富水松散地层斜井井筒普通综掘法施工技术-刘耀明

富水松散地层斜井井筒普通综掘法施工技术刘耀明1，2，王剑锋1，2，阚文涛1，牛清河3，秦江艳4（1.煤炭工业河北建投建设工程质量监督站，内蒙古 鄂尔多斯 ；2.河北建设投资集团有限责任公司，河北 石家庄 ；3.中煤第五建设有限公司 第三十一工程处 河北 邯郸 ；4.国电建投内蒙古能源有限公司，鄂尔多斯）摘 要:针对内蒙古西部矿井建设过程中遇到的富水松散白垩纪地层对建井施工影响极大，且采用冻结法施工井筒工期较长的问题，采用普通综掘法施工替代冻结法施工通过白垩纪地层。介绍了综掘机掘进+小型挖掘机装矸+箕斗运送的综合机械一体化斜井井筒普通施工技术，制定了探、降、截、疏等综合防治水方案；设计采用36U型钢喷混凝土+钢筋混凝土砌碹和锚网喷+钢筋混凝土砌碹2种支护方式；研发了软弱岩层底板处理技术、出渣工艺、综掘机排矸链条堵塞处理技术、运输安全技术等。采取上述措施后有效遏制了该地区地层富水松散特性对井筒施工的不利影响，解决了装载和运输矸石困难等难题。关键词:富水；松散地层；斜井井筒；冻结法；综掘法中图分类号：TD262 文献标志码:A 文章编号:0253-2336(2012)11-0054-04Construction Technology on Inclined Shaft in Watery Loose Strata with Fully Mechanized Excavation MethodLIU Yao-ming1,2,WANG Jian-feng1,2,KAN Wen-tao1,NIU Qing-he3,QIN Jiang-yan4(1.Supervision Station of Construction Project Quality,Hebei Construction Investment of Industry，Ordos ，China；2.Hebei Construction Investment Group Ltd.，Shijiazhuang ，China；3.No.31 Engineering Divisio，China Nation Coal No.5 Construction Corportion Ltd.，Handan ，China；4.Inner Mongolia Energy Corportion Ltd.，China Electric Power Construction and Investment，Ordos ，China)Abstract：According to the watery loose Cretaceous strata high influenced to the mine cinstruction during the the mine constructions in western mine of Inner Mongolia and long construction period problem of the mine shaft with groud freezing method，the conventional mechanized excavation method was applied to replace the ground freezing method for the construction passing through the Cretaceous strata. The paper introduced a fully mechanized integrated conventional technology of the mine inclined shaft with the fully mechanized roadheader for heading+small excavator for loading+skip transportion. A comprehensive water prevention and control plan with water detective，water table drop，water sealing and water drainage was set up. Two support methods were designed with 36U type steel/shotcreting+reinforced concrete liner and bolt/steel mesh/shotcreting+reinforced concrete liner. The floor treatment technology of soft rock strata, rock discharging technology, chain jammed treatment technology of the rock discharging system in the mechanized roadheader, transportation safety technology were developed. After above measures conducted, the watery loose features of the strata in the area affected to the mine shaft construction were effectively controlled and the loading and transportation of the rock and other problems were solved.Key word：watery；loose strataum；mine inclined shaft；freezing method；fully mechanized excavation method目前伴随西部大开发的进程，我国矿井建设也向西部发展西部矿井建设中对施工影响最大的是上部厚达20300m的富水松散岩层，如果设计立井开拓，则使用冻结法比较容易顺利通过，但是设计成斜井井筒后，其斜长达9001500m，如果采用冻结法施工，则施工工期会增加50%左右，费用将增加70%以上，而且混凝土养护条件差1。如果采用普通钻爆法施工，则存在成孔难、爆破成型差、顶板护理、防治水、出渣、运输等难题，如果采用综掘机掘进施工，由于岩性软弱，加之部分岩层淋水，底板岩层遇水泥化后，存在综掘机堵链、窝机(综掘机下陷泥中无法行进)现象，以及矸物不能滞留、输送带无法排矸等问题2。即现有的施工技术已不适应这一地区的工程建设，而现有的理论滞后于工程技术与实践。在这种情况下，继续沿用东部矿井施工的经验和技术，必将造成严重的后果。实际上骆驼山、虎豹湾、母杜柴登等鄂尔多斯盆地内在建矿井的涌水情况及目前这一地区矿井建设停滞现状已充分显现了这一问题的严重性。笔者针对富水松散地层斜井施工方案、白垩纪含水地层防治水技术、斜井井筒综合机械化配套施工工艺、软弱岩层支护方式、综掘法施工关键技术应用等方面开展了技术研究，建立了一套完整切实可用的富水软弱地层斜井综掘法施工及其配套方案。1 施工方案及装备配套察哈素煤矿主斜井井筒斜长1705.1m，倾角16，井筒净宽5.4m，净断面积18.93m2，掘进断面积20.73m2。考虑到采用冻结法施工工期较长、费用颇高，且冻结设计的指导思想是在保证井筒安全施工的前提下，为井筒施工单位高速掘进创造条件。岩石冻结的主要目的是堵水，其次是增加软弱层位的整体强度。根据主斜井井筒检查钻孔抽水试验，察哈素矿井白垩纪地层富水性虽然较强，但地下水补给条件差，如果在主斜井井筒施工前能制定出详细的防探水措施施，工过程中采取先探后掘，配备大功率排水设备，必要时实施超前支护，则可以采用普通综掘法替代冻结法施工通过白垩纪地层。斜井井筒采用CX55B小型破碎挖掘机挖掘，全断面掘进，人工配合用手镐和风镐在工作台上由上向下进行扩边，作业方式为双三八制，单班复喷，永久支护和工作面平行交叉作业。风化基岩破碎严重时，预先沿井筒轮廓线外打设超前管棚临时支护。围岩较稳定时取消管棚支护，采用单体液压支柱或木点柱配合36U型钢支架临时支护。白垩纪段采取小型挖掘机挖掘施工，一掘一支，转入暗硐后每架设45架U型钢支架及时进行钢筋混凝土支护，而后继续向前掘进过程中，视岩层稳定情况，在架设支架20m左右后，进行钢筋混凝土永久支护，砌碹段长810m。混凝土支护段长具体视现场情况而定。井筒掘进和井筒砌碹在一定距离内前后平行交叉作业。在掘进工作面后方安设小型挖掘机，用小型挖掘机将矸石装入6m3箕斗，提升出井后排入矸石仓，由装载机配合载质量12t的自卸汽车排至指定场地。2 施工关键技术研究2.1 施工防治水技术做好防治水工作是斜井井筒普通综掘法施工的关键，对此根据富水松散地层岩石特性进行分析，特别是对影响建井的水文地质条件进行认真分析，针对赋水岩层和各岩层水力联系特征，研究有效的探、降、截、疏等综合防治水方法，以缓解白垩纪富水岩层对施工的不利影响，从而顺利完成斜井井筒的施工。1）探水方法选择。在施工过程中，采用先进实用的探水技术和方法是保证施工安全的前提3。物探方法探水速度快、费用少、探测范围广，是经济实用的方法4。但这种方法定性成分较大，定量分析较困难；探水的准确性也不如钻探高5。因此，采用矿井瞬变电磁法和钻孔探水相结合的综合探水技术进行探水。这不但提高了探水速度和准确性，也节约了探水成本。2）降水措施。在地面沿斜井井筒200m左右范围内间隔布抽水井，有效阻断上部富水岩层对斜井井筒施工范围的水力联系。经过抽水井抽水，施工期间含水岩组涌水量稳定控制在20m3/h以下，效果明显。3）截水措施。顶底板均有井筒出水点，且涌水方式和水量不等，兼备多、散、杂特点，根据水量在底板的间隔设立截水槽(混凝土砌筑，防治沿底板渗流)，对井筒底板进行铺底处理，将底板井筒涌水导入水沟。斜井井筒施工过程中在井筒躲避硐侧布置临时水仓，井筒涌水沿水沟分段引至临时水仓。沿井壁铺设排水管路，利用排水设备，分级将临时水仓积水排至地面储水池。4）疏水措施。坚持有掘必探，先探后掘的方针。掘进施工前，利用探水钻沿底板和工作面分别布置探水钻孔，在水平方向钻孔下处设立临时积水坑，利用空气动力泵将积水排至临时水仓。一方面了解未掘岩层富水情况；另一方面利用平行于工作面的探水钻孔疏导未掘岩层的含水。对于该地区富水松散地层斜井井筒综掘法掘进，综合采用电磁法+钻孔法探水、截水槽+地沟+临时水仓截水、空气动力泵的综合防治水措施是十分有效的。2.2 斜井井筒支护方法主斜井井筒布置在第四系(Q)松散层和含水的白垩纪下统志丹群中,由于岩层岩性软弱、破碎，难以支护。为此，首先从白垩纪岩层中取样，通过MTS815.03电液岩石伺服系统进行了单轴压缩试验、单轴拉伸试验、三轴压缩岩石力学性质测定试验。又运用三维数值模拟软件FLAC3D模拟斜井井筒开挖后岩层的破坏方式，从而制定出科学合理的支护设计参数。从岩石力学性质的试验结果可以看出，白垩纪岩层岩石非常软弱，岩层中含水，实际工作面淋水比较严重，且水能使揭露围岩强度骤降，需要加强临时支护，甚至需要采取超前支护。因此，在施工斜井井筒过程中，针对围岩具体情况分别采用36U型钢喷混凝土+钢筋混凝土砌碹和锚网喷+钢筋混凝土砌碹2种支护方式；并采取短段掘砌的方式，每掘进一架棚距离(1000mm)就立即架棚支护，控制控顶距离，保证施工安全。工程实践证明，36U型钢喷混凝土+钢筋混凝土砌碹对含砾岩层的适应性比较好，由于锚喷支护虽然具有经济性，但对于本地区白垩纪地层砾石层比较多，施工锚杆钻孔难度比较大，主要有卡扦子、打眼难、岩石强度低、锚固力难保证等诸多问题，并且锚网喷支护的工序比较多，耗时比较长，对施工速度会有一定影响；另外由于钻孔淋水对锚杆的锚固力影响较大，对临时支护的喷浆强度影响较大，这种支护方法对于富水丰富的岩层也不适用。因此在遇含砾石较多、涌水量较大的层位采取该支护方法是比较合适的。2.3 软弱岩层底板处理技术在掘进过程中，底板岩层松软且遇水泥化，使得综掘机下陷泥中无法行进，严重影响了综掘机施工。对岩石泥化情况以及承载力进行测试、分析，运送片石至工作面用厚100300mm片石换填松软底板，为综掘机行进提供了有力支撑基底的方案，很好地解决了这一问题。2.4 出渣工艺及装备配套1）箕斗排矸。斜井井筒掘进施工初期，通过输送带系统运送矸石。在穿越含水岩层时，遇到了工作面涌水和矸石混合的状况，尽管工作面设立了临时集水坑，进行排水但出现了矸石装运困难，矸石无法在输送带上稳定滞留以及带式输送机两侧洒落矸石严重等问题，严重影响了掘进循环速度。经过对运输系统拆除、改设轨道箕斗运输系统后，成功解决了工作面含水矸石装运困难的问题。2）小型挖掘机装岩施工。要提高工作面掘进的循环速度，就要提高掘进、排矸、支护各个环节的效率，做好各工序间的协调配合。斜井井筒传统掘进工艺通常是炮采工作面，辅以耙斗式装岩机出矸。因斜井井筒采用综掘机切割掘进，若再装配耙斗式装岩机辅助装岩，因作业空间等因素势必影响排矸效率；人工出矸显然更不合理。传统综掘机使用方法为在综掘机后加桥式装载机，桥式装载机搭接到输送带上通过滑轮和输送带机尾上的滑轮槽使综掘机前后移动而实现运输矸石6-7。井筒施工时，由于箕斗经常上下运行，桥式装载机无法搭接到箕斗上，综掘机割下的矸石只能利用小型挖掘机装入箕斗提升上井。依据工作面断面尺寸，掘进过程中配置小型掘进机装矸石，大幅提升了出矸效率，成功总结配置了综掘机掘进+小型挖掘机装矸+箕斗运送的综合机械一体化斜井井筒普通施工技术。3）干式除尘措施。针对掘进机掘进中出现的粉尘浓度大、影响掘进视线，而喷雾除尘又会引起底板岩层泥化、矸石胶体泥状物的情况。采用在工作面50m后布置干式除尘风机及水箱等配套，设备除尘风机型号为KCS-300，由矿用防爆抽出式对旋轴流局部通风机和矿用湿式除尘器组合而成，与除尘风机相连的风筒和供风风筒形成风路，有效降低了工作面粉尘浓度，克服了工作面不能使用喷雾除尘的施工难题，干式除尘风机布置如图1所示。4）综掘机排矸链条堵塞处理技术。岩石经综掘机切割后，基本成胶体泥状物，综掘机输送链条在长时间工作后，链条与排矸槽空隙被胶质矸物充填堵塞，排矸系统无法启动运行。施工人员针对该情况，自制型插销部件充填在链条空隙中很好地解决了堵链难题。2.5 运输安全技术1）电动联动挡车档。在斜井井筒施工中，应用挡车档防跑车。挡车档是斜井井筒(巷)提升运输系统重要的安全装置。目前采用的挡车档是手动的，这种挡车档的缺点是：复杂、笨拙、劳动强度大、需要人力操作。为此，对传统的挡车档进行改造，加装绞车和电控装置实现对挡车档的控制操作，发明了电动联动挡车档，很好地解决了在斜井井筒施工中的跑车问题。电动联动挡车档已获得国家实用新型专利。2）抱轴式阻车器(钩挡)。在斜井井筒(巷)施工中，以往阻车器采用的超速吊梁安装比较复杂；当矿车超速时，挂钩上的钢丝绳有可能不会脱落，而且在运送大件的时候，超速吊梁会阻碍大件的运送。为此，利用机械碰撞的原理研发了新的抱轴式阻车器，即当绞车速度达到4m/s以上时(经过试验证明)，矿车碰撞钩挡撞杆，撞杆的碰头撞击钩板，钩板旋转140后钩住矿车轮轴，或将矿车挂掉道，上述措施有效解决了斜井井筒(巷)的跑车问题。3 结 语通过分析内蒙古西部富水松散地层的含水性及各含水层的水力联系，制定出了探、降、截、疏等综合防治水方案。同时，对岩层的开掘性稳定性进行伺服压力试验和计算机数值模拟，采用36U型钢喷混凝土+钢筋混凝土砌碹和锚网喷+钢筋混凝土砌碹2种支护方式，有效遏制了该地区地层富水松散特性对井筒施工的不利影响。在施工过程中根据工程地质条件及时调整施工方案和安技措施，解决了装载和矸石运输的难题，研发了软弱岩层底板处理技术、出渣工艺、综掘机排矸链条堵塞处理技术、运输安全技术等。成功配置了综掘机掘进+小型挖掘机装矸+箕斗运送的综合机械一体化斜井井筒普通施工技术，与冻结法施工相比，大