含水軟巖馬頭門穿越凍結(jié)壁技術(shù)要點(diǎn)研究

李俊鴻 李 林 季蘭明

(1.鄂爾多斯市昊華紅慶梁礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014316；2.天地科技股份有限公司建井研究院，北京 100013； 3.杭錦旗西部能源開發(fā)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014316)

含水軟巖馬頭門穿越凍結(jié)壁技術(shù)要點(diǎn)研究

李俊鴻1李 林2季蘭明3

(1.鄂爾多斯市昊華紅慶梁礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014316；
2.天地科技股份有限公司建井研究院，北京 100013； 3.杭錦旗西部能源開發(fā)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014316)

以紅慶梁馬頭門穿越凍結(jié)壁施工為例，介紹了掘進(jìn)過程中防止破壞凍結(jié)管需采取的措施，對凍結(jié)管內(nèi)鹽水的安全泄出及排放措施、凍結(jié)管的截斷、加固、封堵等技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，以達(dá)到良好的施工效果。

凍結(jié)管，掘進(jìn)，含水軟巖，措施

1 概述

馬頭門是立井與平巷連接的豎井底部的支護(hù)建筑，古代礦井中多采用4根豎立著的圓木或方木用榫卯法穿越兩副平放的方形框架而構(gòu)成的立方形框架建筑?，F(xiàn)代礦井馬頭門多采用砌塊砌筑或采用鋼筋混凝土澆筑。西部井筒穿越地層多為軟弱巖石，表土覆蓋層較薄。巖石遇水后強(qiáng)度下降較大，甚至完全喪失強(qiáng)度。對于西部井筒穿越含水軟弱地層，當(dāng)前采用的主要方法為人工凍結(jié)法。人工凍結(jié)法是采用人工制冷的方法，將待開挖地下空間周圍的土體中的水凍結(jié)為冰并與土體膠結(jié)在一起，形成一個按照設(shè)計輪廓的凍土墻或密閉的凍土體，用以抵抗土壓力，隔絕地下水，并在凍土墻的保護(hù)下，進(jìn)行地下工程施工的一種巖土特殊施工方法，常用于豎井工程。當(dāng)前礦山井筒建設(shè)中采用的人工凍結(jié)法主要選取氨為制冷劑、氯化鈣溶液為冷媒劑，實(shí)現(xiàn)井筒所在位置巖土體的人工凍結(jié)。而紅慶梁煤礦風(fēng)井馬頭門底板標(biāo)高970.45 m。位于凍結(jié)段內(nèi)。因而需要解決馬頭門穿越凍結(jié)壁的施工工藝問題。特別是紅慶梁礦馬頭門所處地層為灰綠色粉砂巖，遇水后強(qiáng)度喪失。如何在保證馬頭門圍巖穩(wěn)定和快速安全施工的前提下，順利完成凍結(jié)管截斷、鹽水排放及馬頭門掘砌是紅慶梁礦風(fēng)井馬頭門施工能否安全快速的關(guān)鍵。依多年周邊相近地層類似工程施工經(jīng)驗(yàn)綜合分析，認(rèn)為紅慶梁馬頭門穿越凍結(jié)壁施工工藝主要應(yīng)包括以下幾部分內(nèi)容：1)掘進(jìn)過程中防止破壞凍結(jié)管措施；2)凍結(jié)管內(nèi)鹽水的安全泄出及排放措施；3)凍結(jié)管截斷；4)凍結(jié)管加固；5)截斷凍結(jié)管與圍巖間空隙的有效封堵[1-10]。

2 技術(shù)要點(diǎn)分析

2.1 掘進(jìn)過程中防止破壞凍結(jié)管措施

馬頭門掘進(jìn)如采用機(jī)械進(jìn)行掘進(jìn)，因機(jī)械掘進(jìn)頭硬度大，無法及時將前端巖層阻力情況傳遞給操作人員，容易在掘進(jìn)過程中對凍結(jié)管造成破壞，致使凍結(jié)管內(nèi)鹽水泄漏至掘進(jìn)面。井底圍巖浸水，造成三方面的不利影響：1)大量鹽水滲入凍結(jié)壁巖體，使巖體溫度快速回升，凍結(jié)壁局部快速解凍，引發(fā)淹井事故；2)大量鹽水滲入凍結(jié)壁巖體，因工作面處軟巖遇水后強(qiáng)度完全喪失，形成泥漿，造成工作面泥濘，影響施工進(jìn)度和設(shè)備安全；3)凍結(jié)管內(nèi)低溫鹽水溫度為-25 ℃～-30 ℃，泄漏會造成作業(yè)人員凍傷，直接接觸皮膚可造成嚴(yán)重凍害，威脅人員安全。

為避免出現(xiàn)上述情況，馬頭門掘進(jìn)至凍結(jié)管布置圈徑所在位置前3 m時，應(yīng)停止采用機(jī)械掘進(jìn)，改用人工風(fēng)鎬掘進(jìn)。掘進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)風(fēng)鎬阻力或觸感異常時，應(yīng)減緩掘進(jìn)速度，直至將馬頭門施工范圍內(nèi)凍結(jié)管完全揭露出來后，再恢復(fù)正常掘進(jìn)速度。

2.2 凍結(jié)管內(nèi)鹽水的安全泄出及排放措施

凍結(jié)管內(nèi)鹽水比重大，溫度低，液柱高，壓強(qiáng)大等不利因素造成凍結(jié)管內(nèi)鹽水的安全泄出存在一定危險性。經(jīng)分析比較，擬定凍結(jié)管內(nèi)采用壓氣排水的方法與下部割孔卸壓相結(jié)合，解決了底部鹽水無法排出的問題，另一方面通過該方案將上部液柱排出后，有效縮短了液柱高度，減小了底部凍結(jié)器割管時管內(nèi)液柱壓力，同時縮短了排水時間。經(jīng)施工驗(yàn)證，采用的施工方案安全省時，僅用時3 h就完成了凍結(jié)管的割孔排水工作，且鹽水集排措施合理，未造成工作面巖體浸水軟化。為馬頭門安全快速穿越凍結(jié)壁創(chuàng)造了有利條件。

2.3 凍結(jié)管截斷

馬頭門穿越凍結(jié)壁處揭露的凍結(jié)管在完成管內(nèi)鹽水的卸壓排放后，在凍結(jié)管周圍拱頂圍巖上安設(shè)三根錨桿，并成三角形布設(shè)。將由φ18鋼筋加工成的圓環(huán)雙面滿焊于每根錨桿端部，并在圓環(huán)上掛設(shè)5 t倒鏈，倒鏈另一端與準(zhǔn)備截斷的凍結(jié)管可靠拉結(jié)。以便對凍結(jié)管進(jìn)行臨時固定，防止截斷凍結(jié)管時，凍結(jié)管因突然喪失底部支撐而下滑，對施工構(gòu)成不安全因素。每根凍結(jié)管必須先采用倒鏈進(jìn)行可靠拉結(jié)后，方可進(jìn)行截斷。揭露凍結(jié)管上部截斷時必須搭設(shè)臨時作業(yè)平臺，不得站在裝載機(jī)鏟斗內(nèi)進(jìn)行割管作業(yè)。凍結(jié)管截斷處應(yīng)保證割口平直，底端割口應(yīng)低于設(shè)計底板標(biāo)高5 cm以內(nèi)，并采用厚度不小于5 mm的鋼板滿焊封閉。頂部割口應(yīng)采用同樣標(biāo)準(zhǔn)焊接封堵。圖1為截斷凍結(jié)管底部割口。

2.4 凍結(jié)管加固

對頂部加固，采用邊長400 mm×400 mm×10 mm的鋼板，中心割φ140 mm的孔，將鋼板套于地溝槽內(nèi)截斷凍結(jié)管上部，鋼板上表面距凍結(jié)管上口距離不小于20 mm，將鋼板與凍結(jié)管單面滿焊。每側(cè)采用2根φ20@80鋼筋將各孔鋼板連接為整體，鋼筋與鋼板進(jìn)行搭焊，圖2，圖3分別為焊接的剖面圖和平面圖。

對底部加固，首先需對割除的凍結(jié)管管頭用悶板進(jìn)行封堵，需滿焊三道，以保證凍結(jié)管內(nèi)充填時不滲漏。在割除的凍結(jié)管兩側(cè)采用2根錨桿進(jìn)行加固，用一塊500 mm×500 mm×10 mm的鋼板套在凍結(jié)管上，并進(jìn)行滿焊，將錨桿固定在鋼板上。在凍結(jié)管管頭部位采用一塊300 mm×300 mm鋼板拖在底部，用4根φ22鋼筋與500 mm×500 mm鋼板相連，連接處需對鋼筋打坡并滿焊。如果凍結(jié)管底部布設(shè)壓力盒，可將300 mm×300 mm鋼板置于壓力盒底部，見圖4，圖5。

由于側(cè)墻處凍結(jié)管未進(jìn)行割除，為防止因環(huán)形空間導(dǎo)水造成凍結(jié)管位移，需對未割除凍結(jié)管進(jìn)行加固處理。在馬頭門側(cè)墻與拱交接的肩部及側(cè)墻中下部位置，每處施工兩根錨桿，并采用管卡卡在凍結(jié)管上，將管卡用螺栓壓緊，然后將管卡滿焊在凍結(jié)管上，然后將管卡與錨桿采用φ22的鋼筋焊接加固，見圖6，圖7。

2.5 截斷凍結(jié)管與圍巖間空隙的有效封堵

對于截斷凍結(jié)管與圍巖間空隙的封堵措施，當(dāng)前有效地封堵措施是在馬頭門鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)澆筑完成，產(chǎn)生強(qiáng)度后進(jìn)行壁后注漿充填。所以當(dāng)施工完成后，可采用臨時措施先行封堵。待混凝土結(jié)構(gòu)澆筑時預(yù)埋注漿管至截斷凍結(jié)管底部。在后續(xù)的馬頭門頂板注漿中，應(yīng)針對該部位進(jìn)行專門注漿，且應(yīng)采用在整個施工期間分次注漿。注漿采用少量、多次的原則。保證封水效果。

3 結(jié)語

西部豎井建設(shè)遇到地下水富存較豐富的地層需穿越時主要采用凍結(jié)法。由于軟巖地層遇水后強(qiáng)度下降明顯，故近年來設(shè)計的礦井馬頭門多穿越凍結(jié)壁。而穿越凍結(jié)壁技術(shù)仍欠完善，對整個工序的技術(shù)要點(diǎn)缺乏分析和總結(jié)。文章通過對紅慶梁煤礦施工過程進(jìn)行總結(jié)，從掘進(jìn)過程中防止破壞凍結(jié)管措施、凍結(jié)管內(nèi)鹽水的安全泄出及排放措施、凍結(jié)管截斷及加固、截斷凍結(jié)管與圍巖間空隙的有效封堵幾方面對該工序的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了分析總結(jié)，為今后相似工程施工提供可靠參考。

[1] 陳 強(qiáng).西部地區(qū)全深凍結(jié)井筒馬頭門破壞機(jī)理及修復(fù)加固設(shè)計研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2013.

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Research of technical points on the cross of horsehead and freezing wall in water-bearing soft rock

Li Junhong1Li Lin2Ji Lanming3

(1.OrdosHaohuaHongqingliangMiningIndustryCo.,Ltd,Ordos014316,China; 2.InstituteofMineConstructionTiandiScienceandTechnologyCo.,Ltd,Beijing100013,China; 3.HangjinBannerWesternEnergyDevelopmentCo.,Ltd,Ordos014316,China)

Taking the construction of Hongqingliang horse-head gate through the freezing walls as the example, the paper introduces the measures to prevent the freezing pipe from be damaged in the jacking process, and illustrates some techniques, including the safe emission and discharge of salty water in freezing pipes, disconnection of the freezing pipes, the consolidation, and the plugging, so as to achieve the expected construction effect.

freezing pipe, jacking, water containing soft rock, measure

2015-08-23

李俊鴻(1970- )，男，高級工程師； 李 林(1987- )，男，工程師; 季蘭明(1989- )，男

1009-6825(2015)31-0096-02

TD350

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