立井施工技术与装备.ppt

2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 1 3立井施工VerticalShaftDrillConstruction 立井 又叫竖井 是地下工程中的常见工程 山岭隧道 水电工程 城市地铁等市政工程 水利工程以及军事国防工程等都离不开立井的使用和施工 尤其是地下矿山 使用更为广泛 由于它是整个矿井的总出入口 地位显得更加重要 随着我国交通 水利事业的快速发展 长距离的公路 铁路 引水隧道 出于施工和运营的需要 开凿的竖井也越来越多 例如长18km的秦岭公路隧道设置了三处通风竖井 长14 89km的 引大入秦 水利工程中的顶山隧道开凿有8个竖井 学习和掌握立井施工技术是非常重要的 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 2 3 1概述 立井井筒的特点是深度大 断面积大 水文地质条件复杂 相对于平巷 或隧道 而言 施工难度大 施工技术复杂 施工工期长 因此 为加快凿井速度 缩短凿井工期 必须采用先进的施工技术 提高施工机械化水平 在具有第四纪冲积地层的地域开凿立井时 立井井筒一般要穿过表土与基岩两个部分 表土稳定时可采用普通的人工挖掘施工 表土松软 稳定性较差时须采用特殊凿井方法 钻井 沉井 或特殊工法 注浆 冻结 帷幕 基岩部分目前仍以钻眼爆破法施工为主 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 3 近十几年来 我国立井施工机械化水平有了很大的提高 深孔光爆 锚喷支护 凿岩钻架 0 6m3抓岩机 4 5m3大吊桶 自动翻矸 大型凿井专用提升机 大吨位凿井绞车 V型凿井井架 高3 4m金属整体液压脱模模板 混凝土输送管 高扬程吊泵 千米激光指向仪 注浆堵水打干井等凿井设备与技术得到了广泛使用 施工设备和技术水平的提高 大大提高了施工速度 1974年全国煤矿立井施工平均月成井16 4m 1997年达到了45m 2002年又达到70m以上 据不完全统计 1986年 1996年有23次月进度突破100m 而1997年一年就有28次突破100m 1998年有19次突破100m 其中5次超过180m 最高达到216 5m 表土冻结段 2002年又创造了基岩段月成井220 6m的新纪录 施工速度的提高 大大缩短了井筒的施工期 目前煤炭矿山的立井月进度大多在100m以上 因而涌现出了一批深度600m以上能够当年开工 当年到底的井筒 目前 我国的立井施工水平已达到世界先进水平 已有多家施工企业中标国外立井工程 3 1 1我国的立井施工技术水平 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 4 3 1 2立井的类型与结构 采用立井开拓的煤矿一般有两个或两个以上的立井井筒 根据井筒的用途不同 立井井筒一般分为三种 主井 副井和风井 主井 专门用来提升煤炭的井筒称为主井 主井内设有箕斗 故又称箕斗井 副井 用于升降人员 设备 材料及提升矸石的井筒称为副井 井筒内通常设有罐笼 故又称为罐笼井 某些特大型矿井还有专门为提升矸石服务的矸石井 风井 主要作为通风用的井筒 称为风井 一般作为出风用 也可当作全矿的安全出口 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 5 在隧道和城市地下工程中 一般分为 为运营需要的通风井 为加快施工速度而开凿的措施井 属于辅助坑道 为安装隧道施工设备的工作井 水利水电工程的管道井等 另外 还有国防工程中的发射井 水利工程中的取水井等 立井按深度划分时 有浅井 中深井 深井和超深井等 对于矿山而言 一般不足300m深时为浅井 300 800m为中深井 800 1300m为深井 1300m则可视为超深井了 对于城市地下工程 大多不超过50m深 超过50m可能就属于深井了 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 6 至今 第四时代 立井井筒的形状与结构 立井井筒的断面形状一般以圆形和矩形为多 矿山立井基本上都是圆形 其它行业可根据需要设计为圆形或矩形 一般情况下 立井井筒自上而下可分为井颈 井身和井底三部分 根据需要 在井筒的适当部位还设置有壁座 井颈是指靠近地表 井壁需要加厚 由于需承受井架提升及周围建筑物的荷载 的一段井筒 其深度在矿山一般为15 20m 其它行业多2 5m 井颈以下到罐笼出车水平或箕斗装载水平为井身 井身是井筒的主要组成部分 井身以下部分为井底 其深度取决于提升过卷高度 井底装备要求和井底水窝的深度 主井的井底深度一般为35 75m不等 副井的井底深度一般为10m左右 风井井底深度一般为4 5m 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 7 3 1 2立井施工的基本工艺 井筒正式掘进之前 需先在井口安装凿井井架 在井架上安装天轮平台和卸矸平台 同时进行井筒锁口施工 安设封口盘 固定盘和吊盘 另外 在井口四周安装凿井提升机 凿井绞车 建造压风机房 通风机房和混凝土搅拌站等辅助生产车间 待一切准备工作完成后 即可进行井筒的正式掘进工作 立井是垂直向下掘进的 为施工服务的大量设备 管线等都要悬挂在井筒内 且随工作面的推进而下放或接长 立井普通法施工的一般顺序是 自上而下掘进 当井筒掘够一定深度 一个段高 后 再由下向上砌壁 掘进和砌壁交替进行 每一段高内的工艺顺序是先打眼放炮 再装岩出矸 最后进行砌壁 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 8 1 天轮 2 凿井井架 3 卸矸台 4 排水管 5 井盖门 6 混凝土搅拌机 7 封口盘 8 混凝土输料管 9 固定盘 10 吊泵通过口 11 吊盘上层盘 12 壁座 13 气动绞车 14 吊盘下层盘 15 金属模板 16 吊泵 17 抓岩机 18 吸水笼头 19 卸矸溜槽 20 溜槽闸门 21 轻便轨道 22 矿车 23 局部通风机 24 空气压缩机房 25 凿井稳车 26 提升机房 27 风筒 28 滑架与保护伞 29 稳绳 30 提升钩头 3l 吊盘裤叉绳 32 喇叭口 33 吊盘定位丝杠 34 输送混凝土的活节管 35 压气管 36 吊盘折页 37 分气器 38 风筒卡子 39 挂钩 40 井圈 41 背板 42 撑柱 43 吊桶 立井井筒施工概貌 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 9 3 2表土施工 表土层 将覆盖于基岩之上的第四纪冲积层和岩石风化带统称为 由于表土层土质松软 稳定性差 变化大 含水量一般比较丰富 又因接近地表 直接承受井口构筑物的荷载 因此 施工比较复杂 欲要安全 快速地通过表土层 最重要的是根据土层性质正确地选择表土施工方法 以及确定相应的施工设备和设施 稳定表土层 包括含非饱和水的粘土层 含少量水的砂质粘土层 无水的大孔性土层和含水量不大的砾 卵 石层等 不稳定表土层 包括含水砂土 淤泥层 含饱和水的粘土 浸水的大孔性土层 膨胀土和华东地区的红色粘土层等 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 10 3 2 2锁口砌筑 在井筒进入正常施工之前 不论采用哪一种施工方法 都应先砌筑锁口 用以固定井筒位置 铺设井盖 封严井口和吊挂临时支架或井壁 锁口分类 临时锁口 由井颈上部的临时井壁 锁口圈 和井口临时封口框架组成 在后期砌筑永久井壁时还要拆除 常用砖石 砌块或混凝土砌筑 临时锁口的深度一般为2 3m 永久锁口 指井颈上部的永久井壁和井口临时封口框架 永久锁口深度视井筒设计而定 锁口框可用钢梁 I20 I45 铺设于锁口圈上 或独立架于井口附近的基础上 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 11 钢结构简易锁口框1 钢梁 2 U形卡子 3 井圈 4 挂钩 5 背板 6 垫木 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 12 3 2 3表土掘砌方法 3 2 3 1井帮维护方法 降低水位法 工作面超前小井降低水位法 钻孔降水法 板桩法 直板桩 斜板桩 其他方法 如混凝土帷幕 地下连续墙 法 搅拌桩法 注浆法等 它们在城市地下工程的竖井中得到较多应用 冻结法 在井筒开挖范围之外 沿井筒四周布置冻结管 对地层进行冻结 待冻土形成一定厚度时再进行开挖 井圈背板法 先在工作面架好槽钢井圈 然后向井圈后插入木板 又叫背板 作临时支护 每掘进一段井筒 1 1 5m 便架设一道井圈和背板 掘进一定高度后 一般不超过30m 再由下向上拆除井圈 背板 砌筑永久井壁 适用于较稳定的土层 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 13 图3 2地面直板桩1 外导圈 2 内导圈 3 板桩 4 打桩机 5 轨道 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 14 图3 3斜板桩1 导向圈 2 中间导向圈 3 副导向圈 4 斜板桩 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 15 3 2 2 2井筒的挖掘方法 在设置有井盖 封口盘 的立井 一般用人工使用铁铲挖掘和装土 土质较硬时用风镐挖掘 人工装土 土质较松软时也可用抓岩机挖掘和装土 表土施工一般采用短段掘砌施工方法 为保持土的稳定性 减少土层裸露时间 段高一般取0 5 1 5m 按土层条件 分别采用台阶式或分段分块 并配以超前小井降低水位的挖掘方法 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 16 图3 4表土施工挖土方法 a 台阶式环挖法 b 分块对称开挖法1 水窝 2 3 开挖顺序 4 环形集水沟槽 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 17 3 2 2 3井壁的砌筑方法 表土段一般采用短段掘砌法 即挖掘一定高度便进行砌筑井壁 从上向下逐段施工 施工时 首先将工作面整平 然后绑扎钢筋 架立模板和浇注混凝土 当采用素混凝土井壁时 在上段井壁砌好后 下部土被挖去 井壁就会处于悬空状态 为防止因混凝土强度不够或混凝土与井帮间的摩擦力不够 土对井壁的围抱力小 而使井壁发生环向拉开裂缝或沿井帮下滑 应采用吊挂井壁法施工 即在井壁中专门设置用于吊挂井壁的钢筋 钢筋的下端为圆环 上端为钩子 井壁砌筑时将钢筋的钩子挂到上段井壁预埋的钢筋环上 下端插入刃脚模板下方 然后浇注混凝土 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 18 3 2 4表土的提升 按表土性质 埋深和设备条件 表土施工的提升方法有下列几种 汽车起重机提升简易龙门架提升矩形框架式井架提升帐幕式井架提升直接利用标准凿井井架和凿井专用设备提升先用简易设备 后改用凿井专用设备的提升直接利用永久井架 塔 及永久提升设备提升 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 19 图3 6龙门架1 槽钢 2 工字钢横梁 3 连接钢板 4 450mm钢管立柱 5 开式索具螺丝扣 6 锚注桩 7 0 6m天轮 8 连接板 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 20 横梁 行车梁 土斗 电动葫芦 钢管立柱 斜撑 竖井 图3 7矩形框架式井架 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 21 图3 8简易帐幕式井架1 天轮 2 300 300 2000mm方木 3 螺栓 4 木锁口梁 5 基础 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 22 1 抓岩机械中心回转抓岩机 HZ型 环行轨道抓岩机 HH型 靠壁式抓岩机 HK型 钢丝绳悬吊式抓岩机 HS型 2 抓岩机的选择 装岩机必须生产力的计算 类型及斗容的选择3 排矸翻矸方式 人工和自动翻矸 储矸与运矸 3 4装岩与排矸 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 23 图3 13中心回转抓岩机1 抓斗 2 臂杆 3 提升机构 4 回转机构 5 变幅机构 6 机架 7 司机室 8 变幅推力油缸9 行走小车 10 抓斗 11 下层吊盘 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 24 图3 14环行轨道抓岩机1 抓斗 2 提升机构 3 操纵室 4 行走机构 5 中心回转机构 6 环行小车 7 环行轨道 8 吊盘固定装 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 25 3 4 2抓岩机的选择 抓岩机是立井施工设备选择中必须最先进行的设备 它的合理性与否直接关系到整个井筒机械化配套的合理性 选择抓岩机时首先应根据施工进度要求估算必须的抓岩能力 然后结合与其它设备 工艺的配套要求选出抓岩机的类型和数量 抓岩机类型的选择抓岩机类型可根据井筒的深度 直径 围岩稳定性 机械化配套方案 现有设备状况 操作维修水平等选择 抓岩机斗容的选择式中 p0 根据施工进度和循环时间确定的装岩生产率 m3 h t 放炮后开始抓岩到清底前这一阶段抓斗抓取一次的时间 25 35s K1 抓岩机工时利用率 与很多因素有关 一般可取0 6 0 9 K2 抓斗抓满系数 第一阶段抓岩时 可取1 0 1 1 q qB 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 26 立井掘进时 矸石吊桶提至卸矸台后 通过翻矸装置将矸石卸出 矸石经过溜矸槽或矸石仓卸入自翻汽车或矿车上 然后运往排矸场 翻矸方式有人工翻矸和自动翻矸两种 自动翻矸装置有座钩式 双弧板链球式和翻笼式三种 其中以座钩式最为普遍 3 4 3排矸 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 27 人工翻矸 吊桶提至翻矸水平 关闭卸矸门 人工将翻矸吊钩挂住桶底铁环 下放提升钢丝绳 吊桶随之倾倒卸矸 这种翻矸方式提升休止时间长 速度慢 效率低 用人多 吊桶摆动大 矸石易倒在平台上 不安全 使用大吊桶提升时问题更突出 现已较少采用 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 28 图3 15挂钩式翻矸方式1 溜矸槽 2 提升绳 3 吊桶 4 吊钩 5 卸矸门 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 29 坐钩式翻矸 它由钩子 托梁 支架和底部带有中心圆孔的吊桶组成 其工作原理是 矸石吊桶提过卸矸台后 关上卸矸门 这时 由于钩子和托梁系统的重力作用 钩尖保持铅垂状态 并处在提升中心线上 钩身向上翅起与水平呈20 角 吊桶下落时 首先碰到尾架并将尾架下压 使钩尖进入桶底中心孔内 由于托梁的转轴中心偏离提升中心线200mm 放松提升钢丝绳时 吊桶借偏心作用开始倾倒并稍微向前滑动 直到钩头钩住桶底中心孔边缘钢圈为止 继续松绳 吊桶翻转卸矸 提起吊桶 钩子借自重复位 这种翻矸方式具有操作时间短 构造简单 加工安装方便 工作安全可靠等优点 故使用广泛 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 30 图3 16座钩式自动翻矸装置1 吊桶 2 座钩 3 托梁 4 支架 5 卸矸门 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 31 上次课内容回顾 1 矿山立井井筒一般有哪几种类型 2 立井井筒的结构组成如何 3 何谓 一架两台三盘 4 抓岩机有哪些类型 2HH 6型抓岩机2和6分别是什么意思 5 人工翻矸和坐钩式翻矸有何区别 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 32 开凿立井时 为了排除井筒工作面的积矸 下放器材 设备以及提放作业人员 应在井内设置提升与悬吊系统 提升系统 包括提升容器 钩头联接装置 钢丝绳 天轮 提升机以及提升所必备的导向稳绳和滑架等 悬吊系统 是为了悬挂吊盘 砌壁模板 安全梯 吊泵和一系列管路缆线 由钢丝绳 天轮及凿井绞车等组成 3 5提升与悬吊 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 33 立井开凿时的基本提升方式有单钩和双钩两种 单钩提升时 提升机使用一个工作卷筒和一个终端荷载 而双钩提升时 提升机的主轴上使用两个工作卷筒 并各设一个终端荷载 只是两荷载的提升方向相反 根据单 双钩的不同配置 又有一套单钩提升 一套双钩提升 两套单钩提升 一套单钩提升加一套双钩提升 两套双钩提升 两套单钩加一套双钩提升等6种具体的提升方式 其中以前四种最为常用 3 5 1提升方式 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 34 凿井井架是专为凿井提升及悬吊掘进设备而设立的 我国凿井时大都采用亭式钢管井架这种井架的四面具有相同的稳定性 天轮及地面提绞设备可以在井架四周布置 其定型产品有五个系列七个型号 近年来 一些矿井利用永久井架开凿立井 省去了凿井井架的安装 拆卸工作 虽延长了立井准备时间 但对整个建井工期影响不大 大大提高了投资效益 选择凿井井架的原则是 能够安全地承担施工荷载 保证足够的过卷高度 角柱跨距和天轮平台尺寸应满足井口施工材料 设备运输及天轮布置的需要 当施工工艺及设备与井架技术规格有较大差异 如总荷载虽相近但布置不平衡时 必须对井架的天轮平台 主体架及基础等主要构件的强度 稳定性及刚度进行验算 3 5 2凿井井架 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 35 图3 17亭式凿井井架 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 36 吊桶 矸石吊桶和底卸式材料吊桶 矸石吊桶 用于凿井提矸 升降人员和提放物料 当井内涌水量小于6m3 h时 还可用于排水 根据不同卸矸方式 矸石吊桶分挂钩式和座钩式两种 底卸式材料吊桶 主要用于凿井砌壁时下放混凝土 在井口混凝土搅拌站装满混凝土后用平板车推到井口 用提升机送至吊盘上 打开底部的卸载门 将混凝土卸于吊盘上的分灰器内 然后入模 3 5 3提升吊桶 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 37 a 矸石吊桶 b 底卸式材料吊桶图3 18吊桶外形图 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 38 矸石吊桶容积的选择 单钩提升 双钩提升 根据吊桶的一次提升循环时间应小于或等于抓岩机装满一桶矸石的时间的要求 可得到吊桶的容积计算公式 式中Ct 提升不均匀系数 1 15 1 25 Azh 井筒工作面抓岩机的总生产率 松散体积 m3 h 根据计算的VT选择标准吊桶容积VTB 并使VTB VT hws 吊桶在无稳绳段的行程 m 40m d s 单 双钩提升时吊桶在工作面摘挂钩操作时间和井上卸载时间 分别为60 90s 90 140s 吊桶容积与吊桶一次提升循环时间T直接相关 一次提升的循环时间T按下式估算 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 39 3 5 4提升钢丝绳 钢丝绳类型的选择 钢丝绳是凿井提升及悬吊系统的主要组成部分 钢丝绳由若干股绳股围绕绳蕊捻制而成 绳股又用一定数量的细钢丝捻成 钢丝的抗拉强度分1372 1519 1666 1813和1960MPa等五种 钢丝的抗拉强度越大 钢丝绳的承载力越大 钢丝绳按绳股捻制方向分右捻和左捻两种 绳股中钢丝的捻向可与绳股捻向一致 也可相反 当捻向一致时称同向捻 顺捻 钢丝绳 反之称交互捻 逆捻 钢丝绳 由于同向捻容易松捻和打转 提升和悬吊绳应采用交互捻钢丝绳 我国用于凿井的提升和悬吊的钢丝绳 有6股7丝 6股19丝和6股37丝等3种 它们分别用6 7 6 19和6 37表示 6 7与6 19两种钢丝绳相比 前者钢丝粗且耐磨 往往用作稳绳 后者比较柔软 可用作提升和悬吊设备 有时也用做稳绳 当需用较大直径的钢丝绳作提升绳时 应选用6 37钢丝绳 为消除钢丝绳负载后的绕轴线旋转问题 提升和单绳悬吊设备的钢丝绳应选用多层股 不旋转 钢丝绳 常用的有18 7和34 7两种规格 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 40 钢丝绳终端荷载的确定 1 提升钢丝绳提升荷载应按可能提升的最大荷载组合计算 如提矸石 伞钻 临时罐笼等 提矸石 式中 Qt 吊桶 吊钩 滑架的重量 kg V 吊桶容积 m3 松散矸石密度 一般取1600kg m3 s 水的密度 取1000kg m3 k0 岩石的松散系数 1 8 2 0 Qs 伞钻的重量 kg Qf 附属设施的重量 主要为钩头和滑架的重量 kg Qg 临时罐笼的重量 kg Qh 罐笼内的货物重量 包括能容纳的矿车及其货物 kg 提伞钻 Q0 Qs Qf 提升临时罐笼 Q0 Qg Qh 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 41 钢丝绳终端荷载的确定 2 悬吊钢丝绳悬吊荷载根据所悬吊的设备 设施及其它荷载 如排水管中的水 抓岩机抓斗中矸石 输料管中的混凝土等 按下式计算 Q0 Wg n 3 8 式中 Wg 悬吊的荷载 kg n 悬吊钢丝绳的根数 3 稳绳Q0 8 12 H0 3 9 式中 H0 钢丝绳的最大悬垂长度 m 为井筒深度与天轮平台高度之和 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 42 钢丝绳直径的确定 确定钢丝绳的直径 首先确定在终端荷载下所需钢丝绳的每米重量Ps 3 10 式中 Q0 钢丝绳终端荷载 k 钢丝绳中钢丝的公称抗拉强度 MPa m 安全系数 煤矿安全规程 规定 提人时为9 提物时为7 5 悬吊安全梯时为9 悬吊吊盘 吊泵和抓岩机时为6 悬吊风筒 压风管 输料管 水管 电缆时为5 根据计算的Ps值 从钢丝绳规格表中选取与计算值接近且稍大的标准钢丝绳每米重量Psb 由Psb查出标准钢丝绳直径ds和钢丝直径 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 43 3 5 5凿井绞车和天轮 凿井绞车用于悬吊井内的设备和拉紧稳绳 凿井绞车分单卷筒和双卷筒两种 前者用于单绳悬吊 后者用于双绳悬吊 天轮分为提升天轮和悬吊天轮 提升天轮的直径有1 5 2 0 2 5和3 0m四种 悬吊天轮有单槽和双槽两类 当悬吊设备由双绳悬挂且绳距很近时 应尽可能选用双槽天轮 图3 20单卷筒凿井绞车 图3 21单槽悬吊天轮 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 44 3 5 4提升机 用于建井的提升机为缠绕式滚筒提升绞车 a 立面图 b 平面图图3 19JK型双卷筒提升机1 电动机 2 减速器 3 主轴轴承 4 主轴 5 固定卷筒 6 活动卷筒 7 操纵台 8 液压站 9 盘式闸 10 润滑油站 11 深度指示器传动装置 12 深度指示盘 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 45 3 6井筒支护 基岩段永久支护主要为现浇素混凝土和锚喷支护两种形式 锚喷支护一般在风井等无提升设备的井筒中应用 锚喷支护的施工工艺与锚喷临时支护相类同 但施工质量要求更为严格 喷层厚度也较大 一般为150 200mm 整体现浇混凝土井壁是较普遍采用的支护方式 施工时先按井筒设计的内径立好模板 然后将地面搅拌好的混凝土 通过管路或材料吊桶送至井下灌注入模 永久支护 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 46 3 6 2 1模板 装配式金属模板 由若干若干块弧形钢板装配而成 每块弧板四周焊以角钢 彼此用螺杆连接 金属整体移动式模板 门轴式 门扉式和伸缩式 伸缩式金属整体移动式模板具有受力合理 结构刚度大 立模速度快 脱模方便 易于实现机械化等优点 目前已在立井井筒施工中得到广泛应用 液压滑升模板 通过安设在提升架上的液压千斤顶 沿爬杆 支承杆 并带动模板一起向上爬升 根据爬杆安设的位置不同 可分为压杆式和拉杆式 前者爬杆设于井壁内 一起浇筑于混凝土井壁中 又称内爬杆 后者爬杆悬吊于井内吊盘的圈梁上 位于井壁内径之内 又称外爬杆 3 6井筒支护 采用长段单行和平行作业 掘砌混合作业 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 47 图3 23拆卸式金属模板1 金属模板 2 斜口模板 3 楔形模板 4 接茬模板 5 底模板 6 接茬三角木板 7 联接螺钉 每圈模板由基本模板和楔形模板组成 斜口和楔形模板的作用是为了便于拆卸模板 每圈模板的块数根据井筒直径而定 但每块模板不宜过重 一般为60kg左右 以便人工搬运安装 模板高一般为1m 不受砌壁段高的限制 可连续施工 使用可靠 易于操作 井壁成型好 使用较广泛 立模 拆模费时 劳动强度大以及材料用量多等 装配 拆卸 式金属模板 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 48 整体液压滑升模板 1 4 5 2 3 图3 25压杆式液压整体滑升模板图3 26拉杆式液压整体滑升模板1 液压千斤顶 2 爬杆 内爬式 3 模板1 25mm爬杆 2 滑模 3 液压千斤顶4 提升架 5 操作平台4 滑模辅助盘 5 刃角模板 6 手动千斤顶7 固定吊盘 8 滑模工作盘 9 固定圈10 顶紧支撑 11 顶架 12 液压控制柜 13 松紧装置 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 49 伸缩式金属整体移动模板 图3 24伸缩式金属整体移动模板1 活动小模板 2 伸缩螺栓 3 脱模螺栓 4 浇灌门 5 接茬口盒 伸缩式模板根据伸缩缝的数量又分为单缝式 双缝式和三缝式模板 目前使用最为普遍的YJM型金属伸缩式模板结构 如左图所示 它由模板主体 刃脚 缩口模板和液压脱模装置等组成 其结构整体性好 几何变形小 径向收缩量均匀 采用同步增力单缝式脱模机构 使脱模 立模工作轻而易举 这种金属整体移动式模板用三根钢丝绳在地面用凿井绞车悬吊 立模时先将工作面整平 然后将模板从上段高井壁上放到预定位置 用伸缩装置将其撑开到设计尺寸并找正 浇注混凝土时将混凝土直接通过浇注口注入并进行振捣 模板的高度根据井筒围岩的稳定性和施工段高来决定 一般为3 4m 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 50 混凝土输送方式有溜灰管输送和底卸式材料吊桶输送两种 缓冲器用于改变混凝土的运动方向 承受部分冲击力 以降低伸缩管混凝土的出口速度 活节管是用簿铁板围焊成的锥形短管挂接而成 可弯曲 能随时摘挂短节调整长度 既方便又耐磨 溜灰管一般选用 159mm的无缝钢管 3 6 2 2混凝土输送 伸缩管 溜灰管 缓冲器 活节管 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 51 凿井设备布置是一项比较复杂的技术工作 它不仅要在有限的井筒断面内妥善地布置各种凿井设备 在矿山还要兼顾矿井建设各个阶段的施工需要 所以其难度较大 凿井设备布置合理与否 对井筒的施工安全和经济效益 矿井的后期工程 矿井建设的总工期等都有影响 凿井设备布置包括天轮平台的布置 井内布置和地面提绞布置三个方面 井内布置包括平面布置和纵向的盘台布置 3 8凿井设备布置 1 天轮平台2 井架3 卸矸台4 封口盘5 固定盘6 吊桶7 吊盘8 吊泵 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 52 凿井设备布置的总原则是井内设备布置以保证提升设备布置合理为主 井上与井下应以保证井内布置合理为主 地面与天轮平台应以保证天轮平台布置合理为主 具体有以下原则 1 应兼顾矿井建设中凿井 开巷 井筒永久安装三个施工阶段充分利用凿井设备的可能性 尽量减少各时期的改装工程量 2 井口设备布置要与井内设备布置协调一致 并考虑与邻近井筒的协调施工 3 各种凿井设备和设施之间要保持 定安全距离 其值应符合安全规程和 矿山井巷工程施工及验收规范 规定 4 设备布置要保证盘台结构合理 悬吊设备钢丝绳要与施工盘 台 梁错开 且不影响卸矸和地面运输 5 地面提绞布置 应使井架受力均衡 绞车房及其它临时建筑物要不妨碍永久建筑物的施工 6 设备布置的重点是提升吊桶和抓岩设备的布置 凿井设备的布置受多种因素的牵制 难于一次求成 为便于调整设备之间的相对位置 减少设计工作量 往往将各种设备按一定比例制成模板 反复布置 多次调整 直至合理可行 最后绘制成图 也可采用计算机软件进行凿井设备布置 3 8 1凿井设备布置原则 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 53 天轮平台位于凿井井架顶部 是由4根边梁和1根中间主梁组成的 曰 字形平台结构 在天轮平台上设置天轮 天轮由天轮梁支承 并直接承受全部提升物料和悬吊掘砌设备的荷载 天轮平台的边梁和中梁通称主梁 在边梁和中梁上设置支承天轮的天轮梁 有时还有用来支承天轮梁的支承梁 天轮梁和支承梁通称副梁 天轮平台的布置主要是将井内各提升 悬吊设备的天轮妥善布置在天轮平台上 充分发挥凿井井架的承载能力 合理使用井架结构物 天轮梁和支承梁通常选用工字钢 标准的型钢梁不能满足要求时可考虑采用焊接组合梁 在天轮梁上架设天轮时 应尽量使天轮轴承座直接支承在天轮梁的上翼缘上 3 8 2天轮平台的布置 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 54 图3 34天轮平台A 边梁 B 中梁 C 天轮梁1 2 提升机3 吊盘天轮4 稳绳天轮5 安全梯天轮6 吊泵天轮7 压风管天轮8 混凝土输送管天轮9 风筒天轮 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 55 立井施工时 需要在井内设置一系列的凿井工作盘 如封口盘 固定盘 吊盘 稳绳盘及其它特殊用途的作业盘等 这些盘一般都是钢结构 1 封口盘 是设置在井口地面上的工作平台 又称井盖 它是作为升降人员 设备 物料和装拆管路的工作平台 同时也是防止从井口向下掉落工具杂物 保护井上下工作人员安全的结构物 封口盘一般采用钢木混合结构 封口盘由梁格 盘面铺板 井盖门和管道通过孔口盖门等组成 封口盘一般做成正方形平台 盘面尺寸应该与井筒外径相适应 但必须盖住井口 盘面标高必须高于最高洪水位 并应高出地面200 300mm 3 8 3凿井工作盘的布置 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 56 图3 35封口盘梁格结构1 2 工字钢主梁 3 4 工字钢副梁 5 6 7 方木副梁 8 方垫木 封口盘的梁格布置 如左图所示 主梁采用工字钢并支承在临时锁口上 次梁可采用工字钢 槽钢或木梁 盘面铺板采用木板 盘面上的各种孔口 应设置盖板或以软质材料密封 封口盘的梁格布置和各种凿井设备通过孔口的位置 都必须与井上下凿井设备相对应 封口盘 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 57 2 固定盘 固定盘是设置在井筒内邻近井口的第二个工作平台 一般位于封口盘以下4 8m处 固定盘主要用来保护井下安全施工 同时还用作测量和接长管路的工作平台 固定盘采用钢木混合结构 它的构造和设计要求 与封口盘大致相同 其不同点是吊桶通过孔口不设盖门 一般也不设置喇叭口 只设置护栏 固定盘的荷载一般较小 因此固定盘的梁系结构 通常根据工程实际经验 酌情选择梁的截面型号 固定盘 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 58 3 吊盘 吊盘用钢丝绳悬吊 为井筒内的主要工作平台 它主要用作浇筑井壁的工作平台 同时还用来保护井下安全施工 在未设置稳绳盘的情况下 吊盘还用来拉紧稳绳 在吊盘上有时还安装抓岩机的气动绞车或大抓斗的吊挂和操纵设备以及其它设备 吊盘有双层或多层 当采用单行作业或混合作业时 一般采用双层吊盘 吊盘层间距为4 6m 当采用平行作业时 可采用多层吊盘 多层吊盘层数一般为3 5层 为适应施工要求 中间各层往往做成能够上下移动的活动盘 其中主工作盘的间距也多为4 6m 吊盘由梁格 盘面铺板 吊桶通过的喇叭口 管线通过孔口 扇形活页 立柱 固定和悬吊装置等部分组成 吊盘的梁格由主梁 次梁和圈梁组成 两根主梁是吊盘悬吊钢丝绳的生根梁 必须为一根完整的钢梁 一般对称布置并与提升中心线平行 通常采用工字钢 次梁需根据盘上设备及凿井设备通过的孔口以及构造要求布置 通常采用工字钢或槽钢 圈梁一般采用槽钢 各梁之间采用角钢 连接板和螺栓连接 吊盘 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 59 图3 36吊盘盘面布置及盘架钢梁结构1 工字钢主梁 2 槽钢圈梁 3 槽钢或工字钢副梁 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 60 1 吊桶布置 提升吊桶是全部凿井设备的核心 吊桶位置一经确定 井架的位置就基本确定 井内其它设备也将围绕吊桶分别布置 2 井内其他凿井设备的布置井内悬吊设备 除吊桶 吊盘 模板外 宜沿井筒周边布置 保持井架受力均衡 使盘台结构合理 并保证永久支护工作的安全和操作方便 抓岩机的位置要与吊桶位置协调配合 保证工作面不出现抓岩死角 吊泵应靠近井帮布置 便于大抓岩机工作 管路 缆线以及悬吊钢丝绳均不得妨碍提升 卸矸和封口盘上轨道运输线路的通行 风筒 压风管和混凝土输送管应适当靠近吊桶布置 以便于检修 安全梯 照明 动力电缆和信号 通讯 放炮电缆的布置等等 3 8 4井内凿井设备布置 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 61 13 图3 37中心回转抓岩机的井筒平面布置图1 主提升吊桶 2 副提升吊桶 3 安全梯 4 吊泵 5 模板悬吊绳 6 风筒 7 压风管 8 通讯电缆 9 放炮电缆 10 混凝土输送管 11 信号电缆 12 吊盘圈梁 13 抓岩机 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 62 提绞设备布置包括临时提升机和凿井绞车两个内容 1 临时提升机布置非矿山或无提升设备的其它井筒施工 临时提升机的位置选择比较容易 只要地面有合适的地方即可 矿山施工时 由于还要考虑开采的需要 临时提升机位置应考虑凿井和开巷两个施工阶段的需要 且不能影响永久提升机房及地面永久生产系统的施工 对于主井 临时提升机与永久提升机多呈90 或180 布置 这要根据车场施工时增设的临时绕道的出车方向而定 使提升中心线与井下出车方向一致 图3 38a b 罐笼井的临时提升机多半布置在永久提升机的对侧 图3 38c 使提升中心线与井底车场水平的出车方向一致 只有当场地窄小 地形限制或使用多套提升机施工时 才采用同侧布置方式 将临时提升机房布置在永久提升机房前面 图3 38d 但应以不影响永久提升机房的施工为前提 提升机的位置应使提升钢丝绳的弦长 绳偏角和出绳仰角三项技术参数符合规定 3 8 5地面提绞设备的布置 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 63 c 对侧布置 副井 d 同侧布置 副井 a 对侧布置 主井 b 呈直角布置 主井 井筒 永久提升机房 井底巷道 永久提升机房 永久提升机房 永久提升机房 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 64 2 凿井绞车的位置凿井绞车的位置确定应满足钢丝绳弦长 绳偏角和出绳仰角规定值 在此条件下 凿井绞车布置于井架四面 使井架受力均衡 同侧凿井绞车应集中布置 以利管理和修建同一绞车房 3 8 6凿井设备布置的总校验待全部凿井设备布置妥当后 要全面进行检查 自下而上 对井内 天轮平台 地面提绞设备等平面和立面布置进行认真校验 检查中如发现有不符合要求或彼此矛盾时 应进行调整 调整时 应分清主次 首先考虑主要设备布置及主要施工项目的需要 最后 绘制井筒凿井设备平面布置图 吊盘 固定盘 封口盘平面布置及梁格图 天轮平台布置图 地面提升机及凿井绞车平面 立面布置图 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 65 反井施工法是指在施工竖井工程时 不从上口开始向下开挖 而从其下口开始自下而上施工 反井施工时 可全断面一次掘进 也可采用导井法 采用导井法施工时 是先从其下口向上进行小断面开挖 待与上口贯通后再从上向下扩挖 所以 反井施工的前提条件是在待施工工程的下部已有开挖出的通道 反井施工法 普通反井法 吊罐反井法 爬罐反井法和钻进反井法等 3 9反井 向 施工法 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 66 普通反井法是先在竖井 筒 中心开掘一个小断面反井 以方形木盘为支护 木盘自下而上随掘进架设 木盘间距视围岩松软程度而定 由于使用木井框支护 故反井的断面形状一般为矩形或方形 断面面积一般为6 8m2 为了安全 通常利用木盘将反井分隔成矸石间 提升间和梯子间三个部分 矸石间净断面不小于2m2 其最小宽度应以能通过最大块矸石为准 提升间用以提升材料 工具等 可设置非标准小吊桶 0 5m3左右 供上料乘人 顶部导向滑轮随反井延伸而上移 梯子间的净面积约需1 0m2左右 内设梯子和风筒 并敷设管线及信号等 风筒直径一般为300mm 优点 辅助工程量小 施工方法简单 容易掌握 缺点 工人上下需要爬梯子 劳动强度大 架设井框消耗木材多 通风 提升困难 作业条件恶劣 施工速度缓慢 且易发生炮烟中毒及瓦斯集聚和坠井事故 3 9 1普通反井法 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 67 1 护板 2 滑轮 3 方木盘 4 挡板 5 矸石间 6 提升间 7 风水管 8 风筒 9 局扇 10 梯子间 11 溜槽 反井掘进到顶后 再按设计断面自上而下进行爆破刷大掘进 并进行临时支护或永久支护 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 68 为了克服普通反井施工的缺点 提出了吊罐反井法 首先在待施工工程的上口 通道或地面 中心线向下钻出一个绳孔 钢丝绳上端与绞车相接 通过绳孔下放到下部平巷 挂上吊罐 工人在保护伞下的吊罐工作台上进行小断面反井掘进作业 与上口贯通后 再从上向下刷大掘进与支护 钻孔孔径一般为130 150mm 钻孔时需严格控制偏斜率 吊罐既是反井施工的提升容器 又是掘进的工作平台 要求安全可靠 操作方便 结构简单 便于加工 常用的有华 1型吊罐和DT 2型气动吊罐 常用的绞车有矿用绞车和游动绞车 游动绞车是使用较广泛的绞车 3 9 2吊罐反井法 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 69 图3 41华 1型吊罐构造 图3 42气动吊罐反井施工示意图 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 70 爬罐法是利用可沿导轨爬行的工作吊罐在反井工作面进行高空掘进作业的施工方法 该法关键是利用带有驱动装置的爬罐 沿着固定在反井井帮的导轨自行爬升 工人乘爬罐进入工作面 然后在保护伞下施工反井 施工步骤 首先用普通法将反井上掘3 5m 然后安装导轨 导轨用锚杆安装在岩帮上 在反井下口通道的顶板上安装水平导轨 用风动绞车将爬罐安装到该导轨上 安装反井下口的曲轨和反井内的竖向直轨 启动爬罐 使其进入直轨 工人乘坐爬罐进入顶部的工作平台进行钻眼爆破工作 放炮时爬罐移到下口通道内 随着工作面的向上延伸 随时接长导轨 直至上口 从上向下拆卸导轨 需在通道内安装小绞车 在爬罐上安装滑轮 用于下放导轨 按设计断面从上向下刷大掘进 矸石从下口通道内运出 3 9 3爬罐反井法 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 71 打眼 爆破后通风 拆除导轨 这种方法显然优于前两种方法 虽然其设备投资高 通风条件较差 但其优点显著 且不受反井高度的限制 是高反井 300m以上 施工的首选方法 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 72 钻进反井法是利用钻机进行反井施工的一种比较先进的机械化施工方法 其工作原理是通过安装在反井上部通道 平巷 的钻机 用导孔钻头沿仓筒中心线向底部通道钻通一个导孔 然后换上扩孔钻头由下而上扩孔 扩孔钻头采用镶齿盘式滚刀 刀具在钻压和扭矩作用下 对岩体作挤压 剪切破碎 扩孔岩屑垂直下落汇集于底巷 再集中运出 扩孔结束后 拆除钻机 人工用钻眼爆破法自上而下进行刷大 最后自下向上砌筑仓壁 优点 机械化程度高 劳动强度低 钻进速度快 安全性好 工序简单 一台钻机所完成的工程量相当于一个掘进队 省去了钻爆法所必须的打眼 装药 放炮 通风 瓦斯检查 清除顶帮浮矸 支棚垛盘等工序 同时 作业环境与安全得以改善 3 9 4钻进反井法 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 73 施工工艺 安装钻机 将钻机安装在反井上口的混凝土基础上 地下硐室内施工时采用上顶下锚式固定 钻导孔 导孔直径一般为200 300mm 导孔是安装钻杆的通道 其垂直度要求严格 安装钻头 导孔钻完后 卸下导孔钻头 换上扩孔钻头 扩孔钻进 自下而上将导孔扩大成设计直径 扩孔时 必须喷注冷却水 供刀头降温和防尘 钻进时 必须根据不同的岩层掌握好相应的钻机轴压 扭矩和转速 以求获得最佳钻进效果 设备拆除 扩孔结束后 下放扩孔钻头到下口通道运走 从上部逐节拆除钻杆 拆除钻机 反井刷大 反井形成后 即可用钻眼爆破法自上而下将反井刷大至设计断面 进行永久支护 刷大时 用钻眼爆破法 其基本要求与普通反井法相同 当所施工的工程总高度不大时 如矿山中的矿仓 刷大时可用锚喷进行临时支护 待刷大到底后在从下向上一次砌筑筒壁 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 74 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 75 沉井法是适用于不稳定含水地层中建造竖井的一种特殊施工方法 其实质是 在设计的井筒位置上 地面预制好底部带有刃脚的一段井筒 并在其掩护下 然后在井内不断挖土 借助筒体自重而逐步下沉 随着井筒的下沉 在地面相应接长井壁 下沉到预定设计标高后 进行封底 沉井法具有工艺简单 需用设备少 易于操作 成本较低和劳动条件好等优点 因而在地下工业厂房 大型设备基础 地下仓 油 库 人防掩蔽所 盾构拼装井 船坞坞首 桥梁墩台基础 取水构筑物 污水泵站 矿用竖井 地下车道与车站 地下建 构 筑物的围壁 大型深埋基础等等广泛应用 3 10沉井法 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 76 3 10 1沉井分类 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 77 a 圆形单孔 b 方形单孔 c 矩形单孔 d 矩形双孔 e 椭圆形双孔 f 矩形多孔 图3 47沉井平面图 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 78 图3 48沉井剖面图 a 圆柱形 b 外壁单阶形 c 内壁多阶形 d 外壁多阶形 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 79 3 10 2不淹水沉井 不淹水沉井 是指在沉井施工时 井筒内不充水 与普通法一样的挖土和出土 只是井壁结构和减阻方法的不同 如普通沉井 多级沉井 震动沉井 壁后河卵石沉井 壁后触变泥浆沉井 冻结沉井等 大多采用人工挖掘 吊桶提升 自重 或加载 下沉 除普通沉井与多级沉井外 其它形式的沉井壁后均置放减阻介质 不淹水沉井工艺较简单 易于操作 需用设备少 工期较短 成本低 通常井筒涌水量在30m3 h左右 无承压水 流砂层厚度小于1 0m又无细纷粉砂层 而且下沉较浅的沉井 可以因地制宜地采用不淹水沉井法施工 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 80 a 多级沉井 b 震动沉井 c 卵石沉井图3 49不淹水沉井的部分类型 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 81 3 10 3淹水沉井 淹水沉井比较通用的是壁后泥浆和壁后压气沉井 壁后压气沉井也叫气囊沉井 效果良好 但工艺技术复杂 压气消耗量很大 成本较高 故基本不用 壁后充填泥浆法简单 方便 最为常用 壁后充填泥浆法基本原理 在沉井井筒内灌满水 保持井内外的水压平衡 防止从刃脚处涌砂冒泥及地表塌陷 以预先做好的套井为支撑圈来防止和纠正沉井过程中的偏斜 在井筒外壁的环形空间内灌注触变泥浆 以隔离井壁与土层 减少沉井侧面阻力 靠井壁自重 使刃脚插入土中 经水下破土 排矸克服正面阻力使井壁下沉 边下沉 边纠偏 边在井口接长井壁 直至井筒全部穿过冲积层 使沉井刃脚坐落于基岩上 在封底 固井之后 转入基岩段普通方法施工 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 82 抓斗掘进 靠抓斗自重向下的冲击力来破坏土层结构 靠抓斗的提升闭合抓取泥土并将土提出井外 抓斗既是掘进设备又是出土设备 抓斗掘进工艺简单 耗电小 在30m左右的浅井中可作为主要的掘提设备 钻机掘进 常用的钻机有冲击钻和旋转钻 冲击钻是靠钻头自重往复冲击破坏岩土而完成掘进工作 钻头的大小可为局部冲击或全断面冲击 冲击后用水枪冲刷工作面 与压气结合排矸 旋转钻机是靠钻头上的刀齿作圆周运动将土层挤切成泥沙或碎块 用压气排液器将其排出井外 旋转钻机连续破土 效率高 适用于各种地层 是淹水沉井中使用较好 较广的破土机具 水枪破土 水枪掘进是目前我国沉井掘进的主要方式 它是利用高压水射流冲刷切割工作面的土层 将其搅动成泥浆后 由压气排液器排出地面而完成掘进工作 这种掘进方式设备少 工艺简单 易于制作 操作和维护方便 水枪掘进系统包括高压水泵 供水管路 和水枪三部分 水枪喷嘴 直管 弯管和稳流器组成 淹水沉井掘进出矸方法 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 83 泥浆淹水沉井示意图 旋转式钻机掘进 2020年3月15日星期日 地下工程讲稿 84 3 10 4沉井结构 在沉井施工之前 为了定位 组装沉井的刃脚与一段井壁 预先要在沉井位置的四周 做好一个有一定深度 直径略大于沉井的井筒 通常称之为套井 套井的作用在于防止沉井在下沉过程中井壁外围土层的坍塌 为井架与井口建筑物保持一个完整的地基基础 利用套井作为安设沉井导向设施 纠正偏斜或者加压下沉没施的基础 套井与沉井间的环形空间 可以作为触变泥浆的储浆槽 或者壁后压气的