立井井壁可縮層開槽定向爆破技術(shù)研究與應(yīng)用

宋成義

（永城煤電控股集團有限公司陳四樓煤礦，河南 永城 476600）

陳四樓礦主井井筒垂深170～200 m 段井壁多次破裂，2017年—2020年期間常因井壁破壞注漿堵水，采用“注漿堵水+架設(shè)井圈+鋼軌固定”的方案應(yīng)急處理后，短期內(nèi)能夠維持井筒正常使用，但難以達到根治效果。且井壁破裂出水周期逐年縮短，含水層疏水導(dǎo)致地層沉降，使井筒承受地層施加的豎直向下的附加力[1]，井壁承受豎向附加力持續(xù)增大還會造成井壁混凝土嚴重損傷，給礦井安全生產(chǎn)帶來嚴重威脅。在充分分析研究受壓原因的基礎(chǔ)上，提出“井壁局部凍結(jié)+破壁開槽后在井筒內(nèi)壁安裝可壓縮層”的永久加固施工方案。

1 概況

1.1 井筒概況

陳四樓煤礦主井井筒凈直徑為5.0 m，井壁結(jié)構(gòu)為雙層鋼筋混凝土復(fù)合井壁，內(nèi)外層井壁間鋪設(shè)一層1.5 mm 的塑料夾層。井筒東側(cè)敷設(shè)5 趟高壓電纜向井下各變電所供電。井筒內(nèi)主要裝備為罐梁、罐道。罐梁層間距4 m，單根罐道長度12 m，罐道上在垂深304 m、365 m 可壓縮層對應(yīng)位置安裝了可縮罐道[2]。主井井筒主要技術(shù)特征參數(shù)見表1。

表1 主井井筒主要技術(shù)特征參數(shù)表

1.2 開槽段井壁概況

根據(jù)地層巖性，考慮原有可壓縮層壓縮效果、井壁加固范圍、地面抽水層位、礦井排水等方面因素，確定兩道可縮層開槽位置分別為垂深267.4 m、365 m 處。破壁開槽段井壁為內(nèi)、外層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁厚度為800 mm，外層井壁厚度800 mm，砼強度為C50[3]。開槽或擴槽位置地層情況見表2。

表2 開槽或擴槽位置地層情況表

2 破壁開槽設(shè)計方案

2.1 方案考慮事項

1）井筒內(nèi)壁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強度高，炮孔裝藥量及裝藥結(jié)構(gòu)的選擇對工程效果有著十分重要的影響。

2）井筒內(nèi)工作的空間范圍小、高空作業(yè)、施工環(huán)境復(fù)雜。

3）井筒內(nèi)的各種待保護設(shè)施多，保護要求高，對爆破施工工序需要進行嚴格控制，防止爆破飛石、沖擊波對井筒內(nèi)的設(shè)施及井壁造成損害。

4）井筒內(nèi)的動力電纜及通信電纜作為保護重點，需采取多重措施進行保護。

5）在已凍結(jié)的井筒內(nèi)施工，很有可能出現(xiàn)凍脹力再次損壞井筒外壁，爆破開槽施工時，出現(xiàn)外壁擠壓、片幫，需采取控制技術(shù)防止爆破損壞井筒外層井壁。

6）受地壓影響，井筒外壁受壓損壞，易發(fā)生片幫現(xiàn)象。破壁開槽期間，每次爆破完成后，人工破除未剝落的內(nèi)壁時，及時觀察外壁，并保留原鋼筋先不割除以起到臨時支護的作用。井壁全部開槽結(jié)束后，外壁沒有片幫現(xiàn)象或損壞不嚴重（能簡單撬除開裂部分的），再割除鋼筋。

7）井壁內(nèi)存在豎向和橫向鋼筋，造成井壁爆破橫向開槽存在困難，同時井壁橫向開槽存在開槽工程量大、爆破工序復(fù)雜等特點，經(jīng)過現(xiàn)場觀察決定采用豎向開槽、兩側(cè)爆破擴刷的方案。

8）井壁內(nèi)的設(shè)備較多，造成局部井壁打孔存在一定困難，根據(jù)現(xiàn)場工程實際決定在電纜后面井壁鉆孔過程中可以允許炮孔與井壁成一定角度，但是在電纜后面井壁鉆孔過程中必須有技術(shù)人員在場指導(dǎo)鉆孔，無技術(shù)人員指導(dǎo)的情況下禁止進行鉆孔。

9）炮孔裝藥過程中存在藥包數(shù)量和雷管數(shù)量多的特點，串聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)連接方式容易出現(xiàn)漏聯(lián)的情況。根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用并聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)，有效地解決了漏聯(lián)的情況，使爆破施工更加安全、快捷。

10）井筒內(nèi)設(shè)施、電纜比較多，在爆破施工前必須對井壁內(nèi)所有吊盤上的立柱等設(shè)施和電纜進行安全防護，未防護或者防護不合格的位置禁止進行爆破作業(yè)。

2.2 總體方案

井筒-365 m 井壁出現(xiàn)環(huán)向破壞裂縫，混凝土輕微剝落。當時采取“架槽鋼井圈+破壁注漿+松木塊可壓縮層”的方案進行了加固處理。根據(jù)地層巖性，考慮原有可壓縮層壓縮效果、井壁加固范圍、地面抽水層位、礦井排水等方面因素，確定增加兩道可壓縮層，底部垂深分別為267.4 m、365 m（原可壓縮層開槽位置）。垂深267.4 m 破壁開槽后，新安裝卸壓槽，在垂深365 m 處將原有卸壓槽井圈及卸壓木拆除后通過破壁擴槽安裝新的卸壓槽。

以井筒垂深267.4 m 處可縮層開槽為例進行介紹。開槽高度為1.6 m，開槽底點標高267.4 m，開槽深度800 mm（即掏空內(nèi)層井壁），360°環(huán)向掏槽，采用“豎向開槽、兩側(cè)擴刷，分塊、分區(qū)、分段爆破”的方案進行爆破開槽[4]。開槽過程中分區(qū)開槽段高達到設(shè)計要求時，及時沿井筒圓周方向均勻打設(shè)液壓單體柱作為混凝土井壁臨時支撐，點柱穿鞋并將頂部使用楔子楔緊[5]。

2.3 爆破區(qū)域劃分及作業(yè)順序

2.3.1 爆破區(qū)域劃分

井筒內(nèi)共布置動力電纜2 處，通信電纜1 處。為防止開槽時飛石對動力電纜造成破壞，開槽時分別在相鄰的兩個區(qū)域電纜中間的位置開始開設(shè)豎槽，共設(shè)3 個開槽區(qū)，每個區(qū)域分別以各自開槽區(qū)為中線，左右布置裝藥，向兩側(cè)同時起爆擴刷，分別在動力電纜和通信電纜處閉合。爆破區(qū)域水平方向上劃分為掏槽區(qū)和擴刷區(qū)，豎直方向上劃分為光爆區(qū)和掏槽區(qū)（擴刷區(qū)），爆破分區(qū)如圖1。

圖1 爆破分區(qū)示意圖（mm）

2.3.2 作業(yè)順序

首先布置掏槽區(qū)，掏槽形成后，向左右兩側(cè)擴刷，擴刷高度1.18 m，擴刷深度0.8 m（內(nèi)壁寬度），單次擴刷寬度不超過0.6 m。擴刷后打設(shè)液壓單體柱作為混凝土井壁臨時支撐，點柱穿鞋并將頂部使用楔子楔緊，連續(xù)擴刷長度不能超過5 m，三個掏槽區(qū)一次打眼、分次爆破施工。

3 爆破參數(shù)設(shè)計

3.1 掏槽區(qū)爆破參數(shù)設(shè)計

3.1.1 炮孔布置參數(shù)

采用豎向掏槽，井筒豎直方向與水平方向各布置六排炮孔，炮孔采用梅花孔布置。水平方向上炮孔間距均為200 mm，上部3 區(qū)采用向下傾斜鉆孔，炮孔傾角為19°，炮孔長度為720 mm；上部2 區(qū)采用向下傾斜鉆孔，炮孔傾角為7°，炮孔長度為685 mm；其他炮孔全部采用垂直井壁鉆孔，炮孔長度均為680 mm，鉆孔直徑取42 mm。掏槽區(qū)炮孔布置如圖2。

圖2 掏槽區(qū)炮孔布置圖（mm）

3.1.2 單孔裝藥量

炮孔裝藥采用三級煤礦許用水膠炸藥，炸藥參數(shù)為：質(zhì)量420 g/卷，長度為400 mm，藥卷直徑為35 mm；炮孔長度為680 mm 和720 mm 兩種，采取間隔裝藥方法。

單孔裝藥量按下式計算：

式中：a為炮孔間距，m；b為炮孔排距，m；h為混凝土厚度，m；q為單位混凝土爆破的炸藥消耗量，g/m3。單孔裝藥量：Q=abhq=0.2 m×0.22 m×0.80 m×5100 g/m3=180 g。

3.1.3 爆破分區(qū)

為了保證掏槽效果，同時減小爆破對外壁的影響，掏槽時采用分區(qū)分次起爆。每個掏槽區(qū)分1 區(qū)、2 區(qū)、3 區(qū)三個區(qū)，各區(qū)單獨依次起爆，即1 區(qū)爆破清渣后，再起爆2 區(qū)，2 區(qū)爆破清渣完成后，最后起爆3 區(qū)，3 區(qū)爆破清渣完成，該掏槽區(qū)施工完成。直至三個掏槽區(qū)全部施工完成，進入下一階段施工。

3.1.4 裝藥結(jié)構(gòu)

為了使炸藥布置均勻，防止炸藥集中對距離其較近的井壁造成破壞，采用炮泥間隔裝藥結(jié)構(gòu)，每個炮孔裝填3 個藥包，藥包長度60 mm，炮泥間隔長度90 mm。

3.2 擴刷區(qū)爆破參數(shù)設(shè)計

井壁豎直方向掏槽完成后，從開槽區(qū)域向兩側(cè)進行爆破擴刷，直至所有井壁全部擴刷完成。

3.2.1 炮孔布置參數(shù)

井筒豎直方向布置6 排炮孔，井筒水平方向上掏槽區(qū)左右兩側(cè)各布置3 排炮孔。水平方向炮孔采用梅花孔布置，水平方向上炮孔間距均為200 mm，上部第1 排炮孔采用向下傾斜鉆孔，炮孔傾角為19°，炮孔長度為720 mm；第2 排炮孔采用向下傾斜鉆孔，炮孔傾角為7°，炮孔長度為685 mm；其余4 排炮孔全部采用垂直井壁鉆孔，炮孔長度均為680 mm。擴刷區(qū)炮孔布置如圖3。

圖3 擴刷區(qū)炮孔布置示意圖（mm）

3.2.2 單孔裝藥量

炮孔裝藥采用三級煤礦許用水膠炸藥，炸藥參數(shù)為：質(zhì)量420 g/卷，長度為400 mm，藥卷直徑為35 mm；炮孔長度為680 mm 和720 mm 兩種，采取間隔裝藥方法。擴刷區(qū)單孔裝藥量計算方法與掏槽區(qū)相同，裝藥量180 g。

3.2.3 爆破分段

擴刷區(qū)爆破時，采用孔間分段延時的方式起爆，共分4 個段別，孔內(nèi)不再分段。起爆順序遵循由內(nèi)向外、有臨空面的先響原則。

3.2.4 裝藥結(jié)構(gòu)

為了使炸藥布置均勻，防止炸藥集中對距離其較近的筒壁造成破壞，采用炮泥間隔裝藥結(jié)構(gòu)，擴刷區(qū)裝藥結(jié)構(gòu)與掏槽區(qū)相同。

3.3 光爆區(qū)爆破參數(shù)設(shè)計

井壁擴刷完成后，對井壁上下兩個光爆區(qū)的周邊孔進行爆破，整個井壁周邊孔共分三次進行爆破，上、下兩排周邊孔同時起爆。

3.3.1 炮孔布置參數(shù)

井筒上下邊界各布置1 排光爆孔，孔間距均為150 mm。井壁上沿光爆孔采用向下傾斜鉆孔，炮孔傾角為19°，炮孔長度為720 mm；井壁下沿光爆孔采用水平鉆孔，鉆孔長度為680 mm。光爆區(qū)炮孔布置如圖4。

圖4 光爆區(qū)炮孔布置示意圖（mm）

3.3.2 單孔裝藥量

炮孔裝藥采用三級煤礦許用水膠炸藥，炸藥參數(shù)為：質(zhì)量420 g/卷，藥卷直徑為35 mm，長度400 mm；炮孔長度為680 mm 和720 mm 兩種，采取間隔裝藥方法。

單孔裝藥量按式（1）計算：Q=abhq=0.15 m×0.22 m×0.80 m×4600 g/m3=121 g，取120 g。

3.3.3 裝藥結(jié)構(gòu)

為了使炸藥布置均勻，防止炸藥集中對距離其較近的井壁造成破壞，采用炮泥間隔裝藥結(jié)構(gòu)。每個炮孔裝填3 個藥包，藥包長度40 mm，炮泥間隔長度100 mm。

3.4 起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

為了加快網(wǎng)路聯(lián)接速度，檢查方便，所有雷管全部采用并聯(lián)方法，起爆電源采用380 V 交流電源。

4 爆破開槽要點

4.1 爆破開槽準備條件

1）水文觀測孔水位均勻有規(guī)律上升并溢出管口，最遲一層水位溢出管口7 d。根據(jù)現(xiàn)場測溫孔實測數(shù)據(jù)、井筒內(nèi)壁漏水變化情況，經(jīng)分析、判斷，凍結(jié)壁厚度、強度達到設(shè)計要求。

2）當凍結(jié)時間達到或超過井筒凍結(jié)設(shè)計工期，而水文觀測孔仍未冒水，經(jīng)中國礦大、建設(shè)單位、監(jiān)理單位、施工單位等專家共同對凍結(jié)鉆孔質(zhì)量、凍結(jié)設(shè)備運行數(shù)據(jù)、井壁出水等各方面的情況進行分析研判，判斷凍結(jié)壁強度、厚度達到安全開槽條件。

3）開槽上下壁間、壁后注漿及探水施工完畢，經(jīng)評估符合安全開槽條件。

4）鋼質(zhì)可壓縮結(jié)構(gòu)加工完畢，現(xiàn)場安裝措施完善，準備工作已完成。

5）井壁監(jiān)測設(shè)施及措施準備就緒，井壁沉降測量數(shù)據(jù)正常，達到安全開槽條件。

4.2 爆破開槽注意事項

1）開槽上下壁間、壁后注漿及探水施工完畢，經(jīng)評估符合安全開槽條件后方可進行開槽作業(yè)。

2）井幫布孔前，必須由測量人員對井下開槽區(qū)域位置進行實測，嚴格按照爆破方案的設(shè)計要求進行布孔，確保開槽位置準確無誤。

3）鉆鑿具有傾角的炮孔時，要嚴格控制鉆孔傾角。當鉆進50～100 mm 時，通過坡度規(guī)檢查鉆孔傾角，在鉆孔過程中不間斷檢查坡度規(guī)角度，確保鉆孔傾角符合設(shè)計要求。

4）裝配起爆藥卷工作，必須在地面專用的房間內(nèi)進行，且距離井筒不得小于50 m。嚴禁將起爆藥卷與炸藥裝在同一爆炸物品容器內(nèi)運往井下爆破施工地點。

5）裝藥過程中如發(fā)現(xiàn)堵塞時應(yīng)停止裝藥并及時處理，在未裝入雷管以前，可用木質(zhì)炮棍處理，嚴禁用鉆具處理裝藥堵塞的炮孔。

6）對于不同的裝藥結(jié)構(gòu)，制作長度不等的裝藥炮棍，在炮棍上用紅色膠帶做好標記。

7）開槽擴刷期間密切關(guān)注井壁下沉變化情況，選用DW22 型單體液壓點柱作為臨時支撐，要求單體穿鞋戴帽。

5 應(yīng)用效果分析

由于井壁為C50 混凝土，風(fēng)鎬難以打碎混凝土，采用控制爆破技術(shù)開槽，精心設(shè)計控制爆破方案，并由經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員負責(zé)實施，嚴格按設(shè)計精心施工。開槽期間沒有出現(xiàn)井壁下沉、破裂出水等異常情況，有效防止了井筒內(nèi)敷設(shè)的動力電纜損壞，達到了保留井壁完好率與穩(wěn)定性、開槽邊界完整性的效果。

6 結(jié)語

破壁開槽是井筒修復(fù)中改造井壁結(jié)構(gòu)最關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，鑒于井壁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、井筒內(nèi)施工難度大、受損井壁易片幫等影響因素[6]，采用“定向爆破+人工擴刷+分段爆破+逐段打點柱”的開槽方式，有效地保證了井壁開槽作業(yè)的安全和質(zhì)量，達到了防治井壁破裂災(zāi)害的目的[7]。井壁爆破開槽工期10 d，井壁完好率達到95%以上。自2020 年7 月井壁維修竣工至今3 年有余，可縮層累計沉降量達到20 mm，緩沖了導(dǎo)致井壁破壞的豎向附加力，對雙層井壁井筒修復(fù)的推廣應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。