新技术、新工艺在深井井筒施工中的应用

49新技术、新工艺在深井井筒施工中的应用

王曜祯1 孔祥安2 陈子剑3

（1.山东省煤炭技术服务有限公司，山东 济南 250032）（2. 山东省菏泽市巨野县柳林镇万福煤矿，山东 巨野 274922 ）

（3. 西南大学工程技术学院，重庆 北碚区 400715 ）

摘 要

万福风井井筒冲积层深厚，井筒断面较大，冻结法凿井施工中采用大功率挖掘机极大地提高了掘进速度，采用

钢纤维高强混凝土增强了双层井壁的抗裂性，成功实现了827m一次套注内壁，为深厚冲积层井壁施工提供了宝贵的经验。关键词

深井 施工 工艺 创新

中图分类号 TD262.1+1 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2017.08.024

1 工程概况

兖煤菏泽能化有限公司万福井田位于巨野煤田南端，其中心距离菏泽市约45km，距离巨野县城32km。矿井设计生产能力180万t/a。采用立井开拓方式，工业广场布置主井、副井、风井3个井筒。风井井筒净直径6.0m，井筒深度880.01m，井筒冲积层厚度753m，冻结深度840m，表土及基岩风化段采用钢筋混凝土复合井壁，基岩段采用钢筋混凝土井壁。

2.3 改进破碎扁铲，拓展了挖掘机的用途

破碎扁铲弯曲处理后，导引挖掘机动力方向，使其力量垂直向下，确保帮壁垂直度。改造后的破碎扁铲有2齿和3齿两种规格，足以适应不同地质情况。

3 CF80、CF90钢纤维高强混凝土的应用3.1 钢纤维高强混凝土特点

目前我国在400m以深深厚冲积层冻结法凿井工程中，井壁设计采用的是高强混凝土双层井壁。但是混凝土强度越高，其脆性越大，延性降低，当混凝土强度超过C70后，其脆性将变得突出，结构破坏的突然性变大，影响结构的安全使用。

为了改善高强混凝土延性差的特性，在混凝土中掺加钢纤维，与高强混凝土井壁相比，钢纤维高强混凝土井壁的塑性变形特征明显，其延性、抗裂性能好，韧性提高，井壁一般不会突然破坏。由于钢纤维的阻裂作用，井壁韧性的提高使得井壁内缘混凝土产生裂纹时仍能继续承载，极限承载能力也较相同条件下的高强钢筋混凝土井壁略高。

万福矿井冲积层总厚度达760m左右，仅静水压力即超过7MPa，冲积层底部与基岩风化带交界部位存在着厚度较大的含水砂层，随着井筒的延深及含水层的疏排水，竖向附加力逐渐增长，如仍采用以往的设计方法及常规的井壁结构，极易造成井壁结构的破坏。为解决复杂条件特厚冲积层对井壁的破坏，借鉴以往类似地质特征井筒施工过程井壁破坏的经验教训，设计首次采用CF80和CF90高标号钢纤维混凝土。

2 大型挖掘机在立井小断面施工中的应用

在以往同类立井作业施工中，多采用WND3.3或WMD5.5型挖掘机开展井下装岩作业，万福风井井筒施工率先使用MWD7.8型大型挖掘机，在井筒施工中发挥了巨大作用，在国内同行业处于领先地位。

2.1 动力更强，在冻结段施工效果明显

原用MWD5.5型挖掘机电动机功率为37kW,现用MWD7.8型挖掘机电动机功率为55kW。MWD7.8型大型挖掘机在挖掘坚硬冻土层、刷帮、装岩方面动力强劲，减少人工开帮强度，人工效率提高1倍。

2.2 挖斗体积更大，挖掘速度更快

原用MWD5.5型挖掘机挖斗体积为0.28m³，现用MWD7.8型挖掘机挖斗体积为0.5m³，MWD7.8型大型挖掘机在一次挖掘过程中，挖掘土方量增效0.22m³，挖掘速度增效显著。

2017-07-25收稿日期

作者简介 王曜祯（1980-），男 ，河北省顺平县，2017年1月10日毕业于西南科技大学土木工程专业，本科，现从事煤矿机电工程研究方向：煤矿工程的设计与施工技术。

3.2 CF80、CF90 混凝土配制要求

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（1）采用高强水泥、高质量掺合料、外加剂和骨料。

（2）严格控制混凝土拌和、运输、浇捣及养护。钢纤维高强混凝土配制不仅要满足高强混凝土强度高的需要，还要结合特厚表土层冻结井壁的特点，满足冻结井壁对混凝土的强度增长、防温度裂缝等特殊要求，以及能够满足工作性、基本力学性能、耐久性和经济性要求。

3.3 施工中容易发生的问题及处理措施3.3.1 和易性出现异常处理

当砂子、碎石的级配和细度模数与理论配合比出现差异时，混凝土的和易性可能出现异常。如碎石、砂子的级配不合理，可能出现混凝土离析泌水、包裹性变差等现象，此时应稍微增加砂率，但不超过10%，并减少碎石用量；相反，当砂子偏细导致细度模数变小，可能出现混凝土坍落度变小，粘度增加等情况，此时应稍微降低砂率，增加碎石用量。调整过程应少量调整，直至调整到合适的状态。3.3.2 混凝土坍落度和粘度异常处理

当混凝土出现坍落度偏大时，适当减少用水量，使坍落度控制在最大允许值内。当混凝土出现坍落度变小和粘度异常，调整砂率无效，砂子、碎石、外加剂的质量没有发现异常时，有可能是水泥需水量发生了变化，或水泥和外加剂的适应性发生了变化，此时应少量增加外加剂用量来调整坍落度和粘度，必要时微量增加用水量，同时按比例增加水泥用量，确保水胶比不变的情况下调整坍落度和粘度。3.3.3 溜灰管堵管预防措施

为防止浇注期间出现溜灰管堵管，采用10吋以上的铠装胶管，以保证混凝土能够顺利流入模板内；吊盘上配备4m长的吹风管，当混凝土流动性或和易性困难时，使用压风帮助混凝土输送；打灰前必须严格控制吊盘与模板之间的高度10m左右，防止铠装胶管打弯造成堵管现象。3.3.4 防止混凝土过震措施

由于高性能混凝土流态较大，现场试配时发现，振捣时间把握不准容易造成骨料和灰浆离析。现场试配结果显示，震动棒1次振捣时间控制在15~20s，之后应立即挪动震动棒，通过增加振捣棒挪动次数，减少单次振捣时间，减少混凝土离析现象。加强振捣工正规操作意识，加强监督检查，在吊盘下安装2部高清摄像头，时刻监督振捣工的操作行为。

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3.4 施工成果

经过现场多次取样，CF80、CF90钢纤维混凝土1d、3d、7d的强度分别达到了设计强度的35%、50%、80%以上，28d强度均超过设计强度115%以上；风井井壁光滑无裂纹，未出现蜂窝麻面现象，工程质量合格。

4 内壁一次套注施工

目前国内冻结法井筒施工中，大多采用金属组装模板套内壁。铺设塑料板、绑扎钢筋、组装模板、混凝土浇注都在吊盘上进行。由于存在立体平行作业，可能因施工组织协调不好，造成上下层作业相互影响和干扰，增加事故发生的几率。

4.1 内壁套注时吊盘功能设计

吊盘的工作盘自下而上分为四层：第四层盘作为稳模、浇注混凝土的操作盘；第三层盘作为绑扎钢筋的操作盘；第二层盘作为铺设聚乙烯塑料薄板的操作盘及分灰箱放置盘；第一层盘安设水箱并作为施工的保护盘。另增加两层辅助盘：第一层为保护盘，第二层为拆除模板和洒水养护工作盘。

4.2 优化施工工艺方法

（1）套壁期间，吊盘由凿井时的三层吊盘增加到六层吊盘（四层工作盘和二层辅助盘）。通过增加第四层操作盘和二层辅助盘，更能合理地安排各个工序平行作业。二层辅助盘的第一层盘作为保护盘，有效地抑制辅助盘的偏斜。

（2）提升控制开关移至吊盘，增加过卷保护。拆除后的模板提升时，传统的做法是吊盘上接受模板人员通过电话与地面提升机操作人员联系，下达升降、开停指令。这种做法常常会因作业环境嘈杂，使得指令传递不清，或者因地面提升机操作人员失误，提升模板不能及时停止，致使模板撞到三层盘或拉断钢丝绳，造成模板坠落伤人事故。

为避免此类事故发生，利用辅助盘和工作盘第三层盘之间的距离来确认提升过卷距离，当模板提升到距三层盘0.4m时，过卷开关动作，自动切断提升稳车电源，使其停止提升。吊盘升降后，只需对固定在提升钢丝绳上的过卷装置进行调整即可。

（3）加强施工管控，预防炸模。内壁施工金属组装模板的每节弧长1.2m，高度1m，模板之间采用高强螺栓连接。模板强度最薄弱部位为接头板位置，该处最容易变形，其次是水平及竖向连接部位。当某一连接部位受力、变形，造成模板失稳破

（下转第52页）

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基点机械式深基点位移计进行数据观察，每次观察后及时将数据记录下来，以40天为单位将孔内四个基点位移量采用曲线图进行绘制。

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内发生的位移量为2mm，在3~4m范围内发生的位移量为2mm。在观测期间，煤壁帮钻孔总的位移量为13mm，如图3所示。

2 观察数据分析

2.1 顶板深部岩层位移分析

在12501工作面皮带顺槽162m测点位置，顶板岩层在0~1.2m范围内发生位移量为9mm，在1.2~2.5m范围内发生位移量为6mm，在2.5~4.0m范围内发生的位移量3mm，在4~8m范围内发生的位移量为2mm。在观测期间，钻孔总的位移量为20mm，如图2所示。

图3 12501顺槽615m测点处煤壁帮深部位移曲线图

3 结束语

西山煤电集团屯兰矿矿建六队在施工12501顺槽巷期间，对巷道局部区段顶板及巷帮出现冒顶、片帮现象进行分析研究，对施工巷道局部地段采用四基点机械式深基点位移计进行实时监测，对观测的数据及时进行统计并绘制曲线图，直观的体现了巷道区段处深部岩层位移变化情况，为施工巷道破碎顶板及巷帮支护参数的选择提供有力的参考依据，实现了施工巷道顶板及巷帮深部岩层位移观察动态管理，取得了显著的成效。

【参考书目】

图2 12501顺槽162m测点处顶板深部位移曲线图

2.2 煤柱帮岩层深部位移分析

在12501工作面皮带顺槽415m测点处，煤壁帮岩层在0~1m范围内发生的位移量为5mm，在1~2m范围内深部岩层发生的位移量为2mm，在2~3m范围内发生的位移量为2mm，在3~4m范围内发生的位移量为1mm。在观测期间，煤柱帮钻孔总的位移量为10mm。

［1］ 罗庆贺. 花鼓山矿回采巷围岩变形规律及支护研

究[J]．江西煤炭科技，2009（2）：37-40

［2］ 王德章. 动压巷道矿压显现规律及支护技术[J]．

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［3］ 张一鸣. 掘进巷道顶板下沉动态观察研究[J]．现

代矿业，2014（3）：40-42

［4］ 李晓波.掘进和采煤时煤层巷道围岩位移的测量

[J]．山西煤炭，2010（4）：77-78

2.3 皮带顺槽615m处煤壁帮岩层深部位移分析

在12501工作面皮带顺槽615m测点处，煤壁帮岩层在0~1m范围内发生的位移量为6mm，在1~2m范围内发生的位移量为3mm，在2~3m范围

（上接第50页）

坏后，混凝土会靠自重冲出模板，并进一步破坏模板，从而造成炸模事故。

采取的措施：①严格控制混凝土的搅拌质量，采用溜灰管下料时，冲洗溜灰管水严禁进入模内（这种清洗水危害很大，易造成竖向同一位置混凝土缓凝）；②混凝土浇注及振捣过程中，应设专人观察下部模板是否变形，特别是第三、四、五节模板；③模板立模时所有扣件必须上齐，并设专人进行检查管理；④计划任务要安排合理，以每天施工不超过12模。

5 结语

万福煤矿深井施工中使用MWD7.8型大型挖掘机、钢纤维高强混凝土，采用内壁一次套注施工工艺，风井施工工程质量优良品率100%，实现了安全无事故，为类似地质条件的深井施工提供了宝贵的经验。

【参考文献】

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