斜井井筒超千米表土層一次支護(hù)施工技術(shù)研究與應(yīng)用

李飛

摘要：針對(duì)永興副斜井井筒表土層距離長(zhǎng)、穩(wěn)定性差、土顆粒細(xì)，土質(zhì)疏松，遇水軟化、濕陷;特別是厚黃土段，濕陷性強(qiáng)，遇水松軟泥化，承載能力下降，極易產(chǎn)生冒頂、抽幫、井筒下沉，施工安全隱患大，預(yù)防處理困難;井筒支護(hù)設(shè)計(jì)復(fù)雜，工藝轉(zhuǎn)換頻繁，一次支護(hù)施工時(shí)間長(zhǎng)，井筒施工進(jìn)度和施工安全難以保證的情況，經(jīng)反復(fù)論證與實(shí)踐，采用環(huán)形開(kāi)挖核心預(yù)留法掘進(jìn)，前探梁配合金屬支架快速支護(hù)，空氣射流增壓技術(shù)和接力噴漿法進(jìn)行長(zhǎng)距離噴漿等技術(shù)，順利完成了井筒表土段的施工，成功實(shí)踐了斜井井筒超千米表土層一次支護(hù)施工技術(shù)，為類似地質(zhì)條件的斜井工程施工提供了參考和借鑒。

Abstract： The surface soil layer of the Yongxing auxiliary inclined shaft has long distances， poor stability， fine soil particles， loose soil， softening and collapsing with water; especially in thick loess sections， it has strong collapsibility， and it becomes soft and muddy with water， and its bearing capacity is extremely low. It is easy to cause roof fall， side pumping， and sinking of the shaft， high hidden dangers in construction safety， and difficult to prevent and handle; the design of shaft support is complicated， the process conversion is frequent， the construction time of one support is long， and the construction progress and safety of the shaft are difficult to guarantee. After repeated demonstration and practice， the construction of the shaft surface soil section was successfully completed by using ring excavation core reservation method， rapid support of front probe beam with metal support， long-distance shotcreting with air jet pressurization technology and relay shotcreting method. The construction of the inclined shaft has successfully implemented the one-time support construction technology of the surface soil layer of the inclined shaft over one thousand meters， which provides reference for the construction of the inclined shaft with similar geological conditions.

關(guān)鍵詞：超千米表土;濕陷性黃土;環(huán)形開(kāi)挖;快速支護(hù);長(zhǎng)距離噴漿

Key words： ultra-thousand-meter surface soil;collapsible loess;circular excavation;rapid support;long-distance shotcreting

中圖分類號(hào)：TD262 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）24-0121-02

1 ?工程概況

永興煤礦位于陜西省子洲縣槐樹(shù)岔鄉(xiāng)，由原子洲縣永興煤礦單井整合擴(kuò)大而成。永興煤礦副斜井井筒全長(zhǎng)1950.231m，傾角-5.5°，直墻半圓拱型斷面，表土段井筒長(zhǎng)1410.168m，凈寬5.0m，凈高4.1m，凈斷面17.8m2，采用U29型金屬支架網(wǎng)噴一次支護(hù)+素混凝土二次支護(hù)。噴射混凝土厚度50mm，澆筑混凝土厚度400mm，鋪底厚度300mm。

副斜井井筒表土段由上至下地層分別為以灰黃色亞砂土、粉細(xì)沙為主要成分的第四系全新統(tǒng)沖積層，以土黃色、棕黃色亞砂土為主要成分的第四系中更新統(tǒng)離石組，以淺紅色、棕紅色含鈣質(zhì)結(jié)核的亞粘土、亞砂土為主要成分的新近系上新統(tǒng)靜樂(lè)組。

2 ?井筒表土段施工機(jī)械化作業(yè)線設(shè)備配套

①挖掘、裝載：MWD7.8/0.32L防爆電動(dòng)挖掘機(jī)。

②排矸、材料下放：YDB22-2.0電動(dòng)滾筒機(jī)配合DSJ80/2×55型帶式輸送機(jī)排矸。WC1.9J型無(wú)軌膠輪車運(yùn)輸工器具和下放支護(hù)材料。

③支護(hù)：JPS5I-L濕式噴漿機(jī)配？準(zhǔn)83×5mm耐磨無(wú)縫鋼管噴射混凝土。12m段長(zhǎng)鋼模臺(tái)車支模，商品砼通過(guò)HBT60C-1816Ⅲ型砼輸送泵、？準(zhǔn)125mm鋼管直接入模澆筑，ZN-70型高頻風(fēng)動(dòng)振動(dòng)器振搗。

3 ?制約井筒表土段施工的主要因素及解決方案

該井筒表土層穩(wěn)定性差、土顆粒細(xì)，土質(zhì)疏松，遇水軟化、濕陷，特別是在穿越厚黃土段時(shí)給施工帶來(lái)很多前所未有的困難，該土層濕陷性強(qiáng)，遇水松軟泥化，承載能力下降，極易產(chǎn)生冒頂、抽幫、井筒下沉，施工安全隱患大，預(yù)防處理困難;井筒支護(hù)設(shè)計(jì)復(fù)雜，工藝轉(zhuǎn)換頻繁，一次支護(hù)施工時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重影響井筒施工進(jìn)度和施工安全。

鑒于此，經(jīng)反復(fù)論證與實(shí)踐發(fā)現(xiàn)要解決以上制約井筒表土段施工的因素，必須對(duì)現(xiàn)用的掘進(jìn)、架棚工藝進(jìn)行改進(jìn)和噴漿系統(tǒng)進(jìn)行改造。其工藝改進(jìn)和系統(tǒng)改造方案如下：①掘進(jìn)時(shí)，工作面土層先挖掘上部進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，再挖兩側(cè)幫部架設(shè)U型鋼支架，中間預(yù)留土臺(tái)做為工作臺(tái)，縮短井筒頂板直接暴露時(shí)間和臨時(shí)支護(hù)時(shí)間。②臨時(shí)支護(hù)時(shí)，在前探梁上直接安放金屬支架頂梁，頂梁上鋪設(shè)金屬網(wǎng)片用背板、木楔接頂，防止井筒頂板土層冒落，造成頂板事故發(fā)生。③噴漿前，對(duì)噴漿機(jī)和噴漿管路進(jìn)行技術(shù)改造;噴漿時(shí)利用空氣射流增壓技術(shù)和接力噴漿法進(jìn)行長(zhǎng)距離噴漿，減少噴漿機(jī)的移動(dòng)頻次和節(jié)省頻繁移動(dòng)時(shí)間。

4 ?改進(jìn)方案在施工中的具體實(shí)施

4.1 表土段掘進(jìn)

表土段掘進(jìn)采用環(huán)形開(kāi)挖核心預(yù)留法，短掘短支施工。MWD7.8/0.32L小型電動(dòng)挖掘機(jī)挖掘、裝矸，人工手鎬、風(fēng)鎬刷邊成型。挖掘機(jī)先挖掘上部，再挖兩側(cè)幫部，最后挖中間。上部按設(shè)計(jì)尺寸挖掘出荒斷面后，進(jìn)行前移前探梁并安裝金屬支架頂梁固定;頂部臨時(shí)支護(hù)完成后，開(kāi)始挖掘工作面兩側(cè)幫部柱窩表土，寬度為1200mm左右。工作面中間預(yù)留一個(gè)長(zhǎng)×寬×高=1600×3500×2300mm的土臺(tái)做為工作臺(tái)架設(shè)U型鋼金屬支架。支架架設(shè)完成后，挖掘中間預(yù)留土層。每次挖掘長(zhǎng)度1.6m，若頂板土層不穩(wěn)定時(shí)，每次挖掘長(zhǎng)度0.8m。

4.2 前探梁配合金屬支架支護(hù)

采用懸吊式前探梁進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，梁體采用3根Φ108mm×4500mm的鋼管，吊環(huán)采用？準(zhǔn)20mm圓鋼加工制作。前探梁橫向間距1.2m，沿巷道中線向兩側(cè)等距對(duì)稱布置;每根前探梁的兩個(gè)吊環(huán)，平行巷道中心線用懸吊器固定在工作面已架設(shè)好的第一架和第三架金屬支架上，將前探梁穿入吊環(huán)中，一端前竄至迎頭;前探梁前竄時(shí)，人工將要架設(shè)的金屬支架頂梁按照設(shè)計(jì)間距放置于前探梁上，并在頂梁上鋪設(shè)金屬網(wǎng)片，上好木背板，用木楔背緊、背牢。

在完成金屬支架頂梁架設(shè)和工作面兩幫柱窩挖掘后，在預(yù)留工作平臺(tái)上進(jìn)行金屬支架兩側(cè)架腿架設(shè)、鋪網(wǎng)、腿梁連接及支架校正工作。

4.3 噴漿支護(hù)

正常噴漿機(jī)標(biāo)定最遠(yuǎn)噴漿距離200m，但受噴漿工藝、壓風(fēng)風(fēng)壓和噴漿管路延接質(zhì)量的影響，混凝土噴射距離一般在100m左右;同時(shí)，在井筒內(nèi)已布置帶式輸送機(jī)和預(yù)留無(wú)軌膠輪車行駛空間的前提下，在井筒內(nèi)布置噴漿機(jī)噴漿，噴漿機(jī)和儲(chǔ)備的噴漿料將占用井筒內(nèi)預(yù)留的設(shè)備運(yùn)行安全空間，使各設(shè)備之間的安全間隙變小，存在安全隱患;且噴漿機(jī)移動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)（一次需要3小時(shí)左右），噴漿料下放困難（隨著井筒不斷延伸，下放噴漿料占時(shí)間越長(zhǎng)）。因此必須對(duì)噴漿系統(tǒng)和工藝進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到遠(yuǎn)距離噴射混凝土的要求。

4.3.1 噴漿系統(tǒng)和工藝改進(jìn)關(guān)鍵點(diǎn)

噴漿支護(hù)，是以壓縮空氣為動(dòng)力、用噴漿機(jī)將攪拌混合后的混凝土以噴射方法覆蓋到需要封閉的圍巖上，快速凝結(jié)硬化形成具有一定強(qiáng)度的混凝土結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)分析研究影響遠(yuǎn)距離噴漿的原因有以下幾方面：①篩網(wǎng)密度小，較大骨料進(jìn)入噴漿機(jī)后，造成在管路內(nèi)摩擦阻力大和堵塞管路。②下料速度快，壓風(fēng)運(yùn)送能力降低，造成管路堵塞現(xiàn)象。③噴漿機(jī)出料口連接管的直徑小，阻力大，造成管路堵塞。④噴漿管路連接不平直，采用焊管做輸料管，摩擦阻力大，可造成堵塞。⑤混凝土在管路內(nèi)運(yùn)行時(shí)受摩擦阻力影響，動(dòng)力衰減，造成噴射出的混凝土遠(yuǎn)距離輸送困難。

4.3.2 ?噴漿機(jī)技術(shù)改造

通過(guò)對(duì)JPS5I-L型噴漿機(jī)分析論證和反復(fù)試驗(yàn)，具體技術(shù)改造措施如下：①自制加密篩網(wǎng)，加大篩網(wǎng)密度，將原來(lái)的網(wǎng)孔直徑由Φ35mm改為Φ17mm，以減少較大粗骨料進(jìn)入噴漿機(jī)后堵塞和磨損管路。②改造噴漿機(jī)結(jié)合板，將中部鋼襯板的10個(gè)下料孔改為5個(gè)，以降低下料速度，均和混凝土供給量，以保持壓風(fēng)動(dòng)力輸送的穩(wěn)定性，減少混凝土堵管現(xiàn)象。③加大噴漿機(jī)出料口連接管的直徑，將噴漿機(jī)原配置的Φ50mm彎脖改為Φ64mm，以減低關(guān)鍵部位摩擦阻力，提高了混凝土料進(jìn)入管路的初速度。④混凝土輸送管采用Φ89mm無(wú)縫加厚耐磨鋼管，快速接頭連接，架空固定在幫部使管路聯(lián)接更直、整體穩(wěn)定，大幅降低了混凝土在管路中的輸送阻力，且無(wú)縫加厚耐磨鋼管耐磨不易破損，基本解決了頻繁修補(bǔ)、更換管路和因管路吊掛不平直增加摩擦造成堵管的問(wèn)題。

4.3.3 噴漿管路技術(shù)改造

井筒內(nèi)每100m在壓風(fēng)管上開(kāi)設(shè)三通留設(shè)分支，分支上安裝單向逆止閥和壓力表，單向分支壓風(fēng)管路與混凝土輸料管連接，以確保壓風(fēng)管路向噴漿管路送風(fēng)的同時(shí)防止噴漿管路的混凝土進(jìn)入壓風(fēng)管路，壓力表可以及時(shí)監(jiān)控管路供風(fēng)壓力。隨著井筒長(zhǎng)度的不斷增加，在噴漿管路輸送動(dòng)力不足時(shí)，可及時(shí)開(kāi)啟閥門補(bǔ)充和調(diào)節(jié)壓風(fēng)風(fēng)量，確保噴漿管路中噴漿料的輸送動(dòng)力。

4.3.4 長(zhǎng)距離噴漿實(shí)施

①噴漿方法。地面一臺(tái)PLD-1200配料機(jī)配兩臺(tái)JP-750攪拌機(jī)拌料，利用改造后的JPS5I-L型噴漿機(jī)和噴漿管路，潮式噴射法噴漿作業(yè)。

②噴漿技術(shù)質(zhì)量要求。噴射砼強(qiáng)度等級(jí)C25，噴射混凝土重量配比為：水泥∶砂子∶石子=1∶2∶2。噴漿砼原材料選用：強(qiáng)度等級(jí)42.5R普通硅酸鹽水泥，堅(jiān)硬干凈的中粗砂，粒徑5～10mm堅(jiān)硬耐久的碎石，J85型速凝劑（摻量為水泥用量的3～5%），干凈的飲用水。噴射混凝土的回彈率，邊墻不大于15%，拱頂部不大于25%。

噴漿前應(yīng)清除墻腳浮矸、浮石，并用高壓風(fēng)水沖洗受噴巖面;遇水易潮解、泥化的巖層，應(yīng)用壓風(fēng)吹掃巖面。噴漿時(shí)風(fēng)壓控制在0.2～0.4MPa，水壓控制在0.3～0.5MPa之間，水灰比控制在0.45左右，噴頭距受噴面控制在0.6～1.0m距離，自下而上，先墻后拱。噴漿作業(yè)過(guò)程中，噴漿手應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巷道圍巖平整度、噴頭出料量、砼上墻率的變化及時(shí)調(diào)整噴頭供水量，控制好水灰比，以保證噴砼表面平整、有光澤、無(wú)流淌，混凝土附著力強(qiáng)，上墻率高。

③噴漿效果。噴漿機(jī)首次放置在副斜井井口外20m位置，水泥、砂子、石子經(jīng)攪拌機(jī)機(jī)械攪拌后，經(jīng)混凝土輸料裝置輸送到噴漿機(jī)上。在噴漿機(jī)距離受噴面130m時(shí)，噴射混凝土速度下降，上墻率降低，噴漿管路多次堵塞;通過(guò)在距離噴漿機(jī)100m位置增加射流增壓分支后繼續(xù)噴射混凝土施工，噴頭出料速度明顯提升，管路堵塞次數(shù)明顯減少，上墻率提升。隨著井筒不斷延伸，噴漿管路每間隔100m增加一個(gè)射流增壓分支，井筒噴射混凝土施工至井筒第一個(gè)會(huì)車硐室（距離井口650m）和第二個(gè)會(huì)車硐室（距離井口1390m）時(shí)，分別將兩個(gè)硐室做為接力噴漿點(diǎn)，完成全井筒的噴射混凝土作業(yè)。

5 ?結(jié)論

通過(guò)在永興副斜井實(shí)施超千米表土層一次支護(hù)施工技術(shù)，減少了表土段井筒頂板土層一次揭露面積和暴露時(shí)間，縮短了金屬支架支護(hù)時(shí)間和噴漿封閉圍巖時(shí)間，極大降低了濕陷性黃土層由于承載能力低，極易發(fā)生冒頂、抽幫事故的風(fēng)險(xiǎn)，保證了施工安全，確保了施工質(zhì)量和施工進(jìn)度，提高了施工效益。

永興副斜井井筒超千米表土層一次支護(hù)施工技術(shù)的成功應(yīng)用，表明該項(xiàng)技術(shù)適用于各類類似斜井工程施工，具有很好的參考價(jià)值和推廣意義。

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