雙層金屬井壁施工馬頭門方法研究與應用

李 勇

八礦二號井井田位于河南省平頂山礦區東南隅，天安股份八礦井田最東端，礦井隸屬平頂山天安礦產股份有限公司。八礦二號井東靠許平南高速公路，西距許南公路3.5公里，距平頂山火車站約7公里，向西至寶豐火車站35公里，與焦枝線相連。以平頂山市為樞紐，公路溝通附近各縣市，并與四通八達的公路網相連，交通極為便利。

八礦二號回風井處于李口向斜和白石溝背斜交合地帶的東側，屬單斜構造，地層走向：中西部290°～295°；東部300°～320°；地層傾角6°～22°，斷層附近有些地方達30°以上。根據井檢孔及井筒落底層位顯示，設計馬頭門布置在己組礦層底板灰巖中，由于灰巖埋藏較淺，灰巖露頭容易與第四系底部卵石連通，灰巖裂隙發育有不均一性，出現灰巖水水壓較大，水量也偏大。

八礦二號井回風井井中坐標為：X=3734545.473，Y=38451035.263，中心自然地坪標高為：+75.6m。回風井風硐中心線方位角：83.81°，采用AD12/900型鉆機施工，井筒凈直徑為Φ6.0m，鉆井直徑Ф8.7m,鉆井深度為480.2m，支護采用預制鋼筋混凝土沉井井壁。 八礦井田內第四系覆蓋層較厚，地層由老到新為石炭系太原組、二疊系山西組、第四系地層。第四系地層為粘土夾鈣核，砂層，卵石，石炭系地層主要有石灰巖、泥巖、砂泥巖、砂巖及礦層。（見表1地質分析表）

表1 地質分析表

鉆井施工井筒深、井徑大，地質復雜，鉆井井深設計為480.2m，根據實際揭露礦層中的巖性，進入穩定基巖不少于10m。為保證井壁強度，54～93#井壁采用雙層金屬復合井壁（內層鋼板厚度σ14mm，外層鋼板厚度σ10mm，中間為鋼筋砼，井壁厚度700mm，見圖1）。

圖1 雙層金屬井壁支護圖

八礦二號井回風井二期施工首先要施工井底連接處，-391m回風大巷井底連接處為直墻半圓拱型斷面，開口處凈高4.8m，凈寬4.8m，掘進深度5m；設計方位角為289°，開口處掘進斷面S掘=28.3m2，S凈=20.57m2。掘進工程量289.5m3，襯砌混凝土81.43m3。馬頭門采用錨網索（噴）+雙層鋼筋混凝土復合支護，總支護厚度580mm，錨網噴80mm，鋼筋混凝土500mm。支護參數：錨桿采用22×2400mm高強樹脂錨桿，間排距700×700mm，每孔3卷Z2335樹脂藥，鋼筋網采用A6mm鋼筋焊接而成，網格80×80mm，網搭接100mm，錨索17.8mm×7.5m，布置于拱部，間排距1400×1400mm，5-5-5布置，噴C20混凝土厚度80 mm作為一次支護；永久支護鋼筋混凝土厚度500mm，縱筋、豎筋采用HRB500鋼筋，C20@300×300mm，聯系筋（拉筋）采用HPB300鋼筋，A10@600×600mm，鋼筋保護層厚度70mm，馬頭門的內外側縱向鋼筋必須與井壁內外側鋼板進行焊接，焊接段長度不低于300mm，襯砌混凝土強度為C50。

1 施工方案

八礦二號井回風井井筒凈直徑6.0m，深度480.2m，采用鉆井法施工完成后，需安裝一套馬頭門施工的提升系統。提升系統兼顧二期工程施工改絞選用，提升機為選用2JKZ－3.5/15.5型礦井提升機，井架為Ⅴ型鋼管井架，提升吊桶選用3m3座鉤式吊桶出渣（選用3m3吊桶是因為馬頭門施工時出渣量不大，且要兼顧方便人員、氣瓶等物品頻繁上下），提升用鋼絲繩采用18×7-Φ39-170-重要-不旋轉鋼絲繩，安裝臨時吊盤。出渣選用MWY6-0.3礦用液壓挖掘機。溜灰管采用Φ159×6無縫鋼管（排水管）兼作溜灰管下混凝土。當井筒涌水量小于10m3時，工作面的水用風動隔膜泵抽至吊桶內，由吊桶提升排至地面。排水管作溜灰管。當井筒涌水量小于10m3時，用D46-12×5臥泵排水，用2m3底卸式吊桶向井下混凝土。

八礦二號井回風井二期施工井筒與-391m回風大巷井底連接處（馬頭門）為直墻半圓拱型斷面，開口處凈高4.8m，凈寬4.8m，掘進深度5 m；設計方位角為289°，測量人員按馬頭門設計導入高程，給出中線、腰線，畫出馬頭門輪廓線后，將吊盤落至與馬頭門平齊的位置，將氣割用的氧氣-乙炔瓶組用吊桶運送至吊盤。作業人員將氣瓶從吊桶里卸到吊盤上，氧氣瓶與乙炔瓶保持足夠的安全間距且有專人看護。經過培訓合格的并取得特種作業資格證的氣割工用氣割割炬依次分片切割破除井壁內層鋼板。打眼放震動炮爆破破除中間的鋼筋混凝土砼，用礦液壓挖掘機二次破碎井壁間混凝土并完成向吊桶里裝渣。金屬井壁內層氣割爆破完成后，然后在兩側馬頭門分別氣割破除一塊井壁外層鋼板，用3.5m長鉆桿馬頭門沿輪廓方向及掘進方向打眼檢查壁后充填、封水情況，如壁后充填不密實，有涌水情況，則需注漿堵水，如無涌水滲水情況，則分片切割破除井壁外層鋼板，鋼板破除完后，正常鉆孔、爆破，錨網噴支護，出渣。當兩側各施工50m后，再按設計進行綁扎鋼筋、支模，對連接處兩側5m馬頭門部位進行綁扎鋼筋、支模板、進行混凝土襯砌永久支護。

附設備明細表。

表2 應用設備明細

21 局扇 2×30kw 臺 2 完好22 攪拌站 JS-1000、PL-1600套 1 計量齊全23 電焊機 17KVA 臺 2 完好24 園盤鋸 臺 1 防護完好25 信號照明綜保 4KVA 臺 3 完好26 單級泵 15KW 臺 3 完好27 臥泵 D46-12×5 臺 2 一用一備28 汽絞車 0.11 臺 1 完好29 溜矸倉 套 1 非標自制30 自卸車 10t 臺 2 場地排渣31 裝載機 ZL50 臺 1 多用途32 皮卡車 臺 1 材料采購33 全站儀 套 2 測量

2 施工方法

馬頭門施工需要破除的井壁為第90、91節鋼筋混凝土預制井壁，為C70雙層鋼板復合井壁，內層鋼板厚度σ14mm，外層鋼板厚度σ10mm，井壁厚度700mm，每節高度4000mm。由上而下按輪廓線分片施工，兩側連接處同時進行。

按照兼顧二期改絞要求，將2JKZ－3.5/15.5型礦井提升機、Ⅴ型鋼管井架（含天輪平臺布置、二層臺布置、翻矸系統、井口封口盤、吊盤等）、穩車、空壓機、攪拌站等按照平面布置圖安裝到位后，首先將吊盤下盤落至與馬頭門底板平齊，測量工程師將高程、方位點導入井下，并配合施工工程師用反光漆畫出馬頭門輪廓線。專業氣割工選用G01-100型割炬配3#割嘴，由拱基線向拱頂氣割。根據圖示，混凝土與鋼板之間密實，無縫隙。氣割時，將割嘴與鋼板平面平行略向下傾斜，使氧化物熔渣液順鋼板流下，避免割嘴垂直切割時氧化物熔渣液不能吹出造成回火。

按照輪廓線將金屬井壁切割開后，在內層金屬井壁馬頭門輪廓線內氣割出若干個“窗口”，外層“窗口”距輪廓線500mm，“窗口”間距600m，并將輪廓線內金屬井壁沿“窗口”分塊切割。在已割除鋼板的“窗口”處用YT28風動鑿巖機在裸露的混凝土井壁上鉆孔，深度以打到距內層鋼板50mm為宜，單孔裝藥長度150mm，裝藥位于洞口300mm以內，炮泥封堵剩余炮孔長度，采用毫秒延期雷管，分3段由里向外順序起爆，吊盤起升至距爆點20m高（先將吊盤起升到20m高度，再安排裝藥），作業人員撤離到地面安全地帶后，爆破員在地面啟動爆破電源引爆雷管炸藥。利用爆炸的威力將鋼板與混凝土振動分離，利于下一步的氣割作業。爆破后，開啟局部通風機通風30分鐘后，作業人員下至吊盤處，先灑水降塵。待工作面空氣及爆破揚塵達到良好條件后進行下一步的作業。灑水也有為鋼板降溫的作用，防止鋼板井壁溫度過高，燙傷作業人員。

內層金屬井壁鋼板受到爆破沖擊波以后，會翻卷、脫離混凝土，有利于氣割作業。割除翻卷的鋼板后（割除的鋼板及時裝入吊桶，提升至地面），將電動挖掘機下放至井底，先換上液壓破碎錘，清除井壁已經松動的混凝土及鋼筋骨架，待松動的混凝土和骨架骨架清理完畢后，換上挖斗，將混凝土塊裝入吊桶內，提升至地面。經過多次氣割、爆破作業、出渣作業后，露出外層金屬井壁（外圓筒鋼板）。在兩側馬頭門分別畫出輪廓線后。切割破除井壁外層鋼板，能夠下注漿封口管即可。先打設直徑Ф159mm的無縫鋼管作為注漿封口管，再用3.5m長鉆桿沿輪廓方向及掘進方向打眼檢查壁后充填、封水情況，如壁后充填不密實，有涌水情況，則需注漿堵水，無涌水滲水情況，則分片切割破除井壁外層鋼板，鋼板破除完后，正常鉆孔、爆破，錨網噴支護，出渣。

割除鋼板后的“馬頭門”施工屬于通用的施工方法，按照馬頭門穩定性控制機理研究，馬頭門斷面礦物成分差別較大，采用抗讓結合的支護方案，即在錨網噴支護的基礎上，對應力集中程度最大或巖性差的部位應采取補打錨索的辦法予以補強，并根據礦壓觀測情況采用二次錨注加固。抗讓結合允許圍巖有一定的變形，釋放部分變形能后，然后進行加固，可以充分發揮圍巖自載能力，提高馬頭門及其圍巖的整體穩定性，從而確保馬頭門處于穩定狀態。錨桿和錨索共同深入圍巖中，擴大了支護范圍，錨桿和錨索應力疊加，提供了極大的軸向力與切向力，提高不連續面的抗剪強度，阻止不連續面的產生、移動與滑動。通過提高結構面的強度來提高節理巖體的整體強度、完整性與穩定性。

錨注加固將錨噴支護與注漿加固技術結合起來，采用注漿錨桿來實現錨、注合一，對巷道破碎圍巖進行主動加固與支護。錨注加固形成加固拱結構，改善了破碎圍巖的物理和力學性質，巖體的黏聚力和內摩擦角得到了較大幅度的提高，從而提高了破裂巖體的承載能力。錨注支護充分發揮注漿圍巖的自承載能力，為巷道深部破碎圍巖提供變形性能好、高抗力的結構性約束，使巷道變形得到控制，保證巷道圍巖整體穩定。注漿加固巷道技術是利用漿液來充填和加固圍巖的裂隙面，提高巖體強度提供更好的圍巖條件，改善圍巖的巖性和應力分布，大幅縮小圍巖變形，減輕支護結構承受的外載壓力，改善支護結構的受力情況，大幅度提高圍巖穩定性，以充分發揮巖體的承載能力。注漿加固可以起到壁后充填加固的作用，注漿充填層變形能力較大，可吸收圍巖部分變形能及減小變形量，減少支護及圍巖變形的劇烈程度。

錨桿、錨索和錨注支護的作用互補的，可以單獨使用也可以聯合使用。由多種加固技術聯合形成的支護結構能夠有效改善破碎圍巖的物理與力學狀態，形成多層組合拱結構。聯合加困形成的拱結構具有較好的整體性、穩定的結構性、較高的承載力和較強的讓壓和抗變形能力有效阻止了圍巖深部塑性區的發展，為深部破裂巖體提供徑向約束，為深部破裂巖體應力強化創造了條件。

馬頭門掘進完成后，盡快進行鋼筋混凝土澆筑。碹骨拱架采用16#槽鋼加工，模板用10#槽鋼代替。木工用圓盤鋸加工所需的堵頭板、楔塊等。混凝土入模后用風動振搗器搗振均勻。

3 安全工作重點

雙層金屬井壁施工馬頭門的難點和安全風險點都在雙層金屬井壁的氣割、爆破拆除和井筒內挖掘機上下的吊裝作業，吊盤的頻繁起落及防止突涌水。

氣割過程中，嚴格制定氣割作業施工組織設計并經過批準，每次都要使用合格的割炬、火焰止回閥以及氧氣、乙炔氣帶。乙炔瓶需要安排專人看守，不能有乙炔氣體泄漏。氣割工必須是經過培訓并考試合格，取得特種作業許可證的專業氣割人員。氣割工作業前要穿戴好防護服，戴好防護目鏡和防護手套。氣割作業中氣割工要防止鋼液熔濺物流淌或飛濺到衣物里。同時還要防止混凝土經過高溫后的飛濺和爆裂傷人。安全保護人員密切注意氣割工作，發現回火，漏氣等現象發生，立即關閉乙炔閥門。同時準備好滅火器備用，一旦發生火災，立即撲滅。

金屬井壁間的爆破要控制炸藥的裝藥量，做到少裝藥，爆破效果起到讓鋼板井壁與結構鋼筋、混凝土分離，利于切割即可，同時考慮降低爆破對井壁馬頭門輪廓位置混凝土強度影響。防止裝藥過多，爆轟效果過大，破壞井筒內設施。每次爆破后要進行詳細的安全檢查，防止有殘藥殘管存留。一旦發現有殘管殘藥，立即按照盲炮處理措施進行處理。每次下放火工品，都要嚴格執行“管藥分離”的原則入井并嚴格執行《礦安全工程》等相關規程規定。

每次上下挖掘機前要認真檢查吊裝用的鋼絲繩繩扣，不得有彎曲、銹蝕、斷絲斷股超限的情況出現，保證符合《礦安全工程》鋼絲繩繩扣的要求。鋼絲繩繩扣每次打設好后要先試吊一下，確認平穩，重心均衡后方可井筒內上下吊裝挖掘機作業，提升速度要緩慢勻速。經過吊盤、井蓋門時，要有人觀察。挖掘機經過封口盤、吊盤喇叭口時，信號工要目接目送，絞車工操作提升機要勻速緩慢通過。提升鉤頭，提升鋼絲繩要每日認真檢查，安全狀態必須符合《礦安全工程》相關規定要求。

內層金屬井壁及鋼筋混凝土清理完畢后，在外層金屬井壁割出“窗口”。按照探水注漿措施要求進行探水作業，出現異常涌水后，要及時停止鉆探作業，注漿堵水。達到探水、注漿效果，經鉆探驗證沒有突水涌水風險后，按照割除內層金屬井壁的方法割除外層金屬井壁。探水作業前，孔口管一定要埋設牢固，安裝的閥門要達到耐壓等級，防止一旦突涌水無法正常堵水注漿。打探水鉆孔的作業人員要注意觀察鉆進及涌水情況，發現異常立即停鉆進行檢查分析，排除風險后方可進行后續作業。

由于馬頭門開口施工時需要吊盤頻繁起落，起落吊盤時，吊盤上除信號工、安全觀察員外其他作業人員應該升井。每次起落吊盤前對穩車各個部位進行詳細的排查作業。穩車的安全閘制動可靠靈活，各部位緊固螺栓要無松動退扣，蝸輪蝸齒無異常的磨損。穩繩排列整齊，無松圈散亂排列現象；穩繩輪轉動正常。吊盤起落到位以后要將吊盤調整平衡后進行固定。每次起落吊盤后要通知絞車房，讓絞車工重新標定吊盤的位置。

4 結論

國內鉆井法施工較少，雙層金屬井壁施工馬頭門施工也不多見，雙層金屬鋼筋混凝土預制沉井井壁開鑿馬頭門施工存在可燃氣體燃燒、火工品管理、立井提升吊掛管理等多處安全風險點和難點，查找國內外資料，關于此類工程的經驗總結較少，在此將八礦二號井回風井雙層金屬井壁施工馬頭門的施工方法總結出來，與大家一起交流，希望能在以后的類似工程施工中有所幫助。