井巷设计优化与施工新技术0804桂林课件

1、井巷设计优化与施工新技术中国矿业大学柏建彪 （教授、博导）1目 录 第一章 岩石平巷设计与施工 第二章 井底车场和硐室 第三章 斜井 第四章 立井井筒设计 第五章 立井井筒施工 第六章 立井井筒特殊施工技术 主要参考文献 2 第一章 岩石平巷设计与施工 第一节 岩石平巷设计综述 第二节 岩巷断面设计要点 第三节 岩巷施工 第四节 岩巷综合掘进机 第五节 岩巷施工技术现状与发展趋势 第六节 巷道施工组织与管理 3 第二章 井底车场和硐室 第一节 井底车场概述 第二节 井底车场硐室设计 第三节 硐室施工 第四节 交岔点设计 第五节 交岔点施工 4 第四章 立井井筒设计 第一节 立井井筒设计综述 第

2、二节 立井筒井筒装备 第三节 立井井筒断面设计 第四节 井壁厚度的确定 第五节 井颈、壁座和井底设计 6 第五章 立井井筒施工 第一节 立井井筒施工综述 第二节 表土段施工 第三节 立井基岩施工 第四节 井筒施工防治水技术专题 第五节 立井井筒施工技术发展 第六节 凿井结构物布置 第七节 立井井筒延深 第八节 立井井筒施工 7 影响巷道设计的主要因素有： 1）巷道围岩应力的大小和方向； 2）围岩强度、完整性； 3）巷道用途和服务年限； 4）巷道支护方式等； 5）建造成本和使用成本。第一节 岩石平巷设计综述9一 巷道位置的优化巷道变形及其稳定性对地应力极为敏感，尤其是深部巷道。在布置主要巷道时，

3、选择岩石强度较高、完整性较好的岩层，充分发挥巷道围岩的支撑能力。 10二 巷道走向的优化理论分析和工程实践证明，巷道的走向与原岩最大水平主应力方向一致时，巷道的施工和维护最为有利。在软岩矿井巷道布置时要尽量减小主要巷道的走向与最大水平主应力方向夹角，降低巷道围岩应力，减少支护和维护费用。11三 巷道断面形状的优化 在满足生产要求的前提下，根据围岩的应力状态确定巷道断面形状。 12四 掘进工艺的选择 软岩巷道的围岩变形和稳定性与掘进工艺有着密切的关系。软岩巷道施工时应尽可能采用机械掘进。 爆破掘进尽量选用定向断裂爆破和周边密打眼少装药预留周边二次成型巷道的爆破技术。 13五 水对软岩巷道的影响

4、水对软岩巷道变形的影响很大，主要表现在使岩石软化和膨胀。 在设计施工中力争巷道排水通畅。即使巷道没有明显的积水也要在巷道内按一定的间距设置渗水井，降低巷道底板岩层含水。 14图1 巷道断面形状16 确定巷道断面形状和尺寸应考虑以下因素 1）围岩力学性质； 2）围岩应力； 3）服务年限及用途； 4）支护等。 围岩应力是确定巷道断面形状的主要因素 1）顶压和侧压均不大时，可选用矩形或梯形断面； 2）顶压较大、侧压较小时则应选用直墙拱形断面(半圆拱、圆弧拱或三心拱)； 3）顶压、侧压都很大时选用马蹄形、椭圆形或圆形等封闭式断面。 1719第四节 岩巷综合掘进机 20一、国内外岩巷掘进机的使用情况 进

5、入20世纪80年代后，全断面掘进机在国外广泛用于各种隧道工程，尤其是大断面长距离硬岩隧道的掘进。 世界著名的英吉利海峡海底隧道就是用11台全断面掘进机完成的。国外全断面掘进机刀盘直径范围为210.5m，单刀推力超过220kN。21 1997年铁道部在18.4km长的秦岭隧道工程中引进了2台德国WIRTH掘进机，创造了我国硬岩用掘进机施工连续二个月月进尺超500m (552m月、 527m月)的记录。 在山西引黄入晋工程中，1993年引进1台美国罗宾斯公司双护盾掘进机后，先后引进了5台同类型双护盾掘进机。这6台掘进机已经完成8条长隧洞、总长121.8km的施工，创造了月进尺1821.5m的国内最

6、高记录。222324二 岩巷施工技术现状与发展趋势 自20世纪70年代后期到现在，我国开始吸收世界各国的先进装备与技术，发展机械化配套。 岩巷施工工艺、技术及装备的发展方向：1）以多台气腿式凿岩机、大型耙斗装岩机为主的配套方式 ；2） 推广全液压钻车和侧卸式装岩机及梭车的机械化配套方式 ；3）大力推广应用液压凿岩机；26One-boom rig Three-boom rig 27294）在单轨巷中发展使用钻装机，后配套方式可采用梭车或皮带转载机，也可研制高强度的落地重型刮板运输转载机； 5）在巷道较长、岩石条件适宜的条件下，发展全断面掘进机，研究使用平巷砌筑滑动模板；6）深孔光面爆破技术，与先

7、进凿岩机具相适应；组织断裂爆破技术的推广应用；新型炸药，长脚线多段秒延期电雷管； 7）加强混凝土的喷射机具和喷射工艺研究。 返回30第二章 井底车场和硐室31第二节 井底车场硐室设计主要了解箕斗装载硐室、井底煤仓、推车机翻车机硐室、卸载硐室、副井马头门、中央水泵房、水仓的位置及布置、形状及参数、支护等。32第三节 硐室施工 一 硐室施工的特点 1）硐室的断面大、变化多、长度短，难以应用大型机械设备施工。 2）硐室周围井巷工程较多，围岩的应力状态复杂，支护困难、施工难度大。 3）硐室服务年限长，许多硐室内需要浇筑设备基础，预留管缆沟槽及安设起重梁等，工程质量要求高。33二 硐室施工方法我国煤矿硐

8、室施工方法可分为三类：全断面施工法、台阶工作面施工法和导硐施工法。 34二 硐室施工方法全断面施工法：按设计掘进断面一次将硐室掘出。全断面施工法一般适用于围岩稳定、断面高度不很大的硐室。当硐室较高时，全断面可实行多次打眼和爆破，实现平行作业。 硐室高度超过5m时采用全断面施工不方便，使用凿岩台车和大型装岩机等掘进设备且围岩较稳定时，硐室断面大小不受此限制。 35 2）台阶工作面施工法 将硐室沿其高度分为几个台阶，采用自上向下或自下向上的顺序进行分层施工。正台阶工作面，倒台阶工作面。图216 正台阶工作面施工法36 3 导硐施工法 在硐室的某一部位先用小断面导硐掘进，然后再开帮、挑顶或卧底，将导

9、硐逐步扩大至硐室的设计断面。有中央下导硐施工法、顶部导硐施工法、两侧导硐施工法之分。特大断面硐室(如50m2以上)多采用两侧导硐施工法。 随着锚喷支护技术推广应用、顶板控制能力加强，采用此类施工方法日渐减少。37 1）中央下导硐施工法 38 2）两侧导硐施工法 在松软、不稳定岩层中，为了保证硐室施工安全，在两侧墙部位置沿硐室底板开掘两条小导硐，其断面不宜过大，一般宽度1.82.0m、高度2.0m，以利控制顶板。掘一层导硐后即砌墙，再掘上一分层导硐。394 与井筒相连主要硐室的施工方法40 1）马头门施工方法 马头门与井筒同时施工 马头门因与井筒相连接、断面较大又受施工条件限制，一般采用自上而下

10、分层施工法。马头门与井筒相接处的井壁应砌筑成一个整体。41 1）马头门施工方法 马头门与井筒顺序施工 马头门与井筒顺序施工，即先掘砌完整个井筒再返上来施工马头门。 这种施工方法的优点是马头门施工不占用井筒施工工期，使井筒提前到底，后期的马头门施工可与其他工程平行作业。42不同岩层特性马头门施工顺序： 1）当岩层松软、破碎时，两侧马头门应分别施工； 2）在中等以上稳定岩层中，两侧马头门可以同时施工。 3）当马头门围岩比较坚硬稳定时，掘进可采用锚喷作临时支护，为了加快马头门施工速度，可安排与井筒同时自上而下分层施工。 43 2）箕斗装载硐室施工 箕斗装载硐室断面大、结构复杂，施工中有大量预留孔和预

11、埋件，工程质量要求高，施工技术难度大。 与井筒同时施工； 与井筒顺序施工； 与主井井口永久建筑平行施工。44 装载硐室与井筒同时施工 当井筒掘至硐室上方510m处停止掘进并将上段井壁砌好，再继续下掘井筒至硐室位置。若围岩比较稳定，则井筒工作面与硐室工作面错开一荐炮高度(1.52.0m)，同时自上而下施工。 （a）同时分层施工 （b）交替分层施工45 装载硐室与井筒同时施工优缺点： 优点：充分利用凿井设备进行硐室施工、效率高、进度快、安全性好和硐室施工前的准备工作比较少等； 缺点：硐室施工占用了井筒施工工期，拖延了井筒到底的时间。46 井筒掘砌结束后施工装载硐室 当井筒掘砌到硐室位置时，除硐口范

12、围预留外，其他井筒部分全部砌筑。预留出的硐口部位根据围岩情况暂时用喷混凝土或锚喷进行临时支护封闭，待井筒掘砌到设计深度后再返回上来利用凿井吊盘作掘砌工作台进行箕斗装载硐室施工。 将硐室掘出的矸石全部放入井底。硐室完工后，集中将井底的存矸清除出井。硐室施工采用自上向下分层方法。47 装载硐室和地面永久建筑工程平行施工 主井井筒到底后立即组织主井和副井贯通，将主井的提升由吊桶改成临时罐笼，担负井底车场施工的提升任务。副井井筒永久提升设备运转后，拆除主井临时罐笼，进行箕斗装载硐室的施工。 这种施工方案，各辅助生产系统要重新布置和考虑，所以准备工作量比较大。但其优点是施工不占用建井工期。返回48第三章

13、 斜井49第一节 斜井结构一 斜井井筒断面布置 斜井井筒断面设计主要根据斜井的用途、井内装备、倾角以及围岩性质综合考虑进行。 1）面多采用半圆拱形、圆弧拱形或三心拱形断面。 2）根据斜井井筒内的提升设备类型及设施进行断面布置。 3）根据斜井提升设备尺寸、井内设施尺寸和煤矿安全规程规定的安全间隙确定斜井井筒断面尺寸。 4）斜井井筒作为矿井进出风的主要通道，则必须进行风速校核。 50二 斜井井内设施 斜井井筒内的设施除轨道与提升设备外，根据井筒的用途和生产的要求，还需设置水沟、人行道、躲避硐和各种管路、电缆。51第二节 斜井施工 我国斜井施工主要以凿岩爆破为主。 凿岩爆破斜井施工各工序特点： 1）

14、钻眼爆破 ：多台风动气腿式凿岩机同时作业能够实现快速施工。一般0.50.7m放置1台为宜，根据断面大小多台同时作业。 52第二节 斜井施工 2）装岩 ：尽量采用机械装岩提高装岩效率、降低工人劳动强度。目前斜井装岩主要采用耙斗装岩机，耙斗机斗容朝大型化方向发展 。533）提升和排矸 ：我国斜井施工提升设备主要是矿车和箕斗。箕斗提升装卸简便，提升联结装置安全可靠。由于提升矸石的不均匀性和排矸运输的不连续性，需要有一定容积的矸石仓以便矸石转运，确保井下掘进工作不间断 。4）支护 ：斜井支护以锚喷支护为主 。5）排水：斜井工作面的积水可用水泵排除。如果涌水量为56m3/h时，可用潜水泵直接将水排入矿车

15、或箕斗内，随矸石一齐排出。当工作面涌水量在30m3/h以内时，可利用喷射泵将水排至腰泵房水仓，再由卧泵将水排出。 54第三节 斜井施工技术现状及其发展趋势一 斜井施工技术现状 1）爆破采用中深孔光面爆破工艺，多直眼掏槽，高威力炸药爆破，保证炮眼利用率，提高循环进尺。2）装岩提升采用耙斗装岩机和箕斗，可保证装岩及运输能力，加快了装、运、卸各个环节的速度。 3）耙斗机装岩和气腿式凿岩机打眼可以平行作业，充分利用空间和时间。装岩和打眼平行作业是保证快速施工的重要技术措施。554）锚喷支护配合管路远距离输送混凝土拌合料技术，实现掘、支平行作业。5）斜井斜长10001500m的情况下，采用48m3箕斗提

16、升运输矸石，能保证快速施工的需要。 6）激光指向仪能实现快速测量工作；风动、电动潜水泵排水，一抽一压的混合通风等先进施工技术，都为斜井快速施工创造了条件。 56二 斜井施工技术发展趋势 今后相当长一段时间内，斜井施工仍将以钻爆法为主。提高机械化配套作业线的技术水平，应从以下几方面着手。 1）形成系列化的机械化配套作业线； 2）进一步完善中深孔光面爆破； 3）研制斜井凿岩台车 ； 4）研制适合倾角大于25的装岩设备 ； 5）完善潮喷或湿喷 ； 6）防治水技术亟待提高 ； 7）施工队伍专业化 。返回57第四章 立井井筒设计58第一节 立井井筒设计综述(1) 井壁破裂问题 我国现行的井壁设计方法认为

17、：井壁承受水平水压和地压，井壁自重的3/4由地层承担；对于带夹层的井壁，内壁承受静水压力，外壁承受冻结压力；将井壁受力视为平面应变问题，按第四强度理论进行强度验算。深厚表土井壁应力状态复杂。已有70多个深厚表土井筒破裂，据预测破裂井筒可能达到150个。59第一节 立井井筒设计综述(1) 井壁破裂问题井壁破裂的原因：竖直附加力说、施工质量说、新构造运动说、地震说、渗流变形说、竖井三因素综合破坏机理说。中国矿业大学崔广心教授：深厚表土层底部含水层在补给水不足的特定条件下，由于采矿活动或人为疏排水使含水层水位下降，土层固结压缩，造成地层下沉。由于井筒周围地层位移与井壁位移的不完全同步，导致井壁外表面

18、产生了向下的竖直附加力，该力是导致井壁破裂的主要原因。60第一节 立井井筒设计综述(1) 井壁破裂问题根据工程实际和理论分析表明，竖直附加力主要起因于：冻结壁融沉；含水层疏水产生固结沉降；井壁热胀冷缩受限于土层约束；地表水的水夯效应；开采工业广场的保护煤柱引起岩土层下沉；近采区开采引起地应力的变化。华东地区井壁破裂主要是底部补给不充分的含水层疏水产生的固结沉降引起。61第二节 立井井筒装备 了解提升容器的选择621 井壁结构的型式 井壁结构分为：砌块井壁、锚喷井壁、整体浇注式井壁和复合井壁。目前由于开采深度的加大、地质条件的复杂，复合井壁在我国矿井设计中被广泛应用 。 第三节 立井井筒断面设计

19、 63（a）（b）（c）（d）（e）（f）（g）（h）a一单层井壁；b一双层井壁；c一沥青板夹层双层复合井壁；d一塑料夹层双层复合井壁；e一AV复合井壁；f一滑动可缩井壁； g一整体滑动可缩井壁；h一丘宾筒复合井壁1一接茬缝；2一塑料止水带；3一沥青板夹；4一塑料夹层；5一压缩板；6一预制块；7一水泥砂浆；8一沥青层；9一钢板；10一可压缩层；11一滑动层；12一泡沫塑料层；13一基岩；14一型钢筒图4-3 井壁结构示意图2134106791181210131211101356851464序号井壁基本性能结构材料1单层井壁混凝土、钢筋混凝土全厚一次浇筑，承压性能好，但井壁接茬处易漏水；钢筋混凝

20、土井壁，能承担不均匀地压，但施工复杂、效率较低，通常只在特殊地压条件下，如穿过断层破碎带、井颈部分使用。2锚喷井壁混凝土、锚杆井壁一般100200mm、强度高、粘结力强、抗弯性能好、施工效率高、施工速度快。主要用在淋水不大、岩层较稳定的条件下，采用联合支护后，可应用于较软的岩层中。3双层井壁外层井壁混凝土砌块不放可缩木砌筑后能迅速承受围压，但整体承压能力小，劳动强度大。4放可缩木砌筑后能迅速承受围压，纵向可压缩，整体承压能力有所提高，但抵抗不均匀压力的性能较差。5钢筋混凝土不放置外可缩板早期强度低，24h后可承受一定围压，整体性好、强度高，能承担不均匀地压。6放置外可缩板能延缓冻结压力作用于井

21、壁的时间13天。7内层井壁钢筋混凝土普通混凝土采用滑模施工，整体性较好，但混凝土易产生收缩裂隙。8防裂防水高性能混凝土混凝土收缩裂缝减少，封水性能好，可提高内、外层壁的整体承压性能和封水效果。659夹层井壁外层井壁混凝土砌块、钢筋混凝土根据结构不同，其性能同双层井壁结构的外层井壁性能。10夹层塑料板、沥青板兼有可弯曲、可滑动的特点，可承受一定的动压力，适应无煤柱开采技术。但工艺复杂，造价高。11钢 板不起滑动作用，而起封水或提高内层井壁承载能力的作用，适宜用于冲积层厚度400m井筒。12内层井壁钢筋混凝土根据结构不同，其性能同双层井壁结构的内层井壁性能。13可缩井壁滑动层沥 青能减小地层与外层

22、井壁下沉引起的竖向附加力对内层井壁的影响，允许回采保护煤柱。14可缩层型钢或软板结构可疏排水地层沉降引起的竖向附加力及其对井壁的影响，防止井壁破坏。15丘宾筒井壁外层井壁混凝土砌块、可缩木砌筑后能迅速承受围压，纵向可压缩。夹层沥青板兼有可弯曲、可滑动的特点，可承受一定的动压力。内层井壁铸铁或钢丘宾筒具有强度高、柔性好等优点，有专家提出引用铸铁或钢丘宾筒井壁来适应特殊地层条件，但有待进一步研究。续表662 井壁载荷的确定 分为恒荷载、活荷载和特殊荷载。1）恒荷载主要有井口构筑物对井壁施加的荷载、井壁自重；2）活荷载主要有水压、地压、冻结压力、温度应力、注浆压力、施工时的吊挂力等；3）特殊荷载指提

23、升钢丝绳断绳时通过井架（井塔）传到井壁上的荷载和地震产生的作用力等。作用在井颈段井壁上的荷载主要是井口构筑物荷载和特殊荷载。基岩段井壁承受的荷载主要是活荷载，主要是地压。第三节 立井井筒断面设计 67第四节 井壁厚度的确定 68一 井壁荷载的确定 1）水平地压 水平地压是井壁模型计算中的一个主要影响因素。水平地压通常由以下几种方式确定：平面挡土墙地压公式69经验地压公式轴对称挡土墙地压公式夹心墙土压力理论70地压确定方法的评价 ：地压是由于地下工程的开挖，地应力重新分布后作用于井壁上的水平压力目前表土层的地压理论可以分为两大类：线性增加型，如平面挡土墙地压公式、经验地压公式；这些公式没有考虑井

24、筒掘进半径的影响，地压随深度而线性增加。极限型，如轴对称挡土墙地压公式、夹心墙土压力理论；此类公式的特点是地压与井筒半径有关，井筒达到一定深度时，地压趋于一极限值。712）自重及地面荷载的确定 井壁混凝土的自重按照建筑结构荷载规范（GB500092001）推荐的钢筋混凝土自重标准值为2425kN/m3，井筒内部生产设备的重量，在进行计算时可以将它们平均于混凝土的体积力中。 另外，还需要对温度载荷、施工载荷、竖直附加力、地震载荷进行计算。72二 井壁应力及厚度计算1 井壁的厚度计算目前一般均将井壁视为弹性体，按弹性理论进行计算。深厚表土层不稳定地层下的井壁受力状态非常复杂，与许多因素有关，在力学

25、上属于空间受力。为了简化计算，往往将其简化为平面应变问题，用第四强度理论进行强度验算。73井壁的厚度： 强度校核：742 空间轴对称模型的应力将井壁受力情况视为空间轴对称问题 ，给出相应的边界条件，利用静力平衡方程、变形几何关系及本构关系方程构成的弹性体的基本方程组来求解。75了解井颈、壁座和井底的载荷、结构、尺寸等。返回第五节 井颈、壁座和井底设计76第五章 立井井筒施工77第二节 表土段施工 视施工难易程度将表土分为稳定表土层和不稳定表土层 。针对不同表土层，表土段的施工方法分为普通施工法和特殊施工法。特殊施工法在第六章介绍。了解表土段普通施工法。78第三节 立井基岩施工 钻眼爆破法施工是

26、立井基岩段施工的主要方法。结合工程实例介绍爆破、装岩、支护的施工工艺、方法、设备。79第四节 井筒施工防治水技术专题 井筒防治水方法主要有：注浆堵水、导水与截水、钻孔泄水和吊泵排水等。这里介绍注浆堵水。 井筒注浆堵水有：地面预注浆 、工作面预注浆、井壁注浆。注浆材料：化学浆液、水泥浆液、水泥水玻璃浆液、高水速凝材料等。80第五节 立井井筒施工技术发展 项目设备或设施型号井 筒 直 径 (m)工序566.58伞钻FJD6凿 岩伞钻FJD6.7伞钻TYSJ B6装 岩中心回转抓岩机HZ-6长绳悬吊抓岩机HS-6翻 矸座钩式吊桶翻矸装置排 矸8t自卸汽车下行式金属模板砌 壁组合式金属模板冻结段冻结段提 升2JK-3.520(作主提)(作副提)2JK-3.020(作主提)(作副提)JK-2.815.5(作主提)JK-2.520(作副提)JK-2O20(作副提)IV型金属凿井井架81第五节 立井井筒施工技术发展 凿井井架IVG 型金属凿井井架V型金属凿井井架悬吊设备双层吊盘，三层吊盘，吊盘绳兼稳绳排 水吊泵80DGL-7-150kW测 量DJ2l型激光指向仪混凝土搅拌站出料量30