超深厚冲积层立井冻结爆破快速掘砌施工技术.pdf

doi 10. 11799／ ce201911008 收稿日期 2019－06－05 基金项目 国家自然科学基金（51474097， 51504082， 51674100， 51778215）； 河南省科技攻关计划项目（172102310676， 152102310331）； 河南省教育厅高等学校重点科研项目（16A440008）； 河南理工大学博士基金项目（B2015－71）； 河南省高校基本科研业务费专项资金（NSFRF170920） 作者简介 于建新（1986）， 男， 山东肥城人， 博士， 讲师， 主要从事爆破理论及应用、 隧道及地下工程灾害防治等方 面的教学与研究工作， E－mail jianxinyu＠ hpu. edu. cn。 引用格式 于建新， 郭 敏， 张英才， 等. 超深厚冲积层立井冻结爆破快速掘砌施工技术 ［J］. 煤炭工程， 2019， 51 （11） 33－37. 超深厚冲积层立井冻结爆破快速掘砌施工技术 于建新1，2，3， 郭 敏1， 张英才1， 曾凡伟4， 张道海4， 曾 鹏4 （1. 河南理工大学 土木工程学院， 河南 焦作 454000； 2. 河南省地下工程与灾变防控重点实验室， 河南 焦作 454000； 3. 河南省地下空间开发及诱发灾变防治国际联合实验室， 河南 焦作 454000； 4. 河南国龙矿业建设有限公司， 河南 郑州 450000） 摘 要 以赵固二矿西风井工程为背景， 从冻结方案设计、 钻爆施工、 装岩提升与排矸、 井壁 浇筑、 施工组织及监控量测等方面， 详细阐述了超深厚表土层冻结爆破快速掘砌施工技术。 现场采 用多圈冻结管对深厚表土进行冻结， 实现不同地质条件下冻结温度的动态调控， 为爆破掘进提供最 恰当的冻土条件； 不断优化爆破方案， 辅以振速安全监控， 实现冻土爆破的快速进尺与良好的爆破 效果； 根据土压力与工程结构受力情况， 适时调整混凝土强度等级， 保证竖井的稳定性； 采取项目 部管理法， 以工程安全质量为前提， 实现工程最短施工时间， 达到最优经济效益； 外壁施工采用 “滚班制”， 内壁施工采用 “三班制” 的作业制度， 实现了深大竖井的快速掘进。 关键词 深大立井； 冻结法； 冻土爆破； 快速施工 中图分类号 TD263 文献标识码 A 文章编号 1671－0959（2019）11－0033－05 Construction Technology of Rapid Excavation and Laying by Freezing Blasting in Vertical Shaft with Ultra－deep Alluvium YU Jian－xin1，2，3， GUO Min1， ZHANG Ying－cai1， ZENG Fan－wei4， ZHANG Dao－hai4， ZENG Peng4 （1. School of Civil Engineering， Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454000， China； 2. Henan Key Laboratory of Underground Engineering and Disaster Prevention， Jiaozuo 454000， China； 3. International Joint Research Laboratory of Henan Province for Underground Space Development and Disaster Prevention， Jiaozuo 454000， China； 4. Henan Guolong Mining Construction Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China） Abstract Based on the west ventilation shaft project of Zhaogu No. 2 Mine， the rapid excavation and laying construction technology of ultra－deep topsoil freezing blasting is elaborated from the aspects of freezing scheme design， drilling and blasting construction， mucking and hoisting， waste stone exhausting， shaft wall pouring， construction organization and monitoring measurement. The multi－circle freezing tubes are used to freeze the deep topsoil to realize the dynamic regulation of freezing temperature under different geological conditions， and provide the most suitable frozen soil conditions for blasting. The rapid progress and good blasting effect are realized by continuously optimizing blasting scheme， assisted by vibration velocity monitoring. According to the earth pressure and the stress of the engineering structure， the concrete strength grade is adjusted in time to ensure the stability of the shaft. The shortest construction time and optimal economic benefit is implemented by adopting the project management and taking the premise of engineering safety quality. The construction time will reach the optimal economic benefit. Rapid excavation of deep and large shaft is realized by adopting “roll work in shifts” in outer wall construction， and “three shifts” in inner wall construction. Keywords deep vertical shaft； freezing ； frozen soil blasting； rapid construction 33 第51卷第11期 煤 炭 工 程 COAL ENGINEERING Vol. 51， No. 11 万方数据 面对日益增长的煤炭需求量， 对地下超深煤层 的开采逐渐增多。 冻结凿井法由于对地下复杂地况 具有较好的适用性， 在超深厚土体中的井筒施工应 用较为普遍。 我国于 1955 年在林西煤矿采用此技术 以来， 大范围在华北、 西北地区进行应用， 均取得 了不错的施工效果。 杨维好综述了 400～600m 特厚 表土层冻结凿井法在我国的应用， 认为冻结温度在 －40～－50℃是冻结技术未来的研究方向［1］。 李新政 从钻眼方案、 施工组织方面对永城煤矿深 670. 5m 立 井施工方法进行了研究［2］。 臧培刚等人开发了井上 螺旋输送混凝土系统， 解决了井筒施工支护难题［3］。 边振辉对混合竖井成套施工进行了研究， 将 3 层吊 盘与马头门整体支护模板相结合， 提高了施工速 度［4］。 聂艳军对立井井筒施工研究， 采用短段掘砌 混合作业方式， 大段高金属活动模板全方位浇筑， 中深孔光面爆破， 取得不错效果［5］。 赵兴东针对超 深井筒所处的复杂应力条件， 提出了释能井壁支护 结构［6］。 杨更社等对立井冻结法施工设计理论进行 了研究总结， 简述了深部冻结岩土性能与冻结壁的 设计［7］。 经来旺等认为温度应力才是导致立井井壁 破裂的最主要原因［8］。 徐华生等通过潘三矿冻结法 的井筒施工， 设计冻结壁厚度 8. 6m， 冻土平均温度 －17℃可安全通过 297～347m 深厚黏土层［9］。 冯连岱 对万福煤矿冻结井筒施工工艺进行分析， 从冻结设 计、 冻结孔分圈插花布置施工、 分期冻结以及实时 监测等技术优化了冻结施工工艺［10］。 J. M. Kennard 提出了一种冻土中水冻结成冰的力学模型， 研究了 其性能， 为爆破对冻土的影响提供了一定理论［11］。 王鹏越对我国超大直径深立井的施工技术及装备进 行总结分析［12］。 国内外有关学者对立井井筒冻结法 施工进行了大量研究， 取得了丰硕的研究成果， 但 主要集中在冻结壁、 冻土性能和井筒施工的某一研 究， 没有较好地对整体施工做一个完整的概述， 尤 其是在冻土爆破方面尚不全面。 本文以赵固二矿西 风井冻结施工为背景， 从表土冻结、 钻爆施工、 井 壁浇筑到安全管理技术措施等方面， 详细分析了 700m 超深厚表土条件下， 冻土爆破与井壁掘砌快速 施工的技术要点。 1 工程概况 赵固二矿西风井井筒位于河南省辉县市占城镇 北小营村， 井田属第四系、 新近系全掩盖区。 本次 施工的西回风井井检孔 FJ1 孔位于井田中部， 据钻 孔和 测 井 资 料， 其 中 井 筒 穿 过 表 土 层 厚 度 为 704. 6m， 井壁厚度 800～1950mm。 井筒所穿黏土层 （砂质黏土）25 层， 总厚度 620. 34m， 占比 67. 9％， 单层黏土层最厚达 77. 20m。 赵固二矿井田属第四 系、 新近系全掩盖区， 据钻孔和测井资料， 本次 FJ1 孔揭露的地层自上而下有第四系（Q）、 新近系（N）、 二叠系下统下石盒子组（P1x）、 二叠系下统山西组 （P1s）、 石炭系上统太原组（C2t）。 井筒设计净直径 6. 0m， 井口设计绝对标高＋ 81. 0m， 井筒落底绝对标高－821m， 井筒设计深度 914m； 井帮冻土温度为－11. 5℃， 蠕变性强； 井筒 垂深 700m 处的地温高达 19. 0℃。 设计 5 次变径， 分别位于－190m／ －298m／ －420m／ －532m／ －720m。 冻 结段采用双层复合钢筋混凝土井壁结构， 内、 外层 井壁中间铺设塑料夹层， 外层铺设泡沫板， 基岩段 为单层井壁结构。 混凝土强度等级为 C50C100。 2 冻结爆破方案 2. 1 冻结参数 赵固二矿西风井采用双机双级螺杆压缩机制冷 机组， 其标准制冷量在 580－2300kW 之间。 冻结方 案采用外圈孔、 中圈孔和内圈孔加防片孔的多圈冻 结管冻结方式， 可有效提高冻结壁强度， 减少冻结 厚度［1］。 通过多圈冻结管的布置， 可以根据监测数 据灵活调节冻结壁冻结温度。 主排冻结管孔冻深达 到 767／783m， 孔数 52 个， 圈径为 24. 8m， 开孔间 距 1. 498m； 中圈孔冻深 736m， 孔数为 16 个； 圈径 为 16. 7m， 开孔间距为 3. 279m； 内圈孔冻深 736m， 孔数为 16 个； 圈径为 19. 7m， 开孔间距为 3. 868m； 防片孔冻深 193m， 孔数为 5 个； 圈径为 11m， 开孔 间距为 6. 912m； 防片孔冻深 423m， 孔数为 10 个； 圈径为 12. 5m， 开孔间距为 3. 927m； 防片孔冻深 535m， 孔数为 10 个； 圈径为 14. 5m， 开孔间距 为 4. 555m。 冻结造孔质量要求 400 ～ 700m 表土段， 靶域 半径 0. 8m； 基岩段靶域半径 1. 0m； 表土段向内≤ 0. 6m； 基岩段向内≤0. 9m。 深部冲积层的靶域半径 可控制在 800mm 以内， 冲积层底部终孔间距可控制 在 3. 0m 以内； 在基岩风化带、 基岩中的靶域半径可 控制在 1000mm 以内， 基本可将成孔间距控制在 3. 4m 以内， 基岩段底部冻结管长腿的终孔间距控制 43 施工技术 煤 炭 工 程 2019 年第 11 期 万方数据 在 4. 8m 以内。 2. 2 钻爆设计 钻爆机具采用 SZJ－6. 7 伞钻（如图 1 所示）配改 装后的 MQT150 型锚杆钻机， 配合麻花钻杆、 Y 字 型钻头。 针对井下负低温条件， 选用具有抗低温、 耐水性特点的 T220－nd 抗冻水胶炸药（－25℃）， 该 炸药具有良好的耐低温、 防水性， 适合立井开挖使 用。 炸药规格为 Φ35mm300mm0. 35kg， 周边眼 装药长度不超过 800mm。 采用毫秒延期电雷管， 最 后一段延期时间不超过 130ms， 分段起爆。 施工中 应根据冻结管倾斜情况， 及时调整周边眼位置， 保 证周边炮孔距冻结管不小于 1. 2m； 提高低段别雷管 精度并适当延长其起爆时差可有效降低振动波的叠 加， 并严格控制装药量及采取周边眼间隔装药措施， 降低爆破对冻结管的影响［13］。 图 1 SZJ－6. 7 伞钻 采用全断面钻爆法， 打眼前按设计要求划出井 筒轮廓线， 点出炮眼位置， 采取定人、 定位、 定眼、 定机分区作业。 采用反向连续装药结构， 严格控制 周边眼的装药量， 视围岩硬度对周边眼的装药量进 行及时调整， 炮眼使用炮泥充填， 联线方式采用并 联。 爆破母线采用 3. 8mm2铜母线电缆， 放炮母线 上端与放炮电缆相连， 下端与雷管脚线相连。 井下 工作面各炮眼装药、 联线完毕后， 从吊盘下放放炮 母线至工作面， 放炮母线上端与放炮电缆相连， 下 端与雷管脚线相连， 经检查装药、 联线无误后， 再 进行放炮。 现场对混凝土井壁爆破振动进行实时监测， 不 断调整爆破参数。 经过试验， 炮眼平均利用率在 93. 3％， 单位耗药量 1. 31kg／ m3， 周边光面爆破效果 最好， 光爆断面较为平整， 掘砌进尺也随之提升。 研究发现 掏槽孔深 3. 2m， 其他辅助孔 3m； 掏槽 孔、 辅助掏槽孔、 辅助孔和周边孔共布置 7 圈， 全 断面 180 个孔， 采用 1、 3、 4、 5 段电雷管， 一次起 爆炸药量 255. 5kg， 爆破效果较好。 2. 3 立井提升与排矸 赵固二矿西回风立井井筒临时锁口施工完毕， 将三层吊盘下放井底， 安装封口盘。 安装完毕后， 将三层吊盘用四根钢丝绳吊起， 与封口盘相应位置 对正后用绳套锁在封口盘下。 当掘砌至井深30m 时， 在下行模板上口搭操作架， 将三层吊盘下放至操作 架上进行吊盘安装。 提升系统使用 V 型凿井井架配 备 2 个 Φ3. 0m 天轮， 提升绞车用 2JK－4. 0／ JKZ－3. 0 型提升机各 1 台。 700m 以上采用 5m3座钩式吊桶 2 个， 700m 以下采用 5m3／4m3座钩式吊桶各 1 个， 3m3底卸式吊桶 4 个。 爆破后采用 CAT7. 8 型电动挖掘机掘进， HZ－ 6A 型中心回转抓岩机（如图 2 所示）挖掘装渣。 基岩 段抓岩机抓岩顺序 抓出罐窝→抓取边缘矸石→抓 井筒中间矸石。 集中阶段， 此阶段要充分发挥抓岩 机抓岩能力和提升能力， 尽快把堆集在井底的大量 爆落矸石装运到地面。 清底阶段， 为加快清底速度， 保证清底质量， 为下一循环打眼创造条件， 采用人 工多台风镐清底。 在清底工作的同时， 做好工序转 换前的准备工作。 图 2 中心回转抓岩机 3 外壁浇筑 赵固二矿井筒采用临时锁口施工， 外壁采用 “短段掘砌混合作业” 的施工方法。 外壁砌筑采用 单缝式液压脱模整体金属（带刃脚）下行模板。 井筒 冲积层砌壁段高遵守 煤矿井巷工程施工规范 相 关规定， 在正式开挖前， 冻结壁径向位移小于或等 于 50mm， 循环作业时间少于或等于 30h， 段高小于 或等于 3. 8m； 深厚黏土层施工段高不应大于 2. 5m。 外壁的立模工艺， 采用找平工作面→落刃角找正→ 铺设泡沫板→然后按设计间排距安装竖向钢筋， 绑 扎环向钢筋→最后落模板浇灌混凝土。 井壁竖筋采 用直螺纹机械连接， 并严格按照 钢筋机械连接技 术规程 （JGJ 1072010）技术标准执行； 环筋采用 搭接连接， 搭接长度不得小于 35d（d 为钢筋直径）， 53 2019 年第 11 期 煤 炭 工 程 施工技术 万方数据 绑扎前用红漆做好搭接长度标记。 混凝土的强度等 级随着地下围压的增加而改变， 从 0 ～ －120m 采用 C50－C70 强度混凝土， －120～ －590m 用 C80， 往后 是 C90、 C95、 C100 强度等级混凝土。 模板脱模后由信号工与井上联系， 使模板恢复 到设计尺寸开始组立， 将高压阀门打到减压位置， 使模板恢复到设计尺寸死锁， 将模板找正， 稳固牢 靠。 打开模板上的脚手架， 模板即组立完成。 从井上将风动液压泵站下到井下， 接上风管， 并给油缸对上高压油管， 开动风动液压站， 启开高 压阀门， 使油缸工作带动活塞内收， 使模板脱开砌 壁。 脱模间隔时间不少于 6h。 脱模时混凝土强度达 到 0. 7～1. 0MPa。 在浇灌混凝土前必须把接茬处用镐将杂物清净， 模板刃脚处岩石铺平， 防止漏浆。 外层井壁施工过 程中， 吊盘下层盘喇叭口上安装灰箱工字钢梁， 灰 箱牢固放在下层吊盘喇叭口工字钢上， 灰箱下悬吊 的钢丝铠装耐磨胶管对称入模； 每次浇筑混凝土厚 度不得超过 300mm， 振捣分布间距一般为 300 ～ 400mm， 入模混凝土采用插入式震动棒通过合茬窗 口进行分层振捣； 振捣人员每班定人、 定片、 定责、 定奖罚分片振捣， 确保振捣质量。 井口设混凝土集中搅拌站， 2 台 HZ－75 型强制 搅拌机， 配 PLD－2400 型混凝土配料机， 混凝土由 地面搅拌站配制， 3m3底卸式吊桶下灰， 通过分灰 器、 溜灰管入模。 4 工程管理与安全保证措施 4. 1 施工组织管理 为达到安全、 快速、 高效地完成风井施工任务， 对赵固二矿西回风井立井工程实行项目部管理法。 配备有项目经理、 支部书记、 生产经理各一人， 对 项目进行有效管理。 项目经理选用有类似深井井筒 施工经验的优秀项目经理， 并且项目部领导班子集 体承包， 风险抵押， 成本核算， 按劳分配， 全员管 理。 建立以项目经理全面负责的劳动力管理组织体 系， 项目经理全面负责组织每月两次的劳动力协调 会。 根据当月的施工生产任务和地质条件的变化， 对各个施工班组劳动力进行平衡、 协调及时解决劳 动力配合中的矛盾。 并预计下月的劳动力使用数量 等提出使用计划， 做到动态管理。 井筒外壁施工采用短段掘砌混合作业方式。 掘 进班组采用 “滚班” 作业制度； 内壁施工采用 “三 八” 作业制度； 地面辅助采用 “三八” 作业制度。 赵固二矿西回风立井井筒工程施工队由矿建队、 机 电班组、 运输班组三部分组成； 其中以矿建队为主， 机电班组、 运输班组配合的劳动力构成形式。 按照 井筒施工准备阶段、 冻结表土层施工阶段、 井筒基 岩施工阶段及内壁施工阶段， 合理安排劳动力； 其 中井筒准备期计划投入 64 人， 表土层施工计划投入 146 人， 基岩段施工计划投入 108 人， 内壁施工计划 投入 121 人。 4. 2 井壁温度监测 为监测外层井壁温度变化范围； 壁后冻结土融 化范围、 回冻时间、 冻土融化对井壁受力特性的影 响； 壁座及内层井壁温度峰值、 内外层井壁间温度 与壁间注浆时机的控制。 在深冻结井井壁和壁后冻 土测温中， 通过在井下测温点组建无线网络， 利用 无线传输技术， 在需要测温的地方放一个测温终端， 将一线总线测温电缆接至测温终端上， 那么深井井 壁及壁后冻土测温就由若干个无线测温终端组成； 读取温度的时候仅需要拿着便携式无线温度采集仪 随工作吊桶采集各个测温终端的数据， 存储下来， 在井下或回到地面均可将温度读出来进行分析处理。 4. 3 测量放线 井筒建设过程中采用小绞车缠绕的细钢丝和铁 坠砣定向， 细钢丝作为测量基准（井筒中心）。 使用 全站仪或激光测距仪按地面一级导线精度要求测定。 十字中心线的测设及十字基桩的埋设应满足建井期 间的施工需要， 基点类型、 数量、 设置方式根据现 场情况而定。 井筒中心及十字中心线设定后， 应以 5″导线检查测量， 两条十字中心线垂直度允许误差 为10″。 井筒施工给向采用垂线法， 中心垂线为 2～ 3. 8mm 的碳素弹簧细钢丝绳， 垂球重量不小于 30kg。 井筒掘进过程中， 每段砌壁前进行校对， 井 筒中心位置偏差不得超过 5mm 并及时测量井底 标高。 4. 4 井壁位移监测 按照设计要求， 井筒最大径向位移不得超过 50mm， 依监测结果实时调整段高。 每一循环测量分 两次完成， 首先在井帮开出1m 时下井埋点， 按要求 在东、 西、 南、 北四个方向的刃脚上开出标记槽， 砸入木楔并测量木楔顶端到标记槽的水平距离， 其 次在落刃脚前复测木楔顶端到标记槽的水平距离。 通过现场监测， 井壁位移均在安全范围以内， 保证 了井筒施工质量。 63 施工技术 煤 炭 工 程 2019 年第 11 期 万方数据 5 结 论 1） 采用外圈孔、 中圈孔、 内圈孔加防片孔的冻 结方式， 可灵活多变地改变冻结段温度。 随着开挖 深度的增加， 通过多圈冻结管来调节冻结温度， 使 开挖基段在保证安全的前提下， 不冻实土体。 2） 井筒施工给向采用垂线法， 由碳素弹簧细钢 丝绳加垂球进行量测， 确保井筒中心位置偏差不得 超过 5mm， 控制井筒位移。 3） 爆破方案经过现场试验调整爆破参数， 增加 爆破圈数、 炸药量和炮孔深度， 使爆破进尺加大， 节省施工时间， 缩短了施工工期。 4） 提升设施， 依据深度不同， 分别采用 5m3／ 4m3／3m3的吊桶， 方便排矸。 采用两个提升绞车， 极大地加快了排矸量。 5） 环向钢筋绑扎前用红漆做好搭接长度标记， 方便在井下施工。 竖筋采用直螺纹连接方式， 可加 快绑扎进度。 混凝土的强度等级， 适应随井深及地 质条件逐步调整。 6） 施工组织方面， 掘进采用 “滚班制”， 内壁 施工和地面辅助采用 “三八制”， 通过优化劳动组 织， 缩短了工期。 参考文献 ［1］ 杨维好. 十年来中国冻结法凿井技术的发展与展望 ［C］ ／ ／ 中国煤炭学会. 中国煤炭学会成立 50 周年论文集. 北京， 2012 1－7. ［2］ 李新政. 立井冻土爆破快速施工技术 ［J］. 建井技术， 2010， 31（5） 6－8. ［3］ 臧培刚， 王 伟， 马宏强， 等. 超深厚冲积层冻结井筒施工 关键技术研究 ［J］. 煤炭科学技术， 2017， 45（8） 90 － 97， 141. ［4］ 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