板集風井井筒套壁方案優化與創新實踐

摘要：板集煤礦風井井筒套壁設計段高355米，每模設計套壁高度0.5m，由5塊鋼板組成一模，鋼板厚度35mm，鋼板縱、橫向連接采用全焊接連接，縱向焊縫設計為Ⅱ級焊縫。施工焊接工作量較大，施工周期較長且焊接質量要求高，傳統焊接工藝滿足不了設計要求。在施工過程中，通過不斷優化技術方案，跨行業引進焊接設備、采用新型焊接工藝，不僅大大加快了施工進度，提升了套壁質量，而且相對縮短了施工工期，取得了顯著的經濟效益。

關鍵詞：優化方案 新設備 新工藝 套壁質量 進度 經濟效益

1 概況

板集煤礦風井井筒設計深度795.5m，表土段（段高660m）采用鉆井法施工，地面預制井壁，漂浮下沉法成井?；鶐r段（段高135.5m）采用普通鑿井法施工。

受副井突水影響，風井井筒鉆井段井壁受到一定程度破壞。專家組根據風井井筒實際受損情況，經多次專題會議論證，決定采用全井深套砌內壁的方案修復井筒。風井井筒修復設計方案中，累深310m～665m（段高355m）采用鋼板鋼筋混凝土套壁，每模設計套壁高度0.5m，由5塊鋼板組成一模，鋼板厚度35mm，鋼板之間采用全焊接連接。設計套壁厚度為500mm，套壁后凈直徑為5.5m。鋼板鋼筋高強混凝土段套壁施工順序為：立模（鋼板）→找中線→穩?！附印鷿仓⒛?，以此循環作業。鋼板鋼筋混凝土套壁斷面圖見圖1，鋼板組裝見圖2。

圖1 鋼板鋼筋混凝土井壁套砌斷面示意圖

圖2 鋼板組裝平面連接示意圖

2 項目研究的現狀及意義

目前，國內外煤炭行業尚無同類型井筒修復及類似鋼板鋼筋高強混凝土套壁施工經驗。

地面立焊焊接試驗情況：一名熟練焊工采用傳統焊接工藝，在地面車間做35mm厚鋼板立焊縫焊接試驗，立焊縫坡口按設計要求打磨，焊接100mm焊縫用時67分鐘。按照設計每模套壁高度0.5m，5塊鋼板組模，計算每模鋼板環向焊縫長度為17.27m，立焊縫長度為2.5m。每模鋼板焊縫焊接時間為27小時55分鐘，即每模鋼板僅立焊縫焊接時間就需要近28小時。

鋼板焊接作業量大。風井鋼板鋼筋混凝土井壁段高355m，5條豎向焊縫合計1775m、710條環形水平焊縫合計12261.7m，其焊縫總長度超過萬米，鋼板焊接量大。

鋼板焊縫焊接難度大、速度慢。一是焊縫質量要求高，豎向焊縫設計為Ⅱ級；

二是豎向焊縫坡口寬度35mm，坡口深度為鋼板厚度的35mm，設計要求透焊、滿焊，人工傳統焊接工藝速度慢，且不能保證焊縫質量。

井筒內燒焊作業受空間和通風條件制約，經現場試驗，井筒內最多允許同時使用3把焊槍。因此，焊接工序是制約井筒套壁速度的主要因素。

研究如何減少鋼板焊縫工作量（減少鋼板焊縫長度），如何提高鋼板焊接速度，對板集煤礦加快井筒套壁進度，縮短套壁施工工期，減少井筒修復成本，實現技術經濟一體化具有非常重要和現實意義。

3、項目研究總體思路及實施技術方案

鋼板焊接工作量大和焊接速度慢是制約垂高355m鋼板鋼筋混凝土段井筒套壁的兩個主要因素，減少鋼板焊縫總長度和采用新的焊接工藝加快鋼板焊接速度，即可加快井筒套壁進度。

3.1優化套壁方案，大幅減少鋼板焊接工作量。

通過調查研究，施工現場實際條件，反復論證，我們對原設計方案進行了優化，具體優化方案與原方案對比如下表1。

表1 原方案與優化方案對比

組模高度（m）組模塊數（塊）立模次數豎向焊縫總長（m）水平焊縫總長（m）

原方案0.55710177512261.7

優化方案1.24528717754956.49

焊縫減少量（m）07305.21

從上表中可以得出結論：

（1）通過調整套壁鋼板組模高度，0.5m提高至1.24m（根據立焊機焊接行程高度最大1.5m和到貨鋼板寬度進行調整模板高度），減少了風井鋼板段套壁水平焊縫7305.21m，減少水平焊接工程量59.6%；

（2）組模高度增大后，大幅減少了鋼板制作、防腐、吊裝、立模、找正次數及焊接工作量，鋼板立模效率提高50%以上；

（3）施工吊盤層高4米，直徑5.2米，為保證鋼板吊裝施工安全，在吊盤施工以滿足鋼板吊運、轉移空間要求；通過對吊盤結構進行加固、吊盤結構和井筒懸吊設施復核驗算，確認井筒相應設施和設備滿足鋼板吊裝強度要求。并在二層吊盤圓周的下緣焊圓周接了環形跑道，跑道上按裝2個3噸跑車，用于鋼板的吊裝、轉移、就位、找正；

（4）綜上，通過方案優化，鋼板立模次數減少了423次，水平焊縫長度減少7305.21m，從而極大的減小了鋼板立模次數及焊接工作量。

3.2引進新設備、新工藝，加快焊接速度。

為提高鋼板焊接速度，我們通過外出調研，充分論證和反復比對后，將機械工業中氣電立焊與二氧化碳氣體保護電弧焊新工藝引進到板集煤礦井筒套壁施工中來，這在全國煤炭系統中尚屬首次，也是對煤礦行業技術創新的一次大膽嘗試。氣電立焊（英文簡稱EGW）技術（見圖3），是由普通熔化極氣體保護焊和電渣焊發展而形成的一種熔化極氣體保護電弧焊方法，其特點是焊接質量高，焊接速度快。通過地面模擬試驗非常成功，投入到風井井筒鋼板鋼筋混凝土套壁施工后，實現了立焊與橫焊間的平行作業，大大加快了鋼板的焊接速度。

以35mm厚鋼板焊接為例（模高1.24m），采用新設備、新工藝焊接，每模焊接時間僅需3.5h，而人工傳統焊接方式每模（模高1.24m）至少需要63h，按井下同時使用3把焊槍（受井筒通風量制約，允許最多同時使用3把焊槍）計算，需要21h，可見新焊接工藝焊接速度是人工傳統焊接速度的10倍以上，大大加快了鋼板鋼筋混凝土的套壁速度。

圖3 氣電立焊焊接運用

4、主要技術創新點

4.1 大膽對鋼模板的模高度進行改進和優化，大幅減少橫焊焊接量，簡化了施工工序，提高了井壁力學性能。

4.2 跨行業引進氣電立焊與二氧化碳氣體保護電弧焊新工藝，極大提高了焊接速度，加快了施工進度，在全國煤炭行業中尚屬首次。

5、工程應用情況及實施效果

地面模擬試驗成功后，我們嘗試將優化方案與新焊接工藝應用于井下套壁施工中，經過一周的磨合與過度，作業人員逐漸理順了工序，熟練掌握了操作方法，套壁施工由最初的37小時一模（模高1.24m）逐漸穩定至每天兩模左右，極大加快了施工進度，大幅節約了投資成本。

6、經濟效益分析

通過上述方案的優化，新設備、新工藝的引進，加快了鋼板焊接速度，使鋼板鋼筋混凝土套壁速度由年初計劃的0.6m/天，提高到2.5m/天，套壁速度提高到原計劃4倍以上，按此進度，風井鋼板段套壁（段高355m）工期將縮短261天（165/0.6+190/1.0-355/2.5=323）。因大幅縮短套壁工期，可減少井筒凍結費用（含電費）1780萬元，人工成本費1560萬元，設備租賃費505萬元，共計節省直接經濟投入3845萬元。