大斷面大垂高井底煤倉快速掘砌施工技術研究

姚依林

（中天合創能源有限責任公司門克慶煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

隨著煤礦向大型化發展，大儲量煤倉施工較多，大斷面垂直煤倉施工困難，進度慢，機械化提升困難，且煤倉一般均為礦井的咽喉工程，施工進度影響礦井投產或生產進度。門克慶煤礦位于鄂爾多斯呼吉爾特礦區，設計能力1200 萬t/a，為立井開拓，井底煤倉設計荒直徑10 m，凈直徑9 m，垂深超過40 m。在煤倉施工過程中面臨工期緊張、條件復雜、運料及出矸困難、施工組織復雜、外界干擾多、大型設備施展困難等問題[1]。同時，作為制約礦井投產節點的關鍵線路工程，給門克慶煤礦的煤倉施工提出了較高的要求。本文從提高施工效率入手，基于門克慶煤礦實際情況及施工安全，引用先進施工技術、高效設備，對勞動組織管理、工藝、技術方面進行優化改進，研究應用施工大斷面大垂高井底煤倉施工工藝，豐富煤倉施工技術，為類似條件下煤倉施工提供借鑒。

1 工程概況

門克慶煤礦現開采煤層為侏羅紀3-1 煤層，煤層賦存穩定，副井馬頭門埋深725 m。井底煤倉位于3-1 煤頂板，從上到下依次為粗砂巖、砂質泥巖、細砂巖、2-2 中煤、砂質泥巖、粉砂巖、細砂巖、砂質泥巖、細砂巖、3-1 煤。巖石的抗壓強度6～77.42 MPa，巖石較穩定，存在細小裂隙發育。煤倉上口淋水較大（最大約6 m3/h），煤倉為穿層巷道，含水層對煤倉施工主要表現為持續淋水滴水影響。礦井為低瓦斯礦井。門克慶煤礦井下煤倉設計荒直徑10 m，凈直徑9 m，設計高度41 m，煤倉容煤量約3000 t。煤倉形狀為圓形立式，初次支護均采用錨網支護，上下鎖口永久支護為鋼筋混凝土結構，主體段32.3 m 永久支護為混凝土結構，煤倉混凝土砌筑強度為C30，厚度500 mm。施工前煤倉上、下口配煤巷已提前施工完成，煤倉與上下口配煤巷成立體交叉布置，垂直貫穿于上下口配煤巷之間，人員、材料通過12°集中上倉斜巷到達煤倉上口。施工時副井永久提升系統形成，主提升為風井臨時提升系統。

2 煤倉施工方案

2.1 施工步驟

第一步：采用反井鉆機先行在煤倉中心位置鉆出直徑1.2 m 溜矸孔，將煤倉上下口貫通，作為溜矸、通風的通道。第二步：煤倉由上鎖口向下采用鉆爆法一次施工6.284 m 后，搭設腳手架綁扎鋼筋、支設模板，連續澆筑混凝土形成上鎖口。第三步：上鎖口模板拆除完成后主體段采用鉆爆法分段掘砌同步施工，段高2 m[2]。在一個循環后進行錨網初次支護，然后支模進行混凝土澆注永久支護，完畢后方可進入下一個循環。第四步：倉體掘進澆注完成以后（倉體最后2.5 m 只掘進不澆筑），大斷面與煤倉下口配煤巷貫通，擴刷裝載硐室至設計尺寸。煤倉漏斗口部分與裝載硐室連接部分要連續整體澆注混凝土。

2.2 施工設計及方法

1）煤倉掘進

煤倉主體段采用光面爆破技術，炮眼采用正向連續裝藥，全斷面一次裝藥一次起爆，毫秒延期控制爆破。由于提前利用反井鉆機施工直徑1.2 m 溜矸孔，增加了自由面，可增強爆破效果，同時可減少爆破對圍巖的擾動，利于煤倉圍巖的穩定[3]。倉身刷大初期要打淺眼，放小炮，若遇斷層或破碎帶時，應適當縮小眼距。巖性變化后根據爆破效果隨時調整裝藥量，以保證爆破效果和矸石塊度，防止堵塞溜矸孔。倉體斷面總共設計炮孔239 個，炮孔深度2.2 m，炮孔間排距如圖1。

圖1 煤倉施工炮眼布置平面示意圖（mm）

為了保證煤倉尺寸合格，施工時按照Ф10 m的荒斷面進行掘進，鉆爆循環進尺2 m。爆破后挖掘機出矸至溜矸孔，滿足一次澆筑段高時，開始進行錨網初次支護[4-5]。支護錨桿采用Ф22 mm×2300 mm 的全螺紋鋼錨桿，錨桿設計間排距為800 mm×800 mm，外露300 mm；樹脂錨固劑選用2卷MSK23/50 型，錨固力不低于50 kN，扭矩必須達到150 N·m；錨桿托板采用Q235 鋼板，規格150 mm×150 mm×10 mm；金屬網采用直徑為6.5 mm 的鋼筋焊制，網孔距為100 mm×100 mm。圍巖巖性較破碎時，調整錨桿間排距，增加支護密度，間排距縮小為600 mm×600 mm。

矸石通過溜矸孔落至煤倉下口后，通過裝載機或大型挖掘機裝矸至防爆無軌膠輪車，運輸至排矸地點，形成運矸系統，避免了大量矸石通過集中上倉斜巷運輸，大大提高了出矸效率[6-7]；支護材料、工器具通過集中上倉斜巷軌道運至煤倉上口；倉體內出矸用小型挖掘機，機體總質量3.6 t，機體長×寬×高=5165 mm×1620 mm×2450 mm。

2）煤倉砌筑

煤倉采用的是掘砌同步施工，一個段高臨時支護完成后即組織進行澆筑，澆筑段高2 m。每次澆筑前，首先下放中心線矯正模板，煤倉十字中心線檢查煤倉斷面，欠挖的地方用風鎬處理。煤倉倉壁砌筑時采用大尺寸金屬裝配式模板，模板為長×寬=1 m×1 m、厚50 mm 大模板。金屬模板采用螺栓連接，每個段高接茬處留有環形澆筑口。模板通過上鎖口25 kW 絞車提升，采用整體下滑式移動。堵嚴各處可能漏漿的縫隙，將模板固定牢固，然后開始澆筑，待混凝土凝固后（下一段高已經掘進完成），繼續通過倒鏈下滑模板至段高位置，模板校驗無誤，進行下一段高的澆筑[8-9]。混凝土要分層對稱入模，每次澆注高度300 mm，并派專人用震搗器搗固密實。

為了保證煤倉的連續澆筑和混凝土材料的便捷運輸，提前在煤倉上口施工一個直徑219 mm 混凝土輸送鉆孔（下套管）至煤倉下口，在煤倉下口安裝一臺高揚程、大流量輸送泵，通過鉆孔將混凝土輸送至煤倉上口，再經溜灰管送至澆筑位置。與通過集中上倉斜巷礦車運輸至煤倉上口的輸送方式相比，效率大大提高，工程質量也有保障[10]。

3）下鎖口施工

煤倉倉體掘砌至裝載硐室頂部后與裝載硐室貫通，開始進行裝載硐室刷擴、錨網索噴和鋼筋綁扎及混凝土澆筑。煤倉下口部分與裝載硐室連接部分要連續整體澆注混凝土。待硐室墻部混凝土達到一定強度后開始綁扎硐室頂部及煤倉漏口部分鋼筋，并立模板，同時安設預留件，經驗收合格后一次整體連續澆筑砼。

3 煤倉施工組織及效果評價

3.1 施工準備

煤倉上口合適位置布置一臺JH-20 回柱絞車，用于提升E635F 小型挖掘機（挖掘機機體尺寸：整體長×寬×高=5165 mm×1620 mm×2450 mm，機體質量3.6 t）和施工用吊桶，煤倉上口安裝提升用龍門及滑輪；煤倉下口配備大型挖掘機和裝載機。在煤倉上口施工一個Ф219 mm 混凝土輸送鉆孔（下套管）至煤倉下口，溜灰管通過鉆孔通至煤倉上口，溜灰管采用Ф219 mm 耐磨鋼編管，共布置一趟，長度為6 m/根，共計7 根，長度為3 m/根的4 根。煤倉內布置一根Ф12.5 mm 鋼絲繩，溜灰管固定在鋼絲繩上，每隔2.0 m 用卡扣與鋼絲繩綁扎在一起。各接頭處要用螺栓聯接牢固，與鋼絲繩連接至少兩副專用卡子。煤倉下口合適位置安裝一臺高揚程輸送泵，通過溜灰管將混凝土輸送至施工位置；提前準備掘進及澆筑的施工器具及材料，尤其要做好澆筑材料的準備工作，混凝土料根據需要量及配比在地面配好干料后，提前運輸至井下。

3.2 施工組織

煤倉采用的是掘砌同步施工，掘進的同時，每班有專人運料、整理物料及清掃巷道。為保證正規循環作業的完成，迎頭施工作業必須根據勞動組織的人員配備（表1），合理安排工序，在允許和安全有保障的情況下，工序和工序之間可選擇交叉進行、平行作業，以充分利用工作時間，提高工時利用率。

表1 勞動組織表

為了達到高效快速掘砌的目標，整個掘砌過程嚴格執行正規循環作業。倉體向下每刷大2 m 為一個循環，通過錨網臨時支護后，平整底板、滑模校模、連續澆筑，然后開始下一循環[11-14]。

倉體荒直徑10 m，每次爆破產生矸石量約200 m3，人工出矸效率低，勞動強度大。施工采用一臺E635F 小型挖掘機出矸，矸石從溜矸孔向下溜放至裝載硐室，經耙裝機裝卸、無軌膠輪車運輸，局部地點挖掘機不能清理干凈處，可以在2 h 內清矸完成，大大節約了出矸時間，減少了勞動定員[15]。

爆破過程中每循環打眼數量均超過200 個，若遇斷層或破碎帶時，應適當縮小眼距，炮眼施工耗時長。為了縮短時間，充分利用倉體斷面大、空間大的條件，至少均勻布置8 臺風鉆同時打眼，正常用時7 h 可以完成打眼工作。

為了提高光面爆破的效果，放炮周邊眼在硬巖中沿煤倉荒斷面輪廓線布置，在軟巖中在輪廓線以內50 mm 處點眼布置，眼底落在輪廓線處，超挖部分不得超過200 mm，欠挖部分及時用風鎬刷至設計要求。嚴格控制裝藥量，減少對圍巖的破環，同時合理選擇起爆順序和間隔時間，應先引爆輔助眼，最后起爆周邊眼，毫秒延期電雷管。

倉體澆筑是耗時最長、人員協調最復雜的一個工序。澆筑用的鋼模板重量大，人工拆裝效率低下，施工過程中借鑒了立井滑模工藝，整體下滑，快速安全[16]。煤倉下口布置的高揚程大流量輸送泵可滿足混凝土連續澆筑，但澆筑時特別需要注意混凝土堵管，控制混凝土的塌落度和石子的級配是關鍵。砼澆注應分層對稱進行澆注，每層厚度不超過300 mm。澆注砼應連續進行，間歇時間不得超過2 h，如超過時要首先用手鎬鑿成毛面，用水沖凈，鋪一層高標號水泥漿，然后再進行澆灌。該工序正常耗時9 h[17]。

設備正常、工序連續進行的前提下，通過調整部分工序，可以進一步縮短循環時間。挖掘機在倉體內出矸時，將挖掘機與臨時錨網支護人員分別布置兩側，可以使出矸、支護兩道工序平行作業，減少這兩道工序用時，由順序作業耗時8 h 降至6 h。

3.3 施工效果

通過對施工設計進行優化，應用先進施工工藝及設備，提高機械化水平，優化勞動組織，科學安排施工工序等辦法，提高了施工效率，驗證了合理施工工藝和先進設備在大斷面煤倉施工中的可靠應用，積累了大斷面煤倉快速施工的經驗。

借鑒立井井筒施工工藝，將反井鉆機、吊桶提升、滑模工藝、光面爆破技術優化并應用到煤倉施工中，解決了溜矸、重復拆裝模板的問題，節約了施工時間，同時通過合理安排勞動組織和工序銜接，掘砌同步施工，使工效達到最大化。

煤倉掘砌一次成巷縮短了圍巖變形時間，對煤倉的整體穩定性更有利。認真分析各工序間相互銜接關系，在確保安全的前提下，實現工序間交叉平行作業，實現掘砌同步施工，從而縮短循環作業時間，提高了施工效率。

膠輪車、挖掘機、高揚程砼輸送泵等機械設備的使用，人工成本和斜巷運輸成本大大降低，節約了時間，安全系數大幅提升。

應用上述先進工藝與設備，科學安排施工工序，嚴格執行正規循環作業，克服了存在的困難及各種不確定因素，解決了工序銜接與循環作業最優化的問題，實現了35 m 直徑10 m 煤倉主體（除上鎖口）施工至貫通用時26 d 的記錄，2 m 循環作業用時最短達到31 h。2 m 循環施工用時最優記錄對比見表2。

表2 煤倉2 m 段高正規循環施工最優記錄

4 結論

1）針對大直徑、大垂高的煤倉，提出新的施工組織設計，實現了35 m 煤倉主體施工至貫通用時26 d的良好記錄，2 m循環作業用時最短達到31 h，施工用時大大縮短，安全無事故，創出了新的大煤倉施工進度領先水平。

2）借鑒立井井筒施工工藝，將反井鉆機、吊桶提升、滑模工藝、光面爆破技術優化并應用到煤倉施工中；利用高揚程混凝土輸送泵送料代替了斜巷運輸砂石料，避免了大量集中上倉軌道運輸導致的效率低、砌筑材料供應不及的情況發生，保證了澆筑速度。

3）在煤倉內使用小型挖掘機出矸石，解決了人工出矸慢、效率低的問題；在煤倉下口使用大型挖掘機配合膠輪車裝矸，極大地提高了出矸速度，解決了矸石堆積的運輸問題。大型機械設備的使用，使人工成本和運輸成本大大降低，節約了時間，安全系數大幅提升。

4）施工中合理組織，保證各工序間銜接緊湊，在確保安全的前提下，科學安排工序間交叉平行作業，縮短了循環作業時間。煤倉工期縮短，人力成本降低，運輸成本降低，資源占用時間減少，首采面提前兩月投產，減少了投入，增加了收益，為同類大斷面井底煤倉施工提供了可借鑒的快速施工方案。