厚風(fēng)積砂強(qiáng)富水地層斜井凍結(jié)法快速掘進(jìn)工藝

白云虎

(陜西中能煤田有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

長(zhǎng)距離、大斷面斜井掘進(jìn)本身就是國(guó)內(nèi)面臨的一大難題，表土段厚風(fēng)積砂、水量豐富地層，施工難度更大。袁大灘煤礦副斜井的凍結(jié)法施工工藝，刷新了國(guó)內(nèi)凍結(jié)法施工的日記錄和最長(zhǎng)記錄，豐富了凍結(jié)法鑿井技術(shù)支撐體系，為斜井凍結(jié)鑿井提供了成熟的經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

袁大灘煤礦位于陜北黃土高原北側(cè)，毛烏素沙漠東南部，全部被第四系風(fēng)積砂和風(fēng)砂灘地所覆蓋，砂層厚度平均約120 m。地形為西北高東南低，地下水位較淺，水量豐富。水文地質(zhì)勘探報(bào)告顯示，地表水位埋深1.18～2.51 m。袁大灘煤礦設(shè)計(jì)為主、副斜井結(jié)合中央進(jìn)、回風(fēng)立井混合開(kāi)拓。

該礦副斜井井筒全長(zhǎng)3 547 m，凈寬5.5 m，傾角5.5°，掘進(jìn)斷面39.7 m2，凈斷面21.8 m2，如圖1所示。副斜井表土層段長(zhǎng)911.3 m，其中明槽開(kāi)挖250.3 m，凍結(jié)段長(zhǎng)681 m，是目前國(guó)內(nèi)風(fēng)積砂層斜井凍結(jié)的最長(zhǎng)記錄。凍結(jié)段斷面為直墻半圓拱形，采用雙層井壁施工，工字鋼棚+鋼筋砼砌碹雙層井壁+反拱支護(hù)。

圖1 副斜井?dāng)嗝鎴D

2 掘砌施工工藝

2.1 施工方案

當(dāng)井筒頂、底、兩幫凍結(jié)壁達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)開(kāi)始掘進(jìn)，頂部?jī)鼋Y(jié)壁厚6 m，底板凍結(jié)壁厚4 m，兩幫凍結(jié)壁厚3 m。掘進(jìn)時(shí)采用綜掘機(jī)切割凍土，配合二運(yùn)皮帶排矸，二運(yùn)皮帶直接搭接無(wú)軌膠輪車(chē)，利用6 m整體滑膜臺(tái)車(chē)代替金屬組裝模板進(jìn)行澆注井壁。實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)、澆筑井壁、出渣的平行作業(yè)。工作面展開(kāi)后，副斜井井筒凍結(jié)段掘進(jìn)采用“三八”制作業(yè)方式組織施工。

掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)凍土?xí)r應(yīng)注意迎頭距外壁端頭不小于24 m，外壁端頭凍結(jié)管暴露時(shí)間不超過(guò)15 d，內(nèi)壁端頭凍結(jié)管暴露時(shí)間不超過(guò)20 d。掘進(jìn)機(jī)上下臺(tái)階掘進(jìn)10 m(上臺(tái)階5 m，下臺(tái)階5 m)后，人工清理出下臺(tái)階后8 m范圍采用18#工字鋼棚支護(hù)，工作面后18～24 m進(jìn)行反拱段施工(反拱段施工在二運(yùn)皮帶下方)，在反拱段后使用滑模臺(tái)車(chē)進(jìn)行6 m外壁澆筑施工(外壁段施工在二運(yùn)皮帶上方)，內(nèi)壁段距外壁段12～18 m處施工。掘進(jìn)施工過(guò)程中，確保反拱鋪設(shè)底拱(綁扎鋼筋)，外壁滑模臺(tái)車(chē)組立、內(nèi)壁綁扎鋼筋(滑模臺(tái)車(chē))平行作業(yè)，底拱、外壁、內(nèi)壁澆筑施工逐一進(jìn)行，如圖2所示。

掘進(jìn)工藝流程：掘進(jìn)上臺(tái)階(5 m)→掘進(jìn)下臺(tái)階(5 m)→架棚→噴漿。

澆筑工藝流程：反拱→外壁→內(nèi)壁。

平行作業(yè)工藝流程：反拱的清理(外壁滑模臺(tái)車(chē)拆除及組立)→反拱段鋼筋綁扎→底拱鋪設(shè)→反拱混凝土澆筑(綁扎內(nèi)壁鋼筋)→澆筑外壁(內(nèi)壁滑模臺(tái)車(chē)拆除及組立)→澆筑內(nèi)壁→反拱的清理。

2.2 掘進(jìn)工藝和流程

掘進(jìn)工藝：采用EBZ-160綜掘機(jī)全斷面上下臺(tái)階掘進(jìn)，循環(huán)進(jìn)度為5 m，凍土(砂)通過(guò)二運(yùn)皮帶進(jìn)入鋪好底板的后側(cè)區(qū)域，直接裝入12 t膠輪車(chē)運(yùn)輸出井。掘進(jìn)前應(yīng)根據(jù)中腰線畫(huà)出巷道切割輪廓線，分上下臺(tái)階掘進(jìn)，上臺(tái)階高度4 450 mm，長(zhǎng)度5 000 mm；下臺(tái)階高度2 000 mm，長(zhǎng)度5 000 mm。掘進(jìn)機(jī)每刀切割部深入巖體400～700 mm。大多數(shù)情況下，從工作面下角鉆進(jìn)，再橫移切割至底板另一角。切割斷面應(yīng)自下而上進(jìn)行，工作面的切割應(yīng)注意巖體的層理，切割時(shí)應(yīng)以左右橫掃切割為主，截割頭沿層理移動(dòng)切割阻力較小。最后刷幫整形，直至符合設(shè)計(jì)斷面要求。

圖2 掘砌施工方案圖

掘進(jìn)施工工藝流程：開(kāi)機(jī)前準(zhǔn)備→上臺(tái)階掘進(jìn)→下臺(tái)階掘進(jìn)→上臺(tái)階掘進(jìn)→下臺(tái)階掃底架設(shè)工字鋼棚→噴砼聯(lián)網(wǎng)臨時(shí)支護(hù)→下一個(gè)循環(huán)。

2.3 臨時(shí)支護(hù)

工作面掘進(jìn)達(dá)到10 m后，必須進(jìn)行架棚支護(hù)。架設(shè)好工字鋼棚后，使用木楔或木背板將鋼棚與井壁接幫接頂。進(jìn)行噴射混凝土臨時(shí)支護(hù)，每掘進(jìn)架棚5 m進(jìn)行一次噴射混凝土支護(hù)。噴射砼支護(hù)要將工字鋼棚與凍結(jié)壁之間噴實(shí)達(dá)到工字鋼的臨時(shí)支護(hù)作用。

2.4 底拱施工工藝

架設(shè)底拱之前，先人工將底拱清理干凈，按照設(shè)計(jì)中腰線將底拱預(yù)先架設(shè)好的腿棚焊接牢固。底拱連接牢固后鋪設(shè)底拱鋼筋，鋼筋采用連接件進(jìn)行連接。混凝土罐車(chē)運(yùn)送至井下砼輸送泵處，由HBTS80.16-110E型砼輸送泵輸送入混凝土澆注地點(diǎn)，為避免蜂窩、麻面、孔洞的出現(xiàn)，每澆筑厚度500 mm振搗一次，必須振搗至混凝土表面出漿為止(循環(huán)長(zhǎng)度為6 m)。

2.5 內(nèi)、外壁施工工藝

外壁澆筑段采用整體模板施工工藝，距底拱澆筑段端頭6 m，內(nèi)壁澆筑段距外壁澆筑段端頭12～18 m，內(nèi)外壁段長(zhǎng)6 m，內(nèi)壁鋼筋綁扎工藝按照鋼筋綁扎驗(yàn)收規(guī)范執(zhí)行。

待底拱凝固后，滑模臺(tái)車(chē)應(yīng)嚴(yán)格按照中腰線安裝，防止平臺(tái)扭轉(zhuǎn)和水平位移。整體模板通過(guò)液壓支撐系統(tǒng)升至設(shè)計(jì)尺寸后直接進(jìn)行混凝土澆筑。

3 施工組織

3.1 掘進(jìn)、出渣

在凍砂凍結(jié)程度達(dá)到設(shè)計(jì)后，采用挖掘機(jī)直接對(duì)凍砂試挖，由于凍砂粘結(jié)性高，硬度大，砂層出現(xiàn)結(jié)晶冰等，每次挖掘不斷打滑，掘進(jìn)非常困難。同時(shí)斷面成型極差，需人工用風(fēng)鎬二次刷形，掘進(jìn)排土需用挖掘機(jī)二次倒運(yùn)到無(wú)軌膠輪車(chē)內(nèi)，嚴(yán)重制約著掘進(jìn)速度。在使用EBZ160型綜掘機(jī)掘進(jìn)時(shí)，配合二運(yùn)皮帶直接將凍砂排入無(wú)軌膠輪車(chē)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了不間斷掘進(jìn)、排土作業(yè)，同時(shí)利用綜掘機(jī)斷面成形也有了極大的改觀，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，極大地提高了效率，日均掘進(jìn)進(jìn)尺達(dá)到5 m。

3.2 支護(hù)

采用傳統(tǒng)金屬組裝模板澆筑井壁，工人拆裝模板勞動(dòng)強(qiáng)度大，占用時(shí)間長(zhǎng)，安全環(huán)境差，井壁表面平整度較差，同時(shí)碹胎橫撐占用巷道空間，無(wú)法實(shí)施平行作業(yè)，不利于井筒的快速掘進(jìn)。在采用可移式6 m滑膜臺(tái)車(chē)整體支模，取得了較好的施工效果。滑膜臺(tái)車(chē)操作簡(jiǎn)便、整體剛度好、不易變形，保證了混凝土的澆筑質(zhì)量，顯著減少了巷道變形，杜絕了蜂窩麻面現(xiàn)象。同時(shí)降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，避免了施工干擾，實(shí)現(xiàn)了澆筑、掘進(jìn)的平行作業(yè)，提高了施工效率。掘砌井筒實(shí)踐表明，采用鋼模臺(tái)車(chē)整體支模澆筑功效比傳統(tǒng)模板高30%，裝模、脫模速度快2～3倍，所用人力是過(guò)去的1/5，臺(tái)車(chē)回收利用率高，節(jié)約成本[1]。

4 結(jié)語(yǔ)

袁大灘煤礦副斜井在采用綜掘機(jī)配合二運(yùn)皮帶排矸，內(nèi)、外壁滑膜臺(tái)車(chē)澆筑井壁，減少了各工序之間的干擾，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)、澆筑的平行作業(yè)，并于2016年8月份創(chuàng)造了月進(jìn)尺64.5 m的記錄，11月份創(chuàng)造了72 m的記錄。目前袁大灘煤礦副斜井凍結(jié)段已施工結(jié)束，井壁無(wú)明顯滲漏水現(xiàn)象，達(dá)到了預(yù)期效果，斜井凍鑿施工在袁大灘煤礦的成功應(yīng)用豐富了凍結(jié)法鑿井技術(shù)支撐體系，為斜井凍結(jié)鑿井提供了成熟的經(jīng)驗(yàn)。