深冻结井筒凿井施工实践.pdf

书书书 第2 6卷第5期 建 井 技 术 V o l . 2 6 N o . 5 2 0 0 5年 1 0月 M I N EC ON S T RU C T I ONT E CHNO L O G Y O c t . 2 0 0 5 收稿日期2 0 0 5 0 4 2 3 工程技术 深冻结井筒凿井施工实践 徐辉东1, 王敏建2, 崔建井2 1中国矿业大学 北京 力学与建筑工程学院, 北京,1 0 0 0 8 3;2中煤第七十一工程有限公司, 安徽 宿州,2 3 4 0 0 0 摘 要 济西生建煤矿主井井筒深度5 7 1. 5 m, 冲积层厚度4 5 7. 8 m, 冻结深度 4 8 8 m。冲积层中膨胀粘土层占总厚度的6 9. 2, 施工难度大。通过采用信息化施工 技术和采用高标号混凝土浇筑外壁、 强化冻结、 短段掘砌等措施, 实现了安全、 优质、 快速施工。简要介绍了井筒冻结段施工情况、 主要施工技术措施及施工效果, 对深冻 结井施工存在的有关问题进行了探讨。 关键词 深冻结井; 信息化施工; 深厚冻结粘土层; 高标号混凝土 中图分类号T D 2 6 5 . 3 4 文献标识码 B 文章编号1 0 0 2 6 0 2 9 2 0 0 50 5 0 0 0 1 0 4 1 工程概况 济西生建煤矿设计生产能力4 5万t/a, 采用立井开拓方式。主井井筒净直径4. 5 m, 深度5 7 1. 5 m。井筒第三系、 第四系冲积层总 厚 度4 5 7. 8 m,其 中 粘 土 层 占 总 厚 度 的 6 9. 2, 厚度大于5. 0 m的粘土层总厚度为 1 2 7. 5 6 m, 最厚的一层厚度为2 1. 3 8 m。粘土 呈固结状和半固结状, 易膨胀, 强度低。根据 冻土物理力学性能试验报告, 粘土层最大冻 胀率5. 4 4, 最大冻胀力1. 4 9 MP a。 井筒冲积层段采用冻结法施工, 冻结深 度4 8 8 m, 冻结段掘砌深度4 8 3 m。冻结段井 壁为 双层 钢筋混 凝 土 结 构, 内 壁 厚5 0 0“ 8 5 0 mm, 外壁厚4 5 0“9 0 0 mm, 混凝土强度等 级C 3 0“C 6 5。冻结段下部基岩段井壁为单 层素混凝土结构, 厚度3 5 0 mm, 混凝土强度 等级C 3 0。 2 井筒冻结情况 井筒采用双圈孔一次冻全深的冻结方 案。外圈孔差异、 异 径 冻 结, 长、 短 管 深 度 4 8 8/4 6 8 m。内圈孔在冻结管内布置双供液 管, 长管4 5 8 m; 冻结初期关闭短管, 采用盐水 反循环冻结工艺, 加快上部冻土发展速度, 防 止掘进时片帮。冻结管规格Ф1 3 3“1 5 9 mm; 供液管规格外圈孔Ф7 5 mm, 内圈孔Ф6 0 mm。 当井筒掘砌外壁深度到达2 5 0 m时, 开启短 管作回液管, 采用盐水正循环方式进行局部 冻结, 提高下部冻结壁强度, 降低井帮温度; 同时减小上部冻土作用于外层井壁上的冻胀 力。 井筒冻结孔施工于2 0 0 2 0 4 2 8正式开 始, 至同年8月8日结束, 共造孔5 7个, 累计 长度2 61 0 5 m。井筒于2 0 0 2 0 8 2 0正式开 冻, 3个水文孔冒水时间分别为开冻后4 8 d 报导深度8 3 m 、5 2 d 报导深度1 8 5 m 和 5 7 d 报导深度4 8 3 m 。2 0 0 3 0 7 1 0井筒套内 壁至井深1 2 0 m时停止冻结, 实际冻结时间 3 2 4 d, 其中开挖前冻结6 2 d, 掘砌期间冻结 2 6 2 d。 盐水去路温度在冻结1 0 d时降至0℃, 建 井 技 术 2 0 0 5年第2 6卷 冻结5 0 d时降至-3 0℃。积极冻结期最低盐 水温 度 为-3 4℃ 冻 结 第1 2 6“1 7 9 d,计 5 4 d , 维 护 冻 结 期 盐 水 温 度 基 本 保 持 在 -3 0℃左右。冻结中后期以较低的盐水温度 进行强化冻结, 对井筒冻结段安全施工起到 了十分重要的作用。 井筒冻结设计参数见表1。 表1 井筒冻结设计参数 序号项目名称数量 1 冻结深度 外圈孔 内圈孔 4 8 8/4 6 8 m 4 5 8 m 2 冻结壁厚度7 . 5 m 3 冻结壁平均温度 -1 5℃ 4 外圈孔布置 圈径 孔数 开孔间距 1 6 . 5 m 4 0个 1 . 2 9 5 m 5 内圈孔布置 圈径 孔数 开孔间距 1 1 . 0 m 1 0个 3 . 4 5 0 m 6 水文孔布置*3个 7 测温孔布置 深4 8 8 m,4个 注*3个测温孔深度分别为8 3,1 8 5,4 8 3 m。 3 井筒冻结段掘砌施工 3 . 1 机械化配套施工设备 井筒凿井施工机械化配套设备主要有 2 J K 3 . 5/1 5 . 5、2 J K 2 . 5/2 0提 升 机,J Z 1 0/6 0 0 A、J Z 1 6/8 0 0 A凿井稳车,3 . 0 m 3 和 2 . 0m 3 吊桶,H Z 6中心回转抓岩机, 8 T自 卸式排矸汽车,G凿井井架,M J Y下行式 液压金属大模板,Z L 5 0装载机, J S 1 0 0 0混 凝土搅拌机,P L D 1 6 0 0混凝土配料机,L S Y 螺旋输送机, 5 L 4 0/8、4 L 2 0/8空压机,Z NQ 5 0高频混凝土振捣器, K J T X S X 井筒通 信及信号装置,D T Z 激光指向仪, 工业电 视监控系统,HB Q 1 0 L气动混凝土输送泵 等。 3 . 2 施工情况 井筒冻结冲积层段掘砌外壁采用人工配 风镐及高效风铲挖掘, 两套单钩3 . 0 m 3 和 1 . 5m 3 吊桶提升。混凝土由D X 1 . 6底卸式 吊桶下放入井, 在吊盘上进行二次搅拌, 人工 入模, 均匀分层浇筑, 高频电动振捣器振捣。 井筒冲积层段深1 8 9 m以内采用绳捆金属模 板筑壁, 段高分别为1 . 2, 1 . 5,2 . 2 m;1 8 9“ 3 0 1 . 7 m段采用下行式整体金属模板筑壁, 段高3 . 7 m;3 0 1 . 7“4 5 6 . 7 m段也采用下行 式整体金属模板筑壁, 段高2 . 2 m。冻结基岩 段采用深孔控制爆破技术掘进, 孔深4 . 5 m; 采用3 . 3 m段高下行式整体金属模板筑壁。 冻结段内壁套壁施工采用1 . 4 m高液压滑 模, 自下而上连续作业, 一次完成。 冻结段施工完毕, 进行了工作面预注浆。 冻结段下部基岩段厚度8 3 . 5 m, 注浆段高 9 4 m, 下行式注浆, 一次注全深。注浆效果较 好, 实现了干打井。 3 . 3 信息化施工技术应用 济西矿主井井筒冲积层较厚, 冻结深度 较深。为了确保冻结段凿井施工安全顺利, 在井筒施工过程中, 通过多方合作, 开展了多 项监测工作, 包括冻结孔深度、 偏斜率和 冻结器试压、 耐压情况监测;’冻结温度场监测及数值模拟计算, 预 测冻结壁温度与厚度随冻结时间的变化规 律;井帮冻土蠕变位移、 工作面底鼓监测; 成井井壁监测 包括井壁及冻结壁温度变 化情况, 围压, 混凝土应变, 钢筋应力应变 等 。通过监测和分析, 获得了大量的实测数 据和相关规律, 对冻结和凿井施工起到了及 时指导作用, 实现了信息化施工, 保证了井筒 过深厚冻结粘土层段施工安全顺利。 3 . 4 高标号混凝土应用 济西矿主井井筒深4 0 0“4 7 5 m段外壁 原设计为钢筋混凝土大弧板结构, 由于制作 安装工艺复杂、 费用高等原因而未被采用。 根据井深4 0 0 m以内冻结壁变形及外壁受力 实测数据分析, 决定深4 3 8“4 7 8 . 7 m段井筒 外壁采用C 6 5高标号混凝土浇筑。外壁施 2 第5期 徐辉东等 深冻结井筒凿井施工实践 工时检测显示, 混凝土各项指标均达到设计 要求。现井筒竣工已近两年, 井壁未出现异 常现象。 3 . 4 . 1 混凝土原材料选择及配制 选用5 2 . 5 R普通硅酸盐水泥、 细度模数 2 . 3 3的中粗砂、 粒径1 6 . 5“3 1 . 5 mm的碎石 配制混凝土, 并在混凝土中添加B R 3高效 减水剂和硅粉。 通过混凝土配比优化设计及混凝土综合 试 配 参 数 比 较, 确 定C 6 5混 凝 土 配 比 为 水泥砂石水11 . 2 12 . 4 40 . 3 3, 坍落度7 0 mm, 含砂率3 4, 硅粉和减水剂掺 量分别为水泥重量的7 . 1和1 . 3 5。抗压 强度检测显示, 混凝土1 d强度达到设计值的 3 5,3 d强 度 达 到7 8,7 d强 度 达 到 9 5 . 5,2 8 d强度达到1 2 0。 3 . 4 . 2 混凝土质量保证措施 采用高标号水泥并添加高效减水剂和 硅粉配 制 混 凝 土, 改 善 了 混 凝 土 和 易 性, 提高 了 混 凝 土 强 度; 使 用 高 频 振 捣 器 振 捣, 提高了混凝土密实性; 采用J S 1 0 0 0强 制式 混 凝 土 搅 拌 机 拌 料, 底 卸 式 吊 桶 下 料, 人工 二 次 搅 拌 后 入 模, 提 高 了 混 凝 土 搅拌质量。此 外, 冬 季 使 用 热 水 拌 料, 在 外壁和井帮间铺设聚苯乙烯泡沫板保温隔 热和缓 压, 以 及 适 当 延 长 脱 模 时 间 等, 都 对保证混凝土质量起到一定作用。 4 深冻结井施工问题探讨 1 外壁环形裂缝形成原因及预防措施 济西矿主井井筒外壁施工时, 两次出现 环形裂缝, 而且均出现在粘土层与砂层换层 处, 见表2。根据分析, 外壁环形裂缝形成原 因主要有以下5个方面粘土膨胀性及地 压作用;’模板变形造成井壁局部变 薄, 井壁受力不均;脱模早, 混凝土初期强 度低;混凝土本身收缩。 表2 井筒外壁环形裂缝情况 深度 /m 浇注后开裂 时间/h 裂缝性质 及规格 裂缝形态所处岩性备 注 1 7 4 . 53 0 表层裂缝, 长 3 m, 宽2 mm 环形线状 上部粘土, 下 部细砂换层处 裂缝2 d后稳 定, 未发展 2 2 8 . 23 3 表层裂缝, 长 5 m, 宽1 . 5 mm 环形线状 上部粘土, 下 部细砂换层处 裂缝2 d后稳 定, 未发展 根据外壁环形裂缝形成原因, 为了防止 下部井筒外壁再出现环形裂缝, 施工中采取 了在膨胀粘土段开挖卸压槽; 增大掘进半径, 预留位移量; 增加外壁和井帮间的泡沫板厚 度; 架设井圈背板; 提高混凝土早期强度; 缩 小掘砌段高, 加快掘砌速度, 减少井帮暴露时 间 要求不超过2 0 h 等综合措施。采取措施 后, 收到了较好效果, 下部外壁未再出现环形 裂缝。 2 井筒开挖时间的确定 关于冻结井筒开挖时间, 煤矿安全规程 第三十条第五款规定 “ 只有在水文孔冒水7 天、 水量正常, 确认冻结壁已交圈后, 方可进行 试挖。 ” 施工实践证明, 深冻结井开挖时间不宜 过早。原因是目前施工速度加快, 过早开挖会 造成冻结壁强度低, 井帮温度达不到设计要 求, 从而导致片帮, 增加材料消耗, 甚至会出现 停工待冻现象。济西矿主、 副井筒分别是在开 冻后6 2 d和7 6 d开挖的, 结果是主井井筒深 1 8 0 m以内片帮较严重, 副井井筒深1 2 0 m以 内有片帮现象。这两个井筒冻结后开挖时间 若延长到9 0 d左右, 冻结壁强度、 井帮温度便 可完全达到设计要求, 将能提高掘进速度, 减 少片帮量, 保证安全顺利施工。 3 井筒停冻时间的确定 关于冻结井筒停冻时间, 煤矿安全规 3 建 井 技 术 2 0 0 5年第2 6卷 程 第三十条第九款规定 “ 只有在永久井壁 施工全部完成后, 方可停止冻结。 ” 实践证明, 深冻结井停冻时间早晚对井壁质量及安全施 工有一定影响。若停冻时间过晚, 将会导致 井壁回冻严重。这样不仅影响安全施工, 而 且还影响井壁表面质量及观感。 济西矿主井井筒在套内壁至井深1 2 0 m 时停止冻结。套壁结束1个月后, 井壁全部 回冻结冰, 影响了安全施工。结冰时间持续 了6个月。副井井筒在套内壁至井深4 0 0 m 时停止冻结, 井壁仅出现轻微回冻结冰现象, 对施工基本没有影响。根据经验, 深冻结井 在套内壁工程量完成一半时停冻为宜, 但必 须保证冻结设备处于完好待机状态。 4 冻结深度与掘砌深度设计对施工的 影响 济西矿主井井筒设计冻结深度4 8 8 m, 掘 砌深度4 8 3 m。井筒基岩风化带放炮作业时, 工作面出现了渗水现象。根据分析, 渗水原 因一是炮震裂缝与下部含水层导通; 二是冻 结壁强度、 厚度发展不均衡; 三是外圈冻结孔 设计为长、 短腿差异冻结, 长腿4 8 8 m, 短腿 4 6 8 m,4 8 3 m深处冻结孔间距较大, 冻结壁厚 度、 强度相对较小; 四是设计掘砌深度比冻结 深度浅5 m, 取的是规范上限。实践证明, 矿 山井巷工程施工及验收规范 G B J 2 1 3-9 0 第4 . 2 . 2 6条规定 冻结法施工的井筒, 冻结 段的掘砌深度应比井筒的冻结深度浅5“ 8 m 有一定的局限性, 施工时掘砌深度应比 井筒的冻结深度浅1 0 m为宜, 同时应严格控 制掘砌段高, 而且外圈孔深度应同时达到冻 结深度。 5 结 语 1 济西生建煤矿主井井筒冻结段下部 采用C 6 5高标号混凝土浇筑外壁, 保证了井 筒安全顺利施工, 同时节约投资4 0 0余万元, 取得了较好的技术经济效益。 2 采用信息化施工技术, 获得了大量实 测数据及相关规律, 为深厚冻结粘土层段井 筒安全顺利施工提供了保障。 3 井筒冲积层1 8 9“3 0 1 . 7 m段采用 3 . 7 m段高,3 0 1 . 7“4 5 6 . 7 m段采用2 . 2 m段 高下行式整体金属模板筑壁, 短段快速掘砌, 减少了井帮暴露时间, 有效地控制了冻结壁 变形。高强早强混凝土的应用及在外壁与井 帮间设置保温隔热泡沫板“ 缓冲层” , 保证了 外壁混凝土强度增长速度大于围压增长速 度, 使外壁能承受得住早期围压作用。强化 冻结保证了冻结壁厚度及强度, 有利于冻结 段井筒, 尤其是深厚冻结粘土层段井筒安全 顺利施工。整个井筒施工中未出现冻结管断 裂及井壁破坏现象, 达到了全优工程目标; 而 且施工速度也较快, 施工中曾取得连续两个 月月成井超百米的好成绩, 实现了安全、 优 质、 快速施工。 作 者 简 介 徐辉东1 9 6 5- , 男, 安徽濉溪人, 高级工程师, 中国 矿业大学 北京 岩土工程博士研究生。1 9 8 7年毕业于淮 南矿院采矿系, 现任中煤第七十一工程有限公司董事长, 主 要从事矿山工程施工与管理工作, 发表论文1 0余篇 ～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～ 。 计算机化凿岩台车 据W o r l d M i n i n gE q u i p m e n t 近期报道,B o a r t L o n g y e a r推出的计算机化凿岩台车具有很大的市 场竞争力。B o a r tL o n g y e a r与挪威AMV和B e v e r C o n t r o l s公司合作, 为其生产大量的计算机硬件和 软件装备凿岩台车, 完成试验的第1批凿岩台车最 近在德国展出。隧道凿岩台车已进行过试验。采矿 用的凿岩台车即将在KGHM公司R u d n a矿进行试 验, 目前正在培训有关操作人员, 因为凿岩台车的计 算机系统 比 较 复 杂。还 有 一 种 装 备 有 单 机M o n t a b e r tHC 1 0 9凿岩机的台车, 机身高仅有1 . 7 m, 可 以在巷道2 m高的地方凿岩, 近期将在卡萨克斯坦 等矿进行试验。 松柏 * * * 4