超深厚沖積層立井凍結爆破快速掘砌施工技術

于建新，郭 敏，張英才，曾凡偉，張道海，曾 鵬

(1.河南理工大學 土木工程學院，河南 焦作 454000；2.河南省地下工程與災變防控重點實驗室，河南 焦作 454000；3.河南省地下空間開發及誘發災變防治國際聯合實驗室，河南 焦作 454000；4.河南國龍礦業建設有限公司，河南 鄭州 450000)

面對日益增長的煤炭需求量，對地下超深煤層的開采逐漸增多。凍結鑿井法由于對地下復雜地況具有較好的適用性，在超深厚土體中的井筒施工應用較為普遍。我國于1955年在林西煤礦采用此技術以來，大范圍在華北、西北地區進行應用，均取得了不錯的施工效果。楊維好綜述了400～600m特厚表土層凍結鑿井法在我國的應用，認為凍結溫度在-40～-50℃是凍結技術未來的研究方向[1]。李新政從鉆眼方案、施工組織方面對永城煤礦深670.5m立井施工方法進行了研究[2]。臧培剛等人開發了井上螺旋輸送混凝土系統，解決了井筒施工支護難題[3]。邊振輝對混合豎井成套施工進行了研究，將3層吊盤與馬頭門整體支護模板相結合，提高了施工速度[4]。聶艷軍對立井井筒施工研究，采用短段掘砌混合作業方式，大段高金屬活動模板全方位澆筑，中深孔光面爆破，取得不錯效果[5]。趙興東針對超深井筒所處的復雜應力條件，提出了釋能井壁支護結構[6]。楊更社等對立井凍結法施工設計理論進行了研究總結，簡述了深部凍結巖土性能與凍結壁的設計[7]。經來旺等認為溫度應力才是導致立井井壁破裂的最主要原因[8]。徐華生等通過潘三礦凍結法的井筒施工，設計凍結壁厚度8.6m，凍土平均溫度-17℃可安全通過297～347m深厚黏土層[9]。馮連岱對萬福煤礦凍結井筒施工工藝進行分析，從凍結設計、凍結孔分圈插花布置施工、分期凍結以及實時監測等技術優化了凍結施工工藝[10]。J.M.Kennard提出了一種凍土中水凍結成冰的力學模型，研究了其性能，為爆破對凍土的影響提供了一定理論[11]。王鵬越對我國超大直徑深立井的施工技術及裝備進行總結分析[12]。國內外有關學者對立井井筒凍結法施工進行了大量研究，取得了豐碩的研究成果，但主要集中在凍結壁、凍土性能和井筒施工的某一研究，沒有較好地對整體施工做一個完整的概述，尤其是在凍土爆破方面尚不全面。本文以趙固二礦西風井凍結施工為背景，從表土凍結、鉆爆施工、井壁澆筑到安全管理技術措施等方面，詳細分析了700m超深厚表土條件下，凍土爆破與井壁掘砌快速施工的技術要點。

1 工程概況

趙固二礦西風井井筒位于河南省輝縣市占城鎮北小營村，井田屬第四系、新近系全掩蓋區。本次施工的西回風井井檢孔FJ1孔位于井田中部，據鉆孔和測井資料，其中井筒穿過表土層厚度為704.6m，井壁厚度800～1950mm。井筒所穿黏土層(砂質黏土)25層，總厚度620.34m，占比67.9%，單層黏土層最厚達77.20m。趙固二礦井田屬第四系、新近系全掩蓋區，據鉆孔和測井資料，本次FJ1孔揭露的地層自上而下有第四系(Q)、新近系(N)、二疊系下統下石盒子組(P1x)、二疊系下統山西組(P1s)、石炭系上統太原組(C2t)。

井筒設計凈直徑6.0m，井口設計絕對標高+81.0m，井筒落底絕對標高-821m，井筒設計深度914m；井幫凍土溫度為-11.5℃，蠕變性強；井筒垂深700m處的地溫高達19.0℃。設計5次變徑，分別位于-190m/-298m/-420m/-532m/-720m。凍結段采用雙層復合鋼筋混凝土井壁結構，內、外層井壁中間鋪設塑料夾層，外層鋪設泡沫板，基巖段為單層井壁結構。混凝土強度等級為C50—C100。

2 凍結爆破方案

2.1 凍結參數

趙固二礦西風井采用雙機雙級螺桿壓縮機制冷機組，其標準制冷量在580-2300kW之間。凍結方案采用外圈孔、中圈孔和內圈孔加防片孔的多圈凍結管凍結方式，可有效提高凍結壁強度，減少凍結厚度[1]。通過多圈凍結管的布置，可以根據監測數據靈活調節凍結壁凍結溫度。主排凍結管孔凍深達到767/783m，孔數52個，圈徑為24.8m，開孔間距1.498m；中圈孔凍深736m，孔數為16個；圈徑為16.7m，開孔間距為3.279m；內圈孔凍深736m，孔數為16個；圈徑為19.7m，開孔間距為3.868m；防片孔凍深193m，孔數為5個；圈徑為11m，開孔間距為6.912m；防片孔凍深423m，孔數為10個；圈徑為12.5m，開孔間距為3.927m；防片孔凍深535m，孔數為10個；圈徑為14.5m，開孔間距為4.555m。

凍結造孔質量要求：400～700m表土段，靶域半徑0.8m；基巖段靶域半徑1.0m；表土段向內≤0.6m；基巖段向內≤0.9m。深部沖積層的靶域半徑可控制在800mm以內，沖積層底部終孔間距可控制在3.0m以內；在基巖風化帶、基巖中的靶域半徑可控制在1000mm以內，基本可將成孔間距控制在3.4m以內，基巖段底部凍結管長腿的終孔間距控制在4.8m以內。

2.2 鉆爆設計

鉆爆機具采用SZJ-6.7傘鉆(如圖1所示)配改裝后的MQT150型錨桿鉆機，配合麻花鉆桿、Y字型鉆頭。針對井下負低溫條件，選用具有抗低溫、耐水性特點的T220-nd抗凍水膠炸藥(-25℃)，該炸藥具有良好的耐低溫、防水性，適合立井開挖使用。炸藥規格為：Φ35mm×300mm×0.35kg，周邊眼裝藥長度不超過800mm。采用毫秒延期電雷管，最后一段延期時間不超過130ms，分段起爆。施工中應根據凍結管傾斜情況，及時調整周邊眼位置，保證周邊炮孔距凍結管不小于1.2m；提高低段別雷管精度并適當延長其起爆時差可有效降低振動波的疊加，并嚴格控制裝藥量及采取周邊眼間隔裝藥措施，降低爆破對凍結管的影響[13]。

圖1 SZJ-6.7傘鉆

采用全斷面鉆爆法，打眼前按設計要求劃出井筒輪廓線，點出炮眼位置，采取定人、定位、定眼、定機分區作業。采用反向連續裝藥結構，嚴格控制周邊眼的裝藥量，視圍巖硬度對周邊眼的裝藥量進行及時調整，炮眼使用炮泥充填，聯線方式采用并聯。爆破母線采用3.8mm2銅母線電纜，放炮母線上端與放炮電纜相連，下端與雷管腳線相連。井下工作面各炮眼裝藥、聯線完畢后，從吊盤下放放炮母線至工作面，放炮母線上端與放炮電纜相連，下端與雷管腳線相連，經檢查裝藥、聯線無誤后，再進行放炮。

現場對混凝土井壁爆破振動進行實時監測，不斷調整爆破參數。經過試驗，炮眼平均利用率在93.3%，單位耗藥量1.31kg/m3，周邊光面爆破效果最好，光爆斷面較為平整，掘砌進尺也隨之提升。研究發現：掏槽孔深3.2m，其他輔助孔3m；掏槽孔、輔助掏槽孔、輔助孔和周邊孔共布置7圈，全斷面180個孔，采用1、3、4、5段電雷管，一次起爆炸藥量255.5kg，爆破效果較好。

2.3 立井提升與排矸

趙固二礦西回風立井井筒臨時鎖口施工完畢，將三層吊盤下放井底，安裝封口盤。安裝完畢后，將三層吊盤用四根鋼絲繩吊起，與封口盤相應位置對正后用繩套鎖在封口盤下。當掘砌至井深30m時，在下行模板上口搭操作架，將三層吊盤下放至操作架上進行吊盤安裝。提升系統使用V型鑿井井架配備2個Φ3.0m天輪，提升絞車用2JK-4.0/JKZ-3.0型提升機各1臺。700m以上采用5m3座鉤式吊桶2個，700m以下采用5m3/4m3座鉤式吊桶各1個，3m3底卸式吊桶4個。

爆破后采用CAT7.8型電動挖掘機掘進，HZ-6A型中心回轉抓巖機(如圖2所示)挖掘裝渣。基巖段抓巖機抓巖順序：抓出罐窩→抓取邊緣矸石→抓井筒中間矸石。集中階段，此階段要充分發揮抓巖機抓巖能力和提升能力，盡快把堆集在井底的大量爆落矸石裝運到地面。清底階段，為加快清底速度，保證清底質量，為下一循環打眼創造條件，采用人工多臺風鎬清底。在清底工作的同時，做好工序轉換前的準備工作。

圖2 中心回轉抓巖機

3 外壁澆筑

趙固二礦井筒采用臨時鎖口施工，外壁采用“短段掘砌混合作業”的施工方法。外壁砌筑采用單縫式液壓脫模整體金屬(帶刃腳)下行模板。井筒沖積層砌壁段高遵守《煤礦井巷工程施工規范》相關規定，在正式開挖前，凍結壁徑向位移小于或等于50mm，循環作業時間少于或等于30h，段高小于或等于3.8m；深厚黏土層施工段高不應大于2.5m。外壁的立模工藝，采用找平工作面→落刃角找正→鋪設泡沫板→然后按設計間排距安裝豎向鋼筋，綁扎環向鋼筋→最后落模板澆灌混凝土。井壁豎筋采用直螺紋機械連接，并嚴格按照《鋼筋機械連接技術規程》(JGJ 107—2010)技術標準執行；環筋采用搭接連接，搭接長度不得小于35d(d為鋼筋直徑)，綁扎前用紅漆做好搭接長度標記?；炷恋膹姸鹊燃夒S著地下圍壓的增加而改變，從0～-120m采用C50-C70強度混凝土，-120～-590m用C80，往后是C90、C95、C100強度等級混凝土。

模板脫模后由信號工與井上聯系，使模板恢復到設計尺寸開始組立，將高壓閥門打到減壓位置，使模板恢復到設計尺寸死鎖，將模板找正，穩固牢靠。打開模板上的腳手架，模板即組立完成。

從井上將風動液壓泵站下到井下，接上風管，并給油缸對上高壓油管，開動風動液壓站，啟開高壓閥門，使油缸工作帶動活塞內收，使模板脫開砌壁。脫模間隔時間不少于6h。脫模時混凝土強度達到0.7～1.0MPa。

在澆灌混凝土前必須把接茬處用鎬將雜物清凈，模板刃腳處巖石鋪平，防止漏漿。外層井壁施工過程中，吊盤下層盤喇叭口上安裝灰箱工字鋼梁，灰箱牢固放在下層吊盤喇叭口工字鋼上，灰箱下懸吊的鋼絲鎧裝耐磨膠管對稱入模；每次澆筑混凝土厚度不得超過300mm，振搗分布間距一般為300～400mm，入?；炷敛捎貌迦胧秸饎影敉ㄟ^合茬窗口進行分層振搗；振搗人員每班定人、定片、定責、定獎罰分片振搗，確保振搗質量。

井口設混凝土集中攪拌站，2臺HZ-75型強制攪拌機，配PLD-2400型混凝土配料機，混凝土由地面攪拌站配制，3m3底卸式吊桶下灰，通過分灰器、溜灰管入模。

4 工程管理與安全保證措施

4.1 施工組織管理

為達到安全、快速、高效地完成風井施工任務，對趙固二礦西回風井立井工程實行項目部管理法。配備有項目經理、支部書記、生產經理各一人，對項目進行有效管理。項目經理選用有類似深井井筒施工經驗的優秀項目經理，并且項目部領導班子集體承包，風險抵押，成本核算，按勞分配，全員管理。建立以項目經理全面負責的勞動力管理組織體系，項目經理全面負責組織每月兩次的勞動力協調會。根據當月的施工生產任務和地質條件的變化，對各個施工班組勞動力進行平衡、協調及時解決勞動力配合中的矛盾。并預計下月的勞動力使用數量等提出使用計劃，做到動態管理。

井筒外壁施工采用短段掘砌混合作業方式。掘進班組采用“滾班”作業制度；內壁施工采用“三八”作業制度；地面輔助采用“三八”作業制度。趙固二礦西回風立井井筒工程施工隊由礦建隊、機電班組、運輸班組三部分組成；其中以礦建隊為主，機電班組、運輸班組配合的勞動力構成形式。按照井筒施工準備階段、凍結表土層施工階段、井筒基巖施工階段及內壁施工階段，合理安排勞動力；其中井筒準備期計劃投入64人，表土層施工計劃投入146人，基巖段施工計劃投入108人，內壁施工計劃投入121人。

4.2 井壁溫度監測

為監測外層井壁溫度變化范圍；壁后凍結土融化范圍、回凍時間、凍土融化對井壁受力特性的影響；壁座及內層井壁溫度峰值、內外層井壁間溫度與壁間注漿時機的控制。在深凍結井井壁和壁后凍土測溫中，通過在井下測溫點組建無線網絡，利用無線傳輸技術，在需要測溫的地方放一個測溫終端，將一線總線測溫電纜接至測溫終端上，那么深井井壁及壁后凍土測溫就由若干個無線測溫終端組成；讀取溫度的時候僅需要拿著便攜式無線溫度采集儀隨工作吊桶采集各個測溫終端的數據，存儲下來，在井下或回到地面均可將溫度讀出來進行分析處理。

4.3 測量放線

井筒建設過程中采用小絞車纏繞的細鋼絲和鐵墜砣定向，細鋼絲作為測量基準(井筒中心)。使用全站儀或激光測距儀按地面一級導線精度要求測定。十字中心線的測設及十字基樁的埋設應滿足建井期間的施工需要，基點類型、數量、設置方式根據現場情況而定。井筒中心及十字中心線設定后，應以5″導線檢查測量，兩條十字中心線垂直度允許誤差為±10″。井筒施工給向采用垂線法，中心垂線為2～3.8mm的碳素彈簧細鋼絲繩，垂球重量不小于30kg。井筒掘進過程中，每段砌壁前進行校對，井筒中心位置偏差不得超過5mm并及時測量井底標高。

4.4 井壁位移監測

按照設計要求，井筒最大徑向位移不得超過50mm，依監測結果實時調整段高。每一循環測量分兩次完成，首先在井幫開出1m時下井埋點，按要求在東、西、南、北四個方向的刃腳上開出標記槽，砸入木楔并測量木楔頂端到標記槽的水平距離，其次在落刃腳前復測木楔頂端到標記槽的水平距離。通過現場監測，井壁位移均在安全范圍以內，保證了井筒施工質量。

5 結 論

1)采用外圈孔、中圈孔、內圈孔加防片孔的凍結方式，可靈活多變地改變凍結段溫度。隨著開挖深度的增加，通過多圈凍結管來調節凍結溫度，使開挖基段在保證安全的前提下，不凍實土體。

2)井筒施工給向采用垂線法，由碳素彈簧細鋼絲繩加垂球進行量測，確保井筒中心位置偏差不得超過5mm，控制井筒位移。

3)爆破方案經過現場試驗調整爆破參數，增加爆破圈數、炸藥量和炮孔深度，使爆破進尺加大，節省施工時間，縮短了施工工期。

4)提升設施，依據深度不同，分別采用5m3/4m3/3m3的吊桶，方便排矸。采用兩個提升絞車，極大地加快了排矸量。

5)環向鋼筋綁扎前用紅漆做好搭接長度標記，方便在井下施工。豎筋采用直螺紋連接方式，可加快綁扎進度?；炷恋膹姸鹊燃墸m應隨井深及地質條件逐步調整。

6)施工組織方面，掘進采用“滾班制”，內壁施工和地面輔助采用“三八制”，通過優化勞動組織，縮短了工期。