晓南矿新中央风井表土层沉井施工技术.pdf

第 1 6 卷第 8期 2 0 0 7年 8月 中 国 矿 业 CHl NA M l NI NG M AGAZI NE Vo 1 1 6 ，No 8 Aug us t 2 0 07 晓南矿新中央风井表土层沉井施工技术 张朋寿 ，黄成麟 ，孙文清 ，刘忠石 ( 1 铁法煤业 ( 集团)有限责任公司建设公司，辽宁 铁岭 1 1 2 7 0 0 ； 2 铁 法煤 业 ( 集 团) 晓 南矿 ，辽 宁 调 兵 山 1 1 2 7 0 0 ) 摘要 ： 本文介绍 予在 晓南矿新 中央风井表土层施 工中 ，通过采用排 砂潜水泵 在工作面排水 、排砂 和采用抓岩机的抓斗潜 入水 中挖 砂等项综 合沉井施 工技术 措施 ，解决 了渡流 砂层施工 手技术上 的难题 ， 取得 了表土层施工的技术成果。 关键词 ： 风井 ；表土层 ；沉井施工技术 中图分类号 ：T D 8 2 3 1 1 文献标识码 ：B 文章编号 ： 1 0 0 4 4 0 5 1 ( 2 0 0 7 )0 8 -0 0 3 7 0 4 Th e n e w ce nt r a l b r e e z e - we l l in t he t o p s o il l a y e r o f x ia o n a n co a l co n s t r u ct io n t e ch niqu e wo r k ing in t h e s in k - we l l ZHANG P e n g - s h o u ， HU ANG Ch e n g l in ， S UN W e n - q in g ， LI U Z h o n g - s h i ( 1 De v e l o p me n t s Co mp a n y Of Tie Fa C o a l I n d u s t r y Gr o u p Co r p r o r a t io n Limit e d ， Tidin g 1 1 2 7 0 0， Ch in a ； 2 Xia o n a n C o a l M in e Of Tie Fa Co a l I n d u s t r y Gr o u p Co r p r o r a t io n Limit e d， D ia o b in g s h a n 1 1 2 7 0 0 ， Ch in a ) Ab s t r a ct ：Th is t e x t in t r o d u ce s t O d ig in n e w ce n t r a l b r e e z e - we l l in t h e t o p s o il l a y e r o f Xia o Na n co a l ， p a s s a d o p t io n s h u t o f f s a n d d iv e p u mp a t wo r k e d d r a in、 s h u t o f f s a n d wit h a d o p t t h e p e a k o f t h e g r a s p r o ck ma ch in e g r a s p s n e a k in wa t e r d ig g in g o u t s a n d e t c s y n t h e s iz e s co n s t r u ct io n t e ch n iq u e in t h e s in k we l l ， S o l v in g t h e h a r d P r o b l e m o f wo r k in g in t h e f l o a t s a n d l a y e r ， o b t a in in g s t r u e t io n t e ch n iq u e r e s u l t wo r k in g in t h e t op s oil1 a y e r 。 Ke y wo r d s ：t h e b r e e z e - we l l ；t o p s o il l a y e r ； co n s t r u ct io n t e ch n iq u e wo r k in g in t h e s in k - we l l 1 概况 晓南 矿 中央 风井 井 筒 ，是 根 据 2 0 0 4年版 煤 矿 安全规程有关规定 ，为完善晓南矿矿井通风系统而 设计的。该井筒位于晓南矿工业广场北侧铁路集运 线 3 9 3 m处，井筒设计 断面为净 直径 5 0 0 0 mm 的 圆形断面 ，壁厚 4 5 0 mm，素砼结构。其掘进断面 为 2 7 3 4 m。 ，净断面为 1 9 6 3 m。 ，井筒总深 3 6 0 m。 井颈段根据表土层施工方法另行设计 。 钻孔孔 口绝对 标高为+6 5 4 0 m，地层浅部 由 第 四系地 层 组 成 ，埋 深 到 +3 5 4 0 m，下 部 由 白垩 系、侏罗系地层组成。 1 1 水 文地质 经勘察 ，静水位距地表 1 2 0 m，埋 深 2 4 0 3 0 0 m 的沙层富含地下水 ，稳定 2 4 h测量静 水位 标高为+4 8 4 m，埋深 3 0 m 以下 ，地层为全 风化 收稿 日期 ：2 0 0 7 一O 4 1 9 作者简介 ：张朋寿 ( 1 9 6 4 一 ) ，男 ，现任 铁集 团建设 公司矿 建一公 司副经理 ，助理工程 师 及强风化泥岩、砂岩 ，砂 岩层含水率为 1 O 8 8 1 2 7 1 。施 工时 ，也会 有地 下水 渗 出 ，地下 水 补给来源，以区域性补给为主，垂直补给为辅。 水 文勘察 期 间 ，共 完成抽 水孔一 个 ，观测孔 三 个 ，抽 水孔孔 深 3 5 m，观测孔孔 深均 为 3 0 m。 勘察期间，地下水埋深 1 O 6 O 1 0 9 5 m，水位 标高为+5 7 7 2 5 4 7 5 m，含水层渗透系数为 2 O 3 0 m d ，影 响半 径 为 4 1 2 6 7 m，抽 水 孑 L ( 直 径 0 4 m)出水量 1 2 2 4 m 。 d( 5 l m。 h ) ，单位涌水量 为 2 0 8 L s m 水文勘察报告建议 ，新建风井在施工期间 ，可 采用管井井点进行施工降水 ，降水井宜布置在沉井 外侧 3 m 处 ，降水井孔 径采用 6 5 0 mm，管径 采用 4 0 0 mm，过滤 器采 用钢 筋 骨架式 。降水井 计算 ： 渗透系数采用 K一2 4 m d ，影响半径采用 k 一9 5 m。 2方 案的选 择 根据 井筒 检查 钻 孔 提供 的表 土水 文 地 质 资料 ， 井简要穿过 1 0 m 深的流砂层 。鉴于 晓南矿主井井 维普资讯 中 国 矿 业 第1 6 卷 筒表土层施工及大明矿风井过流砂层的施工经验， 确定采用井外降水普通沉井法施工。 经分析 比较，此种施工方法具有施工工 艺简 单、便于操作 、准备工程量小 、井壁的整体性和封 水性好等优点 ，技术可行 、经济合理。其缺点是 ： 井 内降水后 ，与井外水位形成压差 ，可能造成井筒 内涌砂 ，井外 地 表塌 陷及沉井 偏斜 等 问题 ，在施 工 中必须认真观察，及时采取相应措施力求避免。 2 1 沉 井设 计 沉井参数选择 。根据水文地质资料分析，拟将 沉井沉到+2 7 3 6 m，沉井深度为 3 8 0 4 m，其中刃 脚高度 4 5 m。 刃角结构：刃角角度设计 为 3 0 。 锐角，用 1 2 矿用工字钢做骨架外包钢板焊制，外 钢板采用 2 0 mm 厚钢板 ，高 3 0 0 0 m，内斜面 钢板 斜长 3 0 9 8 mm，内直钢板高度 1 8 1 7 mm，厚度均为 1 2 mm。环筋用 L 8 0 X 8 0 1 0 mm 角铁 ，刃 尖 为 2 4 k g m钢轨 ，刃尖外 直径 比沉井井 壁外 直径 大 0 4 m，刃脚分 8块制作，总重 3 8 1 8 3 t ，组装后浇 注砼 ，砼 强度 C 3 0 。沉 井井 壁结构 ：沉 井净 直径 5 3 m，壁厚 1 4 m，钢 筋 砼 结 构 ，砼 强 度 等 级 C 3 0 ，配筋为竖筋 2 2 mm 螺纹钢，间距 3 0 0 mm， 环筋 2 0 mm 螺 纹 钢， 间 距2 0 0 mm，联 系 筋 P 1 2 mm圆钢，间距 1 0 0 0 mm，沉井壁外 2 0 0 mm的 圆环空间内充填 1 0 3 0 mm 河卵石用 以减阻。 套井 ：套井的作用，一是护坡 ，防止刃角组装时沉 坑 滑坡对 人员 构成威 胁 ，同时 也减小 沉坑 面积 ，增 加沉井周围的稳定 ；二是在套井与沉井之间的环形 槽内储存河卵石，在沉井下沉时充入沉井壁后，用 以减少沉井下沉时的侧面阻力 ；三是可用顶子打在 套井壁和沉井井壁间，用于沉井定位和纠偏 。 套井设计深度为 4 0 m，净直径 9 7 m，壁厚 6 2 0 mm，采 用料 石砌筑 ，砂 浆强 度等级 M1 0 。 沉井深度。表土层 3 0 7 7 m 以下是砾岩、泥岩 及砂岩互层 ，风化严重。按规范要求 ，沉井穿过冲 积层并进入不透水岩层的深度不得小于 3 m，因此 ， 刃脚底 应 穿过层 厚 3 2 4 m 的泥岩 层 ，沉 至 3 8 0 4 m 砂岩 层 ，即沉井 全深 H一3 8 0 4 m。 沉井 直径及 壁厚 。设 计需 要有 效直 径 d 一 5 0 m，按 规范规 定 ，偏 斜 率不大 于 0 5 ，即 d d 1 + H X一 5 0 + 3 5 X 0 0 0 5 5 1 7 5 m 取 一5 3 m，初 选井 壁厚度 h 1 4 m。 沉 井井 壁 外 直 径 为 Dd + 2 h 一5 3 +2 1 4 8 1 m 下沉系数核算 。 一 下 G 一 1 7 5 1 1 5 一 。 一 一L 川 L 下沉条件可以满足。 3沉 井施 工 施工顺序 ：地面设施准备及构筑 一套井掘砌 一 安装井架一组装沉刃浇注砼一接井壁沉井下沉 一打井外降水井一沉井到位封刃角 3 1 设备 选择 根据沉井施工设计要求 ，选用施工设备见 表 1。 表 1 沉井施工期 间设备配备明细表 3 2 套井 掘砌 套井施工的土方 ，采用挖沟机挖掘，配合一台 铲车将挖出的土方平整垫在井筒周围 ，使井 口及施 工广场 附近标高 尽快 达到 +6 6 5 m 的设计 标高。 挖掘时，由井筒中心逐渐向四周扩展 。挖掘前，要 校对井 筒 中心并设 置 十字线 基点 ，用 十字 中心线标 出套井外径后，开始挖掘到设计深度 。 砌筑料石前 ，将井筒十字线交点挂垂球到套井 底作为套井 中心 ，并在井底 留好中心桩，操平底板 后 ，画出套井壁轮廓线 ，铺垫 5 0 mm 砂浆后 ，开 始按质量标准要求砌料石。 3 3刃脚施 工 套井砌筑结束，在井底铺设砂土 2 0 0 mm，夯 实找平 ，按幅射状 铺 设道 木 ，道木 内端头 密排 ，间 隙 为 7 mm，圆周 用 1 0 0根 2 0 0 X 2 0 0 X 2 0 0 0 mm 道 木 ，外端等距离摆放 ，间隙为 7 6 5 mm，端头探 出 刃尖 5 0 mm，将道 木垫平 ，高 差 5 mm，道 木 间用 砂子填满并洒水使砂子沉实 ，道木间用两道木板连 接使之 固定 ，用井筒十字线将中心返到井底 ，并用 木桩固定 ，在道木上放出刃尖位置线 ，将加工好的 刃脚按编号顺序放人井 内垫木上组装找正 ，进行刃 角固定焊接形成一体 。刃角 组装后 ，重新 校对中 心 ，合格后绑扎钢筋浇灌砼。 3 4 沉井 下沉施 工 维普资讯 第 8期 张朋寿等 ：晓南矿新 中央风井表土层沉井施工技术 3 9 ( 1 )沉井 掘进施 工 当刃角砼强度达到要求，提升井架及 J D - 5 5绞 车安装完毕后 ，开始拆除所有斜撑 、垫木 。为使刃 脚均匀沉入泥沙中，采取对称拆除撑木抽 出垫木方 法 。 在沉井下沉后 ，即开始工作面挖掘，使沉井靠 自重 均匀 下沉 。挖掘 顺序 为先 中央后 周边 ，挖 周边 时 ，必须 均衡对 称挖 掘 ，以防沉 井偏斜 。 为保 证 井 内作 业人 员 的安 全 ，在 刃脚 上 方 2 0 m 处 ，沿 沉 井 圆 周 设 置 8 0 0 ram 宽 的 掩 护 盘 ( 提 升 中心对 侧井 内半 周 ) 。在 吊桶提 升下 放时 ，工 作面人员躲到掩护盘下，以防坠物。掩护盘到工作 面设置爬梯 ，掩护盘到地表 ，在砌筑沉井壁时预埋 铁梯 ，供人员上下使用。 沉 井 挖 掘 时 ，人 工 挖 土 挖 砂 ，装 入 1 0 m。 吊 桶 ，用 J D - 5 5绞 车 提 升 到 翻 矸 台后 ，挂 钩 翻 到 地 面，用铲车装入翻斗汽车排出。沉井的沉深段高保 持与井壁砌筑高度相等 ，均为 2 0 m。 ( 2 )沉 井井壁 施工 按设计要求对刃脚进行配筋，竖筋用 O2 2 mm 圆 钢 ； 间 距3 0 0 ram， 环 筋 为O2 0 mm， 间 距 2 0 0 ram，联系 筋 1 2 mm，间距 O5 0 0 mm，严 格按 照钢筋砼施工规范进行 ，保证施工质量 。 砼标号为 C 3 0 ，在试验室进行配比试验后 ，根 据 试验室 提供 的数据 进行砼 配 比。砼 浇 注时 ，采用 多点均匀对称 浇注和分层 连续浇 注法 ，搅 拌机拌 料 ，电动 插入 式震动 器捣 固 ，一次 连续浇 完 ，避免 偏载产生不均匀沉陷。 ( 3 )排水 在沉井过程中，为保证在流砂层 中顺利挖掘 ， 排水是一个重要环节 ，降水井布置在井筒 中心外 1 5 m处 ，等距离布置 五 口降水井 ，每 口井 内设一 台扬 程大 于 4 0 m 的电动潜 水泵 ，六 台泵 同时 工 作 ， 确保水位低 于工 作面 5 0 0 ram 以下。降水 井直 径 6 5 0 ram，管 径用 4 0 0 ram，过滤 器采 用钢 筋骨架 式 。 在 稳定 土层及 砂层 中挖 掘 时 ，在工 作 面中 心挖 一 个 c p 1 0 m，深 0 6 m 以上 的超前 集水 井将水集 中 ，内设扬 程大 于 4 0 m 的潜 水泵 排水 。 ( 4 )沉 井纠偏 在 沉井 过程 中 ，以防偏 为主 ，纠偏 为辅 。在施 工 中，要 根据 易于 产生偏 斜 的原 因来 防止偏斜 。具 体方法有 ：挖掘不均 ，工作面不平，造成正 面阻 力 不均 。在挖 掘时 ，必须 做 到先 中央后 周边 ，均匀 对称，不 得偏挖 ，深度一致 。刃角下 遇到障碍 物 ，如大块砾石等 ，及时清除。刃角下砂层软硬 不均 ，软的部分下 沉较 快 ，挖 掘时先挖较 硬的一 侧 。刃角某一部位发生涌砂 、冒泥 ，使壁后形成 空洞 ，阻力减小 。挖掘时 ，要设专人观察 ，并在刃 角处用砂袋填堵增加阻力。砌筑井壁时 ，要均匀 对 称浇 注 ，避 免 造 成 偏 重 。 要 随 时 掌 握 偏 斜 情 况 ，随时采取相应措施及时纠偏 。 沉 井偏 斜是 在下沉 的过 程 中发 生 的 ，纠偏 也应 在 下沉 的过 程 中进 行 ，要根 据偏斜 产生 的原 因 ，采 取 相应 的纠偏 措施 。 ( 5 )沉 井测量 沉井下沉时 ，要认真做好测量工作 ，并作好下 沉情况、偏斜情况 、是否跑砂等记录。使施工人员 及时了解各部位的偏斜情况。 为了使每段能准确的得到测量结果 ，可根据井 筒十字线 ，在井壁上的四个方位设测点 ，挂四根垂 线 ，使垂线在同一高度 ，终点在同一水平面上 ，每 下沉一段 ，用水准管测一次四点之间的高差，同时 还可测出井壁的垂直度 ，由此可判断出沉井 的偏斜 方 向及大 小 。 ( 6 )刃角 封砌 当沉 井刃脚 进 入基岩后 ，停 止沉 井施工 ，进 行 工作面封砌刃脚工作 。封刃角 时，刃尖处大量 涌 水 ，施工 时，用胶管将涌水集 中导出，然后浇 注 砼 。 4施 工及 设计 变更情 况 ( 1 ) 沉井 长度 的变更 沉井 设 计 长度 3 8 m，当沉井 沉 至 3 1 4 m 时 ， 沉刃进入基岩以及井外地表塌陷，使粘土层围抱外 井壁等原因，沉井停止下沉 。施工 中，采取了井下 风镐挖掘和井上加配重荷载等措施 ，均无效果 ，为 此沉井提前终止施工 ，进行封砌刃脚工作。 ( 2 )降水井数量增加 沉井 下沉 至 2 2 m 时 ，井 内涌 水量 增 大 ，施 工 时，采用 了普通潜水泵和离心泵排水，均无法保证 正常挖掘。因此，在原设计五眼降水井间隙，再补 打了五眼井 ，以降低井内水位 。 ( 3 )改人 工 挖砂 普 通 沉井 为抓 岩 机捞 砂 淹 井 沉井 施工 经过 人工 挖 掘 ，沉井 沉 至 2 6 m 时 ，井 内排 水 后 ，井 内外水位 差增 大 ，井 内开 始 出现 涌 砂 现象 ， 随之井外地表开始塌陷下沉。沉井暂停施工 ，研究 解决办法 。经研究 ，将 Hz 一6 B型抓岩机抓斗用 提升绞车提升 ，进行水下捞砂作业 ，将普通沉井改 为淹井沉井 。为克服 井 内水浮力作用影响沉井下 沉 ，在沉井 井 壁 和 临 时 井 盖 上 ，用 砂 袋 增 加 荷 载 维普资讯 4 0 中 国 矿 业 第1 6 卷 3 0 0 t ，保证 了沉 井较顺 利下 沉 。 5 该沉井施工得与失的体会 ( 1 )虽然该沉 井在施工 中多次跑砂 、冒水 ， 几乎造成沉井失败 。在这种情况下 ，经多方努力， 大家共同想办法，出主意 ，提出了不少挽救措施 。 最终使沉井在困境中渡过 了流砂层 ，使表土层施工 得 以完 成 。 采用 B S Q1 5 0 5 0型排砂潜水泵 ，在工作面排 水 、排砂。进入流砂层后 ，井筒工作面涌水严重， 采用其它水泵排水十分困难。工人在工作面无法用 锹挖砂 ，而是在水 中捞砂 。劳动强度大，效率低 。 采用排砂潜水泵的最大优点是 ，该泵能将水和砂一 起排 出地面 。 采用 HZ 一 6 B抓岩机的抓斗潜入水 中挖砂 ，采 用此方法的优点是 ：施工人员不下井 ，能充分保 证施工人员的安全 。该抓斗可潜入水中作业 ，人 员在地面远距离操作，解决 了特殊 作业环境及条 件。挖砂效率高，抓斗直接用绞车提升，抓满一 斗砂后 ，可直 接 用 绞 车提 到 翻矸 台卸 砂( 每 斗 0 6 m。 ) 。 采 用 以上两 项技术 ，对 该沉井 通过流 砂层 起到 了致关重要的作用。今后有类似工程 ，也可以作为 借鉴 。 ( 2 )教训 表 土层施 工对 流砂 的危 害性认 识不 足 。首先 是 思想上没有足够重视 ，所以在施工前的准备工作做 的不充分 。 疏干井布置不均匀 ，数量不够 。在疏干井之间 的水位降不下去 ，致使往井筒 内涌水。后期补打疏 干井 ， 由于地下水路不通 ，多为干井，起不到降水 作用 。 由于多次跑 砂 ，地表下沉 ，沉井偏斜 无法控 制 ，造成沉井偏斜大大超过规范规定。 施工人 员的安全难 以保证 。频繁跑砂容易埋 人 ，地表下沉容易损坏施工设备 。 综 上所述 ，风 井表 土层 沉井施 工 ，虽然 遇到 了 很多技术上的难题 ，最终还是渡过了流砂层 ，完成 了表土层施工 。实践中，我们也得到了一些经验和 教训 ，同时 也有 了丰 富 的技 术积 累 。这 就是 根据 流 砂层的厚度及涌水量 ，确定合理的沉井方法是非常 关键的，在沉井过程 中，为保证在 流砂 中顺利 挖 掘，排水是一个重要环节 ，只要方案正确 ，经济合 理 ，技术上可行 ，安全上可靠 ，就能收到 良好的效 果 。 一 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 米 ( 上 接第 3 6页 ) 择 J 中国矿业大学学报，2 0 0 2 ，3 1( 5 ) ： 3 4 1 3 4 3 ( 3 )采用现场实际数据 进行 了实例研究 ，验 【 4 矿主 ： 爆： 破44 与- 拉4 6 斗 铲 倒 堆