礦井建設(shè)含水砂層施工方法

公維強(qiáng) 任文

山東華新建筑工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 山東泰安 271200

1 工程概況

煤礦井筒掘砌方位：136°08′24″；巷道坡度：-17°；井筒總長(zhǎng)度1400m；主井井筒掘進(jìn)斷面31.75m2，凈斷面為21.15m2；副井井筒掘進(jìn)斷面28.14m2，凈斷面18.25m2；明槽段，雙層鋼筋砼支護(hù)，支護(hù)厚度為500mm，鋪底砼厚度為300mm單層鋼筋防水混凝土+200防水混凝土，基礎(chǔ)片石砂漿厚800mm；暗槽段采用29U型鋼配合Φ8mm鋼筋網(wǎng)加防水砼支護(hù)作為永久支護(hù)，砼厚度為500mm。超前支護(hù)采用超前排管，超前排管由φ25×2500mm螺紋鋼制作，間距200mm，每架棚做一次超前支護(hù)。

2 砂層施工臨時(shí)支護(hù)形式

2.1 超前排管臨時(shí)支護(hù)

井筒砂層頂板不易維護(hù)，易坍塌，故借鑒隧道管棚施工方法，采用超前排管（φ25鋼管）+29U鋼支架+焊接3mm鐵板作為臨時(shí)支護(hù)。施工技術(shù)要求：（1）超前排管采用Φ25mm，長(zhǎng)2000mm鋼管；29U鋼支架；焊接3mm鐵板；（2）超前排管沿U鋼支架外輪廓布置，間距200mm，上揚(yáng)5°，即超前排管施工角度-12°，并以該U鋼支架為支點(diǎn)，另一端在砂層中；（3）第一排（奇數(shù)排）超前排管與第二排（偶數(shù)排）超前排管，管間距錯(cuò)開(kāi)100mm；以保證每架棚的超前排管法線方向間距為100mm，水平投影間距小于100mm；（4）奇數(shù)架每排23根排管，偶數(shù)架每排22根超前排管，除暗槽開(kāi)挖外的正規(guī)循環(huán)確保砂層頂板有不少于三層超前排管的臨時(shí)支護(hù)；（5）采用短段挖掘+臨時(shí)支護(hù)方法，挖掘段長(zhǎng)控制在500mm，暗槽初期6～8米距離內(nèi)U鋼棚間距為330mm，然后可根據(jù)幫頂情況調(diào)整間距成500～800mm。超前排管作用：開(kāi)挖后約束砂層因重量造成坍塌，提高超前排管與砂體承載能力，緩解砂體自重壓力，爭(zhēng)取U鋼支架支護(hù)時(shí)間[1]。

2.2 “冰”凍結(jié)法施工

抗壓強(qiáng)度：加載速率一定條件下，一定范圍內(nèi)抗壓強(qiáng)度隨著溫度降低而增大，達(dá)到最大值后，隨著溫度繼續(xù)下降，抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，溫度-35℃時(shí)冰體抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值6.89MPa；劈裂抗拉強(qiáng)度：冰體的劈裂抗拉強(qiáng)度隨加載速率的增加稍有增大，冰的劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到極大值時(shí)，隨加載速率的增加，呈下降趨勢(shì)，溫度-40℃時(shí)冰體劈裂抗拉強(qiáng)度的最大值3.31MPa。“冰”凍結(jié)法作用：利用冰的強(qiáng)度固定井筒仰坡砂層，及利用冰的強(qiáng)度在砂體上制造人工冰墻作為處理潰砂的支點(diǎn)。其它方式：借鑒土建中腳手架搭建操作平臺(tái)和臨時(shí)支護(hù)、焊接U鋼拱支護(hù)迎頭等臨時(shí)支護(hù)。

3 含水砂層臨時(shí)支護(hù)綜合應(yīng)用

3.1 仰坡潰砂空洞治理

明槽進(jìn)暗槽過(guò)程中，主、副井輪廓線外右上角均有因水作用砂流失而造成的空洞。主井空洞與地表貫通，副井空洞在砂層中，危險(xiǎn)更大。該空洞在進(jìn)暗槽前應(yīng)及時(shí)處理，以避免空洞垮塌沖擊井筒，影響井筒質(zhì)量，甚至造成人身傷害。（1）主井仰坡潰砂空洞治理。施工要求：利用水的滲透性、冰的強(qiáng)度和鋼管導(dǎo)熱性好的特點(diǎn)，靈活掌握打入花管及澆水速度，及每層草袋澆水結(jié)冰后再鋪下一層草袋澆水，以保證冰墻的強(qiáng)度。施工方法：加工4寸花管，尖頭段0.5m部分均勻打孔→花管間排距0.5m→花管隨打入隨注水滲透，外露0.5m，施工三排四列→花管打入部分結(jié)冰后，在花管間鋪草袋，澆水凍結(jié)→順序鋪澆至花管頭，形成寬1m長(zhǎng)2m的冰墻→在砂層上，以鋼管為骨架的冰墻作為支點(diǎn)穿鋼軌→在鋼軌上打木垛封閉潰砂空洞→在潰砂空洞中注入砼充填。（2）副井仰坡潰砂空洞治理。施工要求：淋/澆水均勻，以保證冰體臨時(shí)支護(hù)的強(qiáng)度。施工方法：潰砂空洞面淋水凍結(jié)，再澆水結(jié)冰形成臨時(shí)支護(hù)→利用腳手架由外向內(nèi)永久支護(hù)→以迎頭U支架作為支點(diǎn)，用木板、木材封閉潰砂空洞→在注砼口注入砼充填。主、副井潰砂空洞外部，井筒回填時(shí)即可充填。

3.2 仰坡砂層治理

在疏干井降水和明槽開(kāi)挖深度的作用下，地下水位下降，仰坡砂層含水量下降，隨明槽開(kāi)挖砂層隨流淌，造成仰坡隨開(kāi)挖深度的加大而加寬現(xiàn)象。施工要求：利用水的凝固點(diǎn)/冰的熔點(diǎn)、冰的強(qiáng)度，撐控淋/澆時(shí)間，即白天最高氣溫-6℃，淋水/澆水可滲透到砂屋中，夜間最低氣溫-35℃，澆水可結(jié)冰。滲透砂層冰+砂層表面冰固定砂層，該凍結(jié)層有一定強(qiáng)度；同時(shí)要求控制水量，避免水流過(guò)大涌入明槽工作面，造成惡化作業(yè)環(huán)境和二次再排水。施工方法：按井筒方位和坡度在U鋼支架輪廓外仰坡施工超前排管+超前排管輪廓外注水花管，掩護(hù)開(kāi)挖進(jìn)暗槽→安排白天在井筒仰坡上滲透性淋/澆水→安排夜間砂層凍結(jié)澆水→最后形成超前排管+注水花管凍結(jié)砂層冰+滲透砂層冰+砂層凍結(jié)冰聯(lián)合體固定仰坡[2]。

3.3 砂層短掘短掘進(jìn)暗槽、暗槽段技巧

因井筒開(kāi)挖砂即流淌，確定進(jìn)暗槽施工方法先拱后墻施工。施工要求：施工順序要求由現(xiàn)工作面至仰坡方向，以保證凍結(jié)時(shí)間和凍結(jié)強(qiáng)度。施工方法：（1）進(jìn)暗槽：按井筒中心、坡度架設(shè)U鋼支架，U支架腿由打入砂層的鋼軌替代，并與U鋼梁焊接成整體→順序至工作面迎頭→迎頭拱部，按大于井筒坡度5°的角度打入超前排管→井筒迎頭、兩側(cè)輪廓線外，打入花管并注水凍結(jié)→U鋼梁上鋪草袋澆水凍結(jié)造假頂，與仰坡連接→井筒‘凍結(jié)壁’內(nèi)開(kāi)挖出渣→達(dá)到一定高度在焊接鋼筋+鐵板/木板固砂→循環(huán)出渣至底板，安裝U鋼腿→達(dá)一板砼時(shí)，綁筋、安裝模板、澆砼。循環(huán)施工至進(jìn)暗槽；（2）暗槽：腳手架搭設(shè)操作平臺(tái)，并在操作臺(tái)上施工上臺(tái)階→每架U鋼支架施工一排超前排管（施工按2.1要求施工）→超前排管掩護(hù)下臺(tái)階法施工→固定U鋼支架拱→留核心土法挖掘并安裝U鋼腿→焊鐵板/木板，以防潰砂增加工作量→開(kāi)挖出渣→循環(huán)掘進(jìn)暗槽。

4 結(jié)語(yǔ)

礦井井位確定后，遇不良地質(zhì)條件，在技術(shù)可行經(jīng)濟(jì)合理的情況下，可綜合土建、隧道等施工技術(shù)手段，更重要的是如何掌握自然的力量，恰到好處地借助自然力量完成工程，確保工程按工期要求竣工等具有一定的借鑒作用。