技術(shù)

砌壁采用3.8m段高單縫液壓伸縮式下行金屬模板，全方位澆筑，掘夠澆筑段高后綁扎鋼筋，下放模板進(jìn)行澆筑，采用TDX-2.0底缷式吊桶輸送混凝土。由于應(yīng)用了全方位澆筑技術(shù)，加快了立模速度，縮短了澆筑時間，配用風(fēng)動式振搗器振搗，保證了混凝土澆筑的連續(xù)性和井壁質(zhì)量、接茬質(zhì)量。

4 施工組織與管理

該工程采用短段掘砌單行作業(yè)施工法，按工序劃分確定專業(yè)班組。直接工分為打眼放炮組、出矸組、支模組、搗制組；輔助工分為機(jī)電維修組、運(yùn)輸組。直接工打眼放炮組實行分區(qū)定人、定眼位、定鉆分工負(fù)責(zé)制，其余相應(yīng)班組負(fù)責(zé)掃盤、出矸、脫模、穩(wěn)模、混凝土澆注和清底工作。直接工班組實行按工序交接班的滾班制作業(yè)方式，輔助工實行三八作業(yè)制；同時支模組、搗制組又承擔(dān)出矸、清底的任務(wù)。

實行項目經(jīng)理負(fù)責(zé)制，保證工程質(zhì)量、安全、工期、效益的綜合控制。在質(zhì)量控制上，建立質(zhì)量保證體系和崗位責(zé)任制，完善質(zhì)量管理制度，明確分工職責(zé)，落實到人。

5 結(jié)語

邵寨煤礦回風(fēng)立井井筒在180d的總工期內(nèi)安全連續(xù)完成掘砌井筒294m的特厚堅硬黃土層表土段施工。其中0～-100m段成井速度82m／月，-100～-294m段成井速度80m／月，實現(xiàn)了安全、高效、快速施工，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

(1)傘鉆配新型干式打眼螺旋鉆桿打眼，實現(xiàn)了干式打眼，解決了在濕陷性黃土層中難以成型、成孔質(zhì)量差的難題，同時降低了粉塵的擴(kuò)散，改善了工作面作業(yè)環(huán)境。

(2)在堅硬黃土層段采用深孔松動爆破技術(shù)，降低了爆破對井筒圍巖的人為擾動，井筒成型質(zhì)量高，提高了工作效率，有效解決了特硬黃土層掘進(jìn)難題。

(3)采用立井短段掘砌的施工支護(hù)工藝，段高合理，進(jìn)行永久支護(hù)及時，圍巖暴露時間短，施工安全，有效解決了支護(hù)與開挖段高的矛盾，確保了施工速度，實現(xiàn)了立井掘砌快速、安全、優(yōu)質(zhì)施工。

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