凍結(jié)法井筒施工

隨著煤礦建并技術(shù)的發(fā)展,特殊鑿井技術(shù)也有了長足的進(jìn)步，特別是凍結(jié)法施工深厚沖積層井筒的掘砌技術(shù)得到了快速的發(fā)展，形成了鉆孔、凍結(jié)、掘進(jìn)、砌壁等一系列完整的技術(shù)系統(tǒng)，已成為施工深厚沖積層立井井簡主要的施工方法。

凍結(jié)法鑿井的主要原理就是在地面按設(shè)計(jì)鉆凍結(jié)鉆孔到預(yù)計(jì)需凍結(jié)的深度，然后在凍結(jié)鉆孔內(nèi)下凍結(jié)管，利用凍結(jié)站內(nèi)的制冷設(shè)備壓縮低溫鹽水在凍結(jié)鉆孔內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，形成凍結(jié)帷幕，當(dāng)凍結(jié)帷幕達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，就可以在凍結(jié)帷幕的保護(hù)下進(jìn)行井簡掘砌。

凍結(jié)井簡施工適時(shí)開挖，是加快井簡施工速度、縮短工期的重要一環(huán)。開挖過早，會發(fā)生片幫甚至通砂透水;開挖過遲,隨著凍土墻的不斷擴(kuò)展，會增加施工難度，影響施工進(jìn)度。因此，并簡開挖時(shí)間應(yīng)遵循以下原則。

(1) 當(dāng)水文觀測孔內(nèi)的水位已有規(guī)律地上升并冒水;

(2) 測溫孔的溫度已降至設(shè)計(jì)值,證實(shí)凍結(jié)壁已全部澆圈，其強(qiáng)度具備開挖條件;

(3) 開挖前的準(zhǔn)備工作均已就緒,完全具備井筒施工條件。

根據(jù)以上條件開挖時(shí)間一般選定在凍結(jié)壁澆圈10 d 后進(jìn)行，即預(yù)計(jì)主機(jī)開凍90 d后試挖,井簡試挖30 m 后進(jìn)行吊盤及其他鑿井懸吊設(shè)備安裝，在開凍120 d 后井筒即可正式開挖。 2100433B

井筒立井

立井井筒基巖施工是指在表土層或風(fēng)化巖層以下的井筒施工，根據(jù)井筒所穿過的巖層的性質(zhì)，主要以采用鉆眼爆破法施工為主。根據(jù)井筒掘砌作業(yè)方式的不同，井筒鉆眼爆破法的主要施工工序包括鉆眼爆破、抓巖提升、卸矸排矸和砌壁支護(hù)等。

我國立井井筒基巖施工機(jī)械化水平有了很大的提高。以深孔光爆、設(shè)備大型化、支護(hù)機(jī)械化和注漿堵水打干井為主要內(nèi)容的鑿井技術(shù)有了長足的發(fā)展。使我國立井井筒施工出現(xiàn)了一個(gè)嶄新的面貌，為加快建井速度，改善勞動(dòng)條件，提高工效提供了可靠的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)保證。

1、鉆眼工作

在整個(gè)鉆眼爆破工作中，鉆眼所占的工時(shí)最長。加快鉆眼速度、加大眼深、提高眼孔質(zhì)量，以及提高鉆眼的機(jī)械化程度為其主要發(fā)展方向。為適應(yīng)立井施工的要求，鑿巖機(jī)應(yīng)具有鉆速高、扭矩大、適應(yīng)性強(qiáng)和運(yùn)轉(zhuǎn)可靠的特點(diǎn)。

2、爆破工作

爆破工作主要包括爆破器材的選擇和爆破參數(shù)的確定，并編制爆破圖表和說明書。

3、裝巖工作

裝巖是立井井筒掘進(jìn)循環(huán)中最重要的一項(xiàng)工作，它既費(fèi)時(shí)又繁重，約占掘進(jìn)總循環(huán)時(shí)間的50%～60%。因此，提高裝巖效率和機(jī)械化水平是加快立井施工的關(guān)鍵。

4、提升及排矸

立井井筒施工中，為了排除井筒工作面的矸石、下放器材、設(shè)備以及提放作業(yè)人員，應(yīng)在井內(nèi)設(shè)置提升系統(tǒng)。這套提升系統(tǒng)稍加改裝，還應(yīng)能服務(wù)于車場巷道施工和井筒永久裝備。鑿井提升系統(tǒng)選擇是否合理，不但直接影響鑿井裝矸作業(yè)和鑿井施工速度，而且還會影響建井后期工作的順利開展。

鑿井提升系統(tǒng)由提升容器、鉤頭聯(lián)接裝置、提升鋼絲繩、天輪、提升機(jī)以及提升所必備的導(dǎo)向穩(wěn)繩和滑架等組成。鑿井期間，提升容器以矸石吊桶為主，有時(shí)也采用如底卸式下料吊桶和下料框等容器。當(dāng)轉(zhuǎn)入車場和巷道施工時(shí)，提升容器則由吊桶改為鑿井罐籠。

立井開鑿時(shí)，為了懸掛吊盤、砌壁模板、安全梯、吊泵和一系列管路纜線，必須合理選用相應(yīng)的懸吊設(shè)備。懸吊系統(tǒng)由鋼絲繩、天輪及鑿井絞車等組成。

井筒平巷

當(dāng)巷道在薄煤層中掘進(jìn)時(shí)，為了保證巷道的使用高度，必須挑頂或挖底。因此，在巷道斷面上既有煤層，又有巖層。當(dāng)巖層占掘進(jìn)工作面積1/5～4/5 時(shí)，即稱為煤－巖巷道。煤－巖巷道施工方法與巖巷和煤巷的施工方法基本相同。

1、鉆眼爆破

鉆眼爆破工作是一項(xiàng)主要工序，質(zhì)量好壞，對巷道掘進(jìn)進(jìn)度、規(guī)格質(zhì)量、支護(hù)效果、掘進(jìn)工效和成本都有很大影響，因此必須采用最優(yōu)的施工工藝參數(shù)，才能獲得最佳的施工效果。

鉆眼爆破的主要技術(shù)發(fā)展趨勢是發(fā)展中深孔、光面爆破和斷裂成型（刻槽）爆破技術(shù)。增加眼深，完善深孔直眼掏槽方式，減少炮眼數(shù)量，加快鉆眼速度和提高爆破效率?，F(xiàn)代工程是以每米巷道所需的鉆爆工時(shí)最短、炮眼利用率最高和光爆質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)施工效果。

2、裝巖與運(yùn)輸

裝載與運(yùn)輸是巷道掘進(jìn)中勞動(dòng)量大，占循環(huán)時(shí)間最長的工序，一般情況下它可占掘進(jìn)循環(huán)時(shí)間的35%～50%。

70 年代以來，我國先后研制成功耙斗裝巖機(jī)、側(cè)卸式裝巖機(jī)、蟹爪裝巖機(jī)及立爪裝巖機(jī)，其中根據(jù)煤礦特點(diǎn)研制的耙斗裝巖機(jī)，因具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、造價(jià)低、可靠性好和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前我國煤礦巷道掘進(jìn)的主要裝載設(shè)備。

近些年來，配套的轉(zhuǎn)載運(yùn)輸設(shè)備也在不斷研究改善，先后出現(xiàn)了QZP-160 型橋式轉(zhuǎn)載機(jī)、SJ-80與SJ-44 可伸縮膠帶運(yùn)輸機(jī)、ZP-1 型膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)等，以及S4、S6、S8 型梭式礦車和ILA、CCJ 型倉式列車以及5t 以上防爆型蓄電池電機(jī)車。以上多為從工作面運(yùn)出矸石的設(shè)備，同時(shí)也發(fā)展了可向工作運(yùn)輸材料的膠帶輸送機(jī)、鋼絲繩牽引卡軌車和鋼絲繩牽引單軌吊車。

井筒斜井

到上世紀(jì)八十年代我國的斜井快速施工已形成了具有中國特色的機(jī)械化作業(yè)線和設(shè)備配套方式。作業(yè)方式和勞動(dòng)組織進(jìn)一步優(yōu)化，工效進(jìn)一步提高，施工技術(shù)取得較大發(fā)展。進(jìn)入新世紀(jì)以后，伴隨國家體制的改革和承包制的推行，斜井施工技術(shù)已進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。

1、鉆眼爆破

（1）鑿巖機(jī)具的選擇

斜井基巖掘進(jìn)都采用中深孔全斷面一次光面爆破和拋渣爆破。斜井鉆眼采用導(dǎo)軌式鑿巖機(jī)，雖然有助于實(shí)現(xiàn)深孔光爆，但鑿巖臺車的調(diào)車讓位需要較長的時(shí)間；使用鉆裝機(jī)又不能使鉆眼與裝巖兩大主要工序平行作業(yè)；生產(chǎn)的液壓氣腿式鑿巖機(jī)，鉆眼速度比較快，但其后部配備的工作車又影響裝巖工作。

（2）爆破參數(shù)的確定

①炮眼深度

為實(shí)現(xiàn)中深孔爆破，炮眼深度一般為2.0～3.5m 之間。炮眼的平均深度應(yīng)經(jīng)試驗(yàn)來確定，根據(jù)工作實(shí)踐來驗(yàn)證，最后定出合理的炮眼深度。

②炮眼數(shù)目

炮眼數(shù)量的多少，現(xiàn)場多根據(jù)斜井?dāng)嗝娲笮?、巖石性質(zhì)、炸藥性能等進(jìn)行試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)確定，在實(shí)踐中進(jìn)行調(diào)整，取得合理的炮眼數(shù)目。也可按平巷炮眼數(shù)目確定方法進(jìn)行估算。

（3）掏槽方式和炮眼布置

實(shí)現(xiàn)中深孔光面爆破，必須采用直眼掏槽或直眼與斜眼混合方式。直眼掏槽，過去在金屬礦山應(yīng)用較廣，主要用于堅(jiān)硬巖石的掘進(jìn)。

（4）裝藥結(jié)構(gòu)和爆破技術(shù)

斜井掘進(jìn)工作面中的炮眼都帶有一定傾角，工作面一般都有積水。因此，必須使用抗水炸藥?，F(xiàn)場多采用水膠炸藥或2 號抗水巖石硝銨炸藥。為取得好的爆破效果，掏槽眼應(yīng)采用高威力炸藥連續(xù)反向裝藥，而周邊眼應(yīng)采用低威力炸藥或小藥徑炸藥連續(xù)反向裝藥，與平巷裝藥基本相同，只是底眼應(yīng)加大裝藥量，最后起爆底眼，實(shí)現(xiàn)拋渣。

2、裝巖提升

裝巖與提升是斜井井筒掘進(jìn)的主要環(huán)節(jié)，直接影響著掘進(jìn)速度。二者占掘進(jìn)循環(huán)的時(shí)間60%～70%，因此，國內(nèi)外的斜井施工都強(qiáng)調(diào)裝巖和提升的機(jī)械化程度及設(shè)備配套綜合能力的發(fā)揮。

3、支護(hù)技術(shù)

斜井永久支護(hù)，上世紀(jì)七十年代前多采用料石砌碹和混凝土支架支護(hù)，廣泛采用錨噴支護(hù)。采用錨噴支護(hù)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)解決好建立井口混凝土攪拌站、合理控制噴射工作風(fēng)壓、減少輸料管的磨損和防止管道擊穿、預(yù)防和處理管路堵塞等幾個(gè)問題。

凍結(jié)法施工方案有全深一次凍結(jié)、差異凍結(jié)、局部凍結(jié)、分期(段)凍結(jié)等4種。在井筒掘進(jìn)中，可根據(jù)具體情況選用。

井筒立井

立井井筒工程是礦井建設(shè)的關(guān)鍵工程。我國立井井筒的特點(diǎn)：井筒深度大、斷面積大、表土層厚、水文地質(zhì)條件復(fù)雜。因此，導(dǎo)致施工難度大，施工技術(shù)復(fù)雜、施工工期長。雖然井筒工程量只占礦井建設(shè)工程量的5%左右，而施工工期卻往往占建井總工期的40%～50%，而且鑿井工程的總體布署，對后續(xù)工程會有很大影響。因此，提高立井施工機(jī)械化裝備水平，采用先進(jìn)的施工技術(shù)，做好井內(nèi)涌水的綜合治理，是加快鑿井速度，縮短鑿井工期，提高工程質(zhì)量和工效的有效措施，也是加快礦井建設(shè)速度和縮短建井總工期的關(guān)鍵。

立井井筒一般要穿過表土與基巖兩個(gè)部分，其施工技術(shù)由于圍巖條件不同各有特點(diǎn)。表土施工方案選擇主要考慮工程的安全，而基巖施工主要考慮施工速度。由于表土松軟，穩(wěn)定性較差，經(jīng)常含水，并直接承受井口結(jié)構(gòu)物的荷載。所以，表土施工比較復(fù)雜，往往成為立井施工的關(guān)鍵工程。

我國立井施工技術(shù)和機(jī)械化裝備水平有了很大的提高。其中表土施工技術(shù)和施工水平也在不斷進(jìn)步。但在施工中仍然存在一些薄弱環(huán)節(jié)，尤其是深厚表土層中立井井筒的施工方法比較單一，施工技術(shù)還存在一些問題，制約著立井井筒的整體質(zhì)量，因此必須認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，勇于創(chuàng)新，不斷推進(jìn)深厚表土層立井井筒的施工技術(shù)。

在立井井筒施工中，覆蓋于基巖之上的第四紀(jì)沖積層和巖石風(fēng)化帶統(tǒng)稱為表土層。由于表土層土質(zhì)松軟、穩(wěn)定性差、變化大，且一般均有涌水；又因接近地表，直接承受井口構(gòu)筑物的荷載，因此，對立井井筒施工方案的選擇影響比較大。

表土通常是以土為骨架（主要是礦物和一些有機(jī)體），并和水、空氣組成三相體，由于各個(gè)煤田的地質(zhì)和水文條件的不同，土的結(jié)構(gòu)性質(zhì)（礦物成分和顆粒大?。?、含水量、水壓和滲透性，以及土層厚度和賦存關(guān)系等各項(xiàng)性能指標(biāo)變化很大，反映在工程上的穩(wěn)定性及施工時(shí)的難易程度差別也大。其中對土層穩(wěn)定性起決定作用的是土質(zhì)結(jié)構(gòu)性質(zhì)和含水情況，而水對土的穩(wěn)定性影響是很大的，如井內(nèi)涌水處理不當(dāng)，不但影響施工速度和質(zhì)量，往往造成井筒片幫、壁后空洞、地面塌陷，以至直接關(guān)系到施工的成敗。

按表土土質(zhì)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，我國煤田表土層可歸納為以下四類：

（1）松散性土層。主要由礫（卵）石、砂和粉砂等非粘結(jié)性土質(zhì)組成，顆粒間無粘聚力，呈松散狀態(tài)。土的顆粒愈大，透水性愈好，內(nèi)摩擦力也愈大，其穩(wěn)定性也增大。其中細(xì)粒砂土，在水量及水壓增大時(shí)呈流動(dòng)狀態(tài)，穩(wěn)定性很差，稱流砂，它是施工中最難處理的土層。

（2）粘結(jié)性土層。主要由粘土及含砂量少的砂質(zhì)粘土組成。土層致密，均勻堅(jiān)硬，塑性強(qiáng)，透水性少，含水量少，穩(wěn)定性好。

（3）大孔性表土。主要由多孔性黃土組成，大多為粉土顆粒，含有大量膠結(jié)物（石鹽、石膏、碳酸鈣等鹽類）。在受水浸濕前，強(qiáng)度較高，壓縮性小，能保持直立的邊坡；但一遇到水，膠結(jié)物松解溶化，土層變軟，易于沉陷坍塌而失去穩(wěn)定性。

（4）其它特殊土層。主要包括膨脹土和巖石風(fēng)化帶。膨脹士主要由親水性礦物組成，具有吸水膨脹和失水收縮的特點(diǎn)，如膨脹性大的粘土等。沖積層與基巖的交界處，常夾有一層巖石風(fēng)化帶。其巖層松散、強(qiáng)度低、透水性強(qiáng)，有的還遇水軟化、膨脹、崩解（如華東地區(qū)的紅層）。由于穩(wěn)定性較差，在建井施工中，一般將它與第四紀(jì)沖積層一并考慮。

表土的物理力學(xué)性質(zhì)，隨著含水程度的變化而改變，水對不同類型的顆粒成分和結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響也是不一樣的。水能使土變軟、液化，使顆粒間粘結(jié)力和內(nèi)摩擦力減小，變成塑性或流動(dòng)狀態(tài)；水在土中產(chǎn)生靜（動(dòng)）水壓力，增強(qiáng)了土的流動(dòng)性；含有自由堿、酸和鹽的水，對表土起化學(xué)作用；水量愈大，水壓愈大，浸水時(shí)間愈長，土的變形愈大，土的穩(wěn)定性也愈差，所以在表土施工中對水的處理應(yīng)特別重視。

工程中按表土穩(wěn)定性將其分成兩大類：

（1）穩(wěn)定表土層。包括含非飽和水的粘土層、含少量水的砂質(zhì)粘土層，無水的大孔性土層和含水量不大的礫（卵）石層等。

（2）不穩(wěn)定表土層。包括含水砂土、淤泥層、含飽和水的粘土、浸水的大孔性土層、膨脹土和華東地區(qū)的紅色粘土層等。

由于表土層并非單一土層，往往是不同性質(zhì)土層的互層，對于表土施工，主要應(yīng)考慮其中不穩(wěn)定土層的施工方法和措施，因?yàn)檫@類土層將嚴(yán)重影響施工安全和施工速度。

井筒斜井

由于表土層土質(zhì)松軟、穩(wěn)定性較差、一般有涌水，地質(zhì)條件變化較大，斜井過表土距離長，因此安全快速地通過表土層尤其重要。斜井表土施工，一般采用明槽開挖的方法，應(yīng)用該法時(shí)，最好要避開雨季，以免給施工帶來困難。

1、明槽挖掘

在明槽施工之前，應(yīng)根據(jù)具體的地質(zhì)條件、土層狀況、斜井傾角、地下水位、施工設(shè)備等條件確定斜井井口明槽的有關(guān)尺寸。

明槽的坡度值根據(jù)開挖方式和土壤的物理力學(xué)性質(zhì)，即土壤的內(nèi)摩擦角、粘著力、濕度、容重等參數(shù)來確定。

明槽的幾何尺寸還取決于水的影響和掘砌速度的影響。在水的影響下，明槽周圍土體的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，土體穩(wěn)定性顯著惡化，此時(shí)，應(yīng)將明槽的槽壁坡度變緩。

為防止地面雨水流入明槽內(nèi)，應(yīng)在明槽四周挖掘環(huán)形排水溝。若在雨季開挖明槽，應(yīng)考慮在明槽上部搭設(shè)防雨棚，并做好汛期防洪工作。必要時(shí)在明槽四周修筑土堤擋水。主排水水溝一般設(shè)置在施工區(qū)邊緣或道路兩旁，施工過程中應(yīng)保持排水溝的暢通，必要時(shí)應(yīng)設(shè)置涵洞。

在明槽開挖過程中，槽底面低于地下水位時(shí)，地下水會不斷地滲入明槽內(nèi)，造成施工條件的惡化。為此在明槽開挖前應(yīng)根據(jù)水文狀況采用井點(diǎn)降水和槽內(nèi)排水。

明槽屬于臨時(shí)性挖方邊坡，其挖掘的速度應(yīng)盡量快，維護(hù)的時(shí)間應(yīng)盡量短，以保證明槽周圍土體的穩(wěn)定。明槽坡面上如有局部滲入地下水時(shí)，應(yīng)在滲水處設(shè)置過濾層，防止土粒流失。為排出明槽中的積水，在槽底兩側(cè)設(shè)排水溝，在明槽前端設(shè)集水坑，用水泵排出明槽進(jìn)入主排水溝。當(dāng)土體穩(wěn)定性較差，明槽開挖較深，地下水豐富，容易發(fā)生流砂時(shí)，可采用井點(diǎn)降水法，使地下水降至明槽槽底面以下，從而滲水不能流入明槽內(nèi)而保持土體穩(wěn)定。

2、深表土掘砌方法

我國煤田的表土層多為第四紀(jì)沖積層，其穩(wěn)定性受分布地域的影響較大。即使同一地域的表土層，也因土質(zhì)結(jié)構(gòu)性質(zhì)、含水量、滲透性等不同而差異較大。其中，穩(wěn)定性表土層的斜井施工比較簡單，一般采用普通法施工。當(dāng)斜井掘進(jìn)跨度小于5.0m 時(shí)，可全斷面一次掘進(jìn)短段掘砌施工；當(dāng)斜井掘進(jìn)寬度大于5.0m 時(shí)，可采用中央導(dǎo)硐或兩側(cè)導(dǎo)硐施工法。

不穩(wěn)定性表土，是指含水的礫石、砂、粉砂組成的松散性表土、流砂或淤泥層，對于這類地層一般必須采用特殊方法施工：

當(dāng)不穩(wěn)定表土層埋深不超過10m 時(shí)，多采用板樁法；

當(dāng)涌水量較大時(shí)需配合工作面超前小井降水和井點(diǎn)降水的綜合措施來施工；

當(dāng)含水砂層埋深在20m 以內(nèi)時(shí)，可采用沉井法施工，如山東井亭煤礦斜井；

當(dāng)涌水量大，流砂層厚，地質(zhì)條件復(fù)雜，一般流砂層厚30-50m 時(shí)，可采用混凝土帷幕法施工，如遼源梅河立井斜井；

在深厚不穩(wěn)定表土層中也可以使用注漿法施工，如鎮(zhèn)城底煤礦副斜井，采用水泥、水玻璃雙液注漿，順利通過涌水量大（156.64m3/h）的厚卵石層（12.9m）。

以往凍結(jié)法在斜井施工中應(yīng)用較少，其原因是斜井凍結(jié)技術(shù)較立井凍結(jié)技術(shù)復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)效果也不如立井。但從斜井開拓和立井開拓的建井、生產(chǎn)總體效益相比，斜井優(yōu)于立井。

隨著凍結(jié)技術(shù)的推廣應(yīng)用和斜井開拓及斜井-立井綜合開拓的日益增多，深厚表土中的斜井凍結(jié)法施工，將更為普遍。在深厚表土斜井施工中，其永久支護(hù)的形式多為料石砌碹、混凝土砌碹、鋼拱架及錨網(wǎng)噴支護(hù)等。