超深厚沖積層立井凍結(jié)爆破快速掘砌施工技術(shù)

于建新，郭 敏，張英才，曾凡偉，張道海，曾 鵬

(1.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.河南省地下工程與災(zāi)變防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454000；3.河南省地下空間開發(fā)及誘發(fā)災(zāi)變防治國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454000；4.河南國龍礦業(yè)建設(shè)有限公司，河南 鄭州 450000)

面對日益增長的煤炭需求量，對地下超深煤層的開采逐漸增多。凍結(jié)鑿井法由于對地下復(fù)雜地況具有較好的適用性，在超深厚土體中的井筒施工應(yīng)用較為普遍。我國于1955年在林西煤礦采用此技術(shù)以來，大范圍在華北、西北地區(qū)進(jìn)行應(yīng)用，均取得了不錯(cuò)的施工效果。楊維好綜述了400～600m特厚表土層凍結(jié)鑿井法在我國的應(yīng)用，認(rèn)為凍結(jié)溫度在-40～-50℃是凍結(jié)技術(shù)未來的研究方向[1]。李新政從鉆眼方案、施工組織方面對永城煤礦深670.5m立井施工方法進(jìn)行了研究[2]。臧培剛等人開發(fā)了井上螺旋輸送混凝土系統(tǒng)，解決了井筒施工支護(hù)難題[3]。邊振輝對混合豎井成套施工進(jìn)行了研究，將3層吊盤與馬頭門整體支護(hù)模板相結(jié)合，提高了施工速度[4]。聶艷軍對立井井筒施工研究，采用短段掘砌混合作業(yè)方式，大段高金屬活動(dòng)模板全方位澆筑，中深孔光面爆破，取得不錯(cuò)效果[5]。趙興東針對超深井筒所處的復(fù)雜應(yīng)力條件，提出了釋能井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)[6]。楊更社等對立井凍結(jié)法施工設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了研究總結(jié)，簡述了深部凍結(jié)巖土性能與凍結(jié)壁的設(shè)計(jì)[7]。經(jīng)來旺等認(rèn)為溫度應(yīng)力才是導(dǎo)致立井井壁破裂的最主要原因[8]。徐華生等通過潘三礦凍結(jié)法的井筒施工，設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度8.6m，凍土平均溫度-17℃可安全通過297～347m深厚黏土層[9]。馮連岱對萬福煤礦凍結(jié)井筒施工工藝進(jìn)行分析，從凍結(jié)設(shè)計(jì)、凍結(jié)孔分圈插花布置施工、分期凍結(jié)以及實(shí)時(shí)監(jiān)測等技術(shù)優(yōu)化了凍結(jié)施工工藝[10]。J.M.Kennard提出了一種凍土中水凍結(jié)成冰的力學(xué)模型，研究了其性能，為爆破對凍土的影響提供了一定理論[11]。王鵬越對我國超大直徑深立井的施工技術(shù)及裝備進(jìn)行總結(jié)分析[12]。國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者對立井井筒凍結(jié)法施工進(jìn)行了大量研究，取得了豐碩的研究成果，但主要集中在凍結(jié)壁、凍土性能和井筒施工的某一研究，沒有較好地對整體施工做一個(gè)完整的概述，尤其是在凍土爆破方面尚不全面。本文以趙固二礦西風(fēng)井凍結(jié)施工為背景，從表土凍結(jié)、鉆爆施工、井壁澆筑到安全管理技術(shù)措施等方面，詳細(xì)分析了700m超深厚表土條件下，凍土爆破與井壁掘砌快速施工的技術(shù)要點(diǎn)。

1 工程概況

趙固二礦西風(fēng)井井筒位于河南省輝縣市占城鎮(zhèn)北小營村，井田屬第四系、新近系全掩蓋區(qū)。本次施工的西回風(fēng)井井檢孔FJ1孔位于井田中部，據(jù)鉆孔和測井資料，其中井筒穿過表土層厚度為704.6m，井壁厚度800～1950mm。井筒所穿黏土層(砂質(zhì)黏土)25層，總厚度620.34m，占比67.9%，單層黏土層最厚達(dá)77.20m。趙固二礦井田屬第四系、新近系全掩蓋區(qū)，據(jù)鉆孔和測井資料，本次FJ1孔揭露的地層自上而下有第四系(Q)、新近系(N)、二疊系下統(tǒng)下石盒子組(P1x)、二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)、石炭系上統(tǒng)太原組(C2t)。

井筒設(shè)計(jì)凈直徑6.0m，井口設(shè)計(jì)絕對標(biāo)高+81.0m，井筒落底絕對標(biāo)高-821m，井筒設(shè)計(jì)深度914m；井幫凍土溫度為-11.5℃，蠕變性強(qiáng)；井筒垂深700m處的地溫高達(dá)19.0℃。設(shè)計(jì)5次變徑，分別位于-190m/-298m/-420m/-532m/-720m。凍結(jié)段采用雙層復(fù)合鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)，內(nèi)、外層井壁中間鋪設(shè)塑料夾層，外層鋪設(shè)泡沫板，基巖段為單層井壁結(jié)構(gòu)?；炷翉?qiáng)度等級為C50—C100。

2 凍結(jié)爆破方案

2.1 凍結(jié)參數(shù)

趙固二礦西風(fēng)井采用雙機(jī)雙級螺桿壓縮機(jī)制冷機(jī)組，其標(biāo)準(zhǔn)制冷量在580-2300kW之間。凍結(jié)方案采用外圈孔、中圈孔和內(nèi)圈孔加防片孔的多圈凍結(jié)管凍結(jié)方式，可有效提高凍結(jié)壁強(qiáng)度，減少凍結(jié)厚度[1]。通過多圈凍結(jié)管的布置，可以根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)靈活調(diào)節(jié)凍結(jié)壁凍結(jié)溫度。主排凍結(jié)管孔凍深達(dá)到767/783m，孔數(shù)52個(gè)，圈徑為24.8m，開孔間距1.498m；中圈孔凍深736m，孔數(shù)為16個(gè)；圈徑為16.7m，開孔間距為3.279m；內(nèi)圈孔凍深736m，孔數(shù)為16個(gè)；圈徑為19.7m，開孔間距為3.868m；防片孔凍深193m，孔數(shù)為5個(gè)；圈徑為11m，開孔間距為6.912m；防片孔凍深423m，孔數(shù)為10個(gè)；圈徑為12.5m，開孔間距為3.927m；防片孔凍深535m，孔數(shù)為10個(gè)；圈徑為14.5m，開孔間距為4.555m。

凍結(jié)造孔質(zhì)量要求：400～700m表土段，靶域半徑0.8m；基巖段靶域半徑1.0m；表土段向內(nèi)≤0.6m；基巖段向內(nèi)≤0.9m。深部沖積層的靶域半徑可控制在800mm以內(nèi)，沖積層底部終孔間距可控制在3.0m以內(nèi)；在基巖風(fēng)化帶、基巖中的靶域半徑可控制在1000mm以內(nèi)，基本可將成孔間距控制在3.4m以內(nèi)，基巖段底部凍結(jié)管長腿的終孔間距控制在4.8m以內(nèi)。

2.2 鉆爆設(shè)計(jì)

鉆爆機(jī)具采用SZJ-6.7傘鉆(如圖1所示)配改裝后的MQT150型錨桿鉆機(jī)，配合麻花鉆桿、Y字型鉆頭。針對井下負(fù)低溫條件，選用具有抗低溫、耐水性特點(diǎn)的T220-nd抗凍水膠炸藥(-25℃)，該炸藥具有良好的耐低溫、防水性，適合立井開挖使用。炸藥規(guī)格為：Φ35mm×300mm×0.35kg，周邊眼裝藥長度不超過800mm。采用毫秒延期電雷管，最后一段延期時(shí)間不超過130ms，分段起爆。施工中應(yīng)根據(jù)凍結(jié)管傾斜情況，及時(shí)調(diào)整周邊眼位置，保證周邊炮孔距凍結(jié)管不小于1.2m；提高低段別雷管精度并適當(dāng)延長其起爆時(shí)差可有效降低振動(dòng)波的疊加，并嚴(yán)格控制裝藥量及采取周邊眼間隔裝藥措施，降低爆破對凍結(jié)管的影響[13]。

圖1 SZJ-6.7傘鉆

采用全斷面鉆爆法，打眼前按設(shè)計(jì)要求劃出井筒輪廓線，點(diǎn)出炮眼位置，采取定人、定位、定眼、定機(jī)分區(qū)作業(yè)。采用反向連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格控制周邊眼的裝藥量，視圍巖硬度對周邊眼的裝藥量進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，炮眼使用炮泥充填，聯(lián)線方式采用并聯(lián)。爆破母線采用3.8mm2銅母線電纜，放炮母線上端與放炮電纜相連，下端與雷管腳線相連。井下工作面各炮眼裝藥、聯(lián)線完畢后，從吊盤下放放炮母線至工作面，放炮母線上端與放炮電纜相連，下端與雷管腳線相連，經(jīng)檢查裝藥、聯(lián)線無誤后，再進(jìn)行放炮。

現(xiàn)場對混凝土井壁爆破振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，不斷調(diào)整爆破參數(shù)。經(jīng)過試驗(yàn)，炮眼平均利用率在93.3%，單位耗藥量1.31kg/m3，周邊光面爆破效果最好，光爆斷面較為平整，掘砌進(jìn)尺也隨之提升。研究發(fā)現(xiàn)：掏槽孔深3.2m，其他輔助孔3m；掏槽孔、輔助掏槽孔、輔助孔和周邊孔共布置7圈，全斷面180個(gè)孔，采用1、3、4、5段電雷管，一次起爆炸藥量255.5kg，爆破效果較好。

2.3 立井提升與排矸

趙固二礦西回風(fēng)立井井筒臨時(shí)鎖口施工完畢，將三層吊盤下放井底，安裝封口盤。安裝完畢后，將三層吊盤用四根鋼絲繩吊起，與封口盤相應(yīng)位置對正后用繩套鎖在封口盤下。當(dāng)掘砌至井深30m時(shí)，在下行模板上口搭操作架，將三層吊盤下放至操作架上進(jìn)行吊盤安裝。提升系統(tǒng)使用V型鑿井井架配備2個(gè)Φ3.0m天輪，提升絞車用2JK-4.0/JKZ-3.0型提升機(jī)各1臺(tái)。700m以上采用5m3座鉤式吊桶2個(gè)，700m以下采用5m3/4m3座鉤式吊桶各1個(gè)，3m3底卸式吊桶4個(gè)。

爆破后采用CAT7.8型電動(dòng)挖掘機(jī)掘進(jìn)，HZ-6A型中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)(如圖2所示)挖掘裝渣?；鶐r段抓巖機(jī)抓巖順序：抓出罐窩→抓取邊緣矸石→抓井筒中間矸石。集中階段，此階段要充分發(fā)揮抓巖機(jī)抓巖能力和提升能力，盡快把堆集在井底的大量爆落矸石裝運(yùn)到地面。清底階段，為加快清底速度，保證清底質(zhì)量，為下一循環(huán)打眼創(chuàng)造條件，采用人工多臺(tái)風(fēng)鎬清底。在清底工作的同時(shí)，做好工序轉(zhuǎn)換前的準(zhǔn)備工作。

圖2 中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)

3 外壁澆筑

趙固二礦井筒采用臨時(shí)鎖口施工，外壁采用“短段掘砌混合作業(yè)”的施工方法。外壁砌筑采用單縫式液壓脫模整體金屬(帶刃腳)下行模板。井筒沖積層砌壁段高遵守《煤礦井巷工程施工規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，在正式開挖前，凍結(jié)壁徑向位移小于或等于50mm，循環(huán)作業(yè)時(shí)間少于或等于30h，段高小于或等于3.8m；深厚黏土層施工段高不應(yīng)大于2.5m。外壁的立模工藝，采用找平工作面→落刃角找正→鋪設(shè)泡沫板→然后按設(shè)計(jì)間排距安裝豎向鋼筋，綁扎環(huán)向鋼筋→最后落模板澆灌混凝土。井壁豎筋采用直螺紋機(jī)械連接，并嚴(yán)格按照《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》(JGJ 107—2010)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行；環(huán)筋采用搭接連接，搭接長度不得小于35d(d為鋼筋直徑)，綁扎前用紅漆做好搭接長度標(biāo)記?；炷恋膹?qiáng)度等級隨著地下圍壓的增加而改變，從0～-120m采用C50-C70強(qiáng)度混凝土，-120～-590m用C80，往后是C90、C95、C100強(qiáng)度等級混凝土。

模板脫模后由信號工與井上聯(lián)系，使模板恢復(fù)到設(shè)計(jì)尺寸開始組立，將高壓閥門打到減壓位置，使模板恢復(fù)到設(shè)計(jì)尺寸死鎖，將模板找正，穩(wěn)固牢靠。打開模板上的腳手架，模板即組立完成。

從井上將風(fēng)動(dòng)液壓泵站下到井下，接上風(fēng)管，并給油缸對上高壓油管，開動(dòng)風(fēng)動(dòng)液壓站，啟開高壓閥門，使油缸工作帶動(dòng)活塞內(nèi)收，使模板脫開砌壁。脫模間隔時(shí)間不少于6h。脫模時(shí)混凝土強(qiáng)度達(dá)到0.7～1.0MPa。

在澆灌混凝土前必須把接茬處用鎬將雜物清凈，模板刃腳處巖石鋪平，防止漏漿。外層井壁施工過程中，吊盤下層盤喇叭口上安裝灰箱工字鋼梁，灰箱牢固放在下層吊盤喇叭口工字鋼上，灰箱下懸吊的鋼絲鎧裝耐磨膠管對稱入模；每次澆筑混凝土厚度不得超過300mm，振搗分布間距一般為300～400mm，入?；炷敛捎貌迦胧秸饎?dòng)棒通過合茬窗口進(jìn)行分層振搗；振搗人員每班定人、定片、定責(zé)、定獎(jiǎng)罰分片振搗，確保振搗質(zhì)量。

井口設(shè)混凝土集中攪拌站，2臺(tái)HZ-75型強(qiáng)制攪拌機(jī)，配PLD-2400型混凝土配料機(jī)，混凝土由地面攪拌站配制，3m3底卸式吊桶下灰，通過分灰器、溜灰管入模。

4 工程管理與安全保證措施

4.1 施工組織管理

為達(dá)到安全、快速、高效地完成風(fēng)井施工任務(wù)，對趙固二礦西回風(fēng)井立井工程實(shí)行項(xiàng)目部管理法。配備有項(xiàng)目經(jīng)理、支部書記、生產(chǎn)經(jīng)理各一人，對項(xiàng)目進(jìn)行有效管理。項(xiàng)目經(jīng)理選用有類似深井井筒施工經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)秀項(xiàng)目經(jīng)理，并且項(xiàng)目部領(lǐng)導(dǎo)班子集體承包，風(fēng)險(xiǎn)抵押，成本核算，按勞分配，全員管理。建立以項(xiàng)目經(jīng)理全面負(fù)責(zé)的勞動(dòng)力管理組織體系，項(xiàng)目經(jīng)理全面負(fù)責(zé)組織每月兩次的勞動(dòng)力協(xié)調(diào)會(huì)。根據(jù)當(dāng)月的施工生產(chǎn)任務(wù)和地質(zhì)條件的變化，對各個(gè)施工班組勞動(dòng)力進(jìn)行平衡、協(xié)調(diào)及時(shí)解決勞動(dòng)力配合中的矛盾。并預(yù)計(jì)下月的勞動(dòng)力使用數(shù)量等提出使用計(jì)劃，做到動(dòng)態(tài)管理。

井筒外壁施工采用短段掘砌混合作業(yè)方式。掘進(jìn)班組采用“滾班”作業(yè)制度；內(nèi)壁施工采用“三八”作業(yè)制度；地面輔助采用“三八”作業(yè)制度。趙固二礦西回風(fēng)立井井筒工程施工隊(duì)由礦建隊(duì)、機(jī)電班組、運(yùn)輸班組三部分組成；其中以礦建隊(duì)為主，機(jī)電班組、運(yùn)輸班組配合的勞動(dòng)力構(gòu)成形式。按照井筒施工準(zhǔn)備階段、凍結(jié)表土層施工階段、井筒基巖施工階段及內(nèi)壁施工階段，合理安排勞動(dòng)力；其中井筒準(zhǔn)備期計(jì)劃投入64人，表土層施工計(jì)劃投入146人，基巖段施工計(jì)劃投入108人，內(nèi)壁施工計(jì)劃投入121人。

4.2 井壁溫度監(jiān)測

為監(jiān)測外層井壁溫度變化范圍；壁后凍結(jié)土融化范圍、回凍時(shí)間、凍土融化對井壁受力特性的影響；壁座及內(nèi)層井壁溫度峰值、內(nèi)外層井壁間溫度與壁間注漿時(shí)機(jī)的控制。在深凍結(jié)井井壁和壁后凍土測溫中，通過在井下測溫點(diǎn)組建無線網(wǎng)絡(luò)，利用無線傳輸技術(shù)，在需要測溫的地方放一個(gè)測溫終端，將一線總線測溫電纜接至測溫終端上，那么深井井壁及壁后凍土測溫就由若干個(gè)無線測溫終端組成；讀取溫度的時(shí)候僅需要拿著便攜式無線溫度采集儀隨工作吊桶采集各個(gè)測溫終端的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)下來，在井下或回到地面均可將溫度讀出來進(jìn)行分析處理。

4.3 測量放線

井筒建設(shè)過程中采用小絞車?yán)p繞的細(xì)鋼絲和鐵墜砣定向，細(xì)鋼絲作為測量基準(zhǔn)(井筒中心)。使用全站儀或激光測距儀按地面一級導(dǎo)線精度要求測定。十字中心線的測設(shè)及十字基樁的埋設(shè)應(yīng)滿足建井期間的施工需要，基點(diǎn)類型、數(shù)量、設(shè)置方式根據(jù)現(xiàn)場情況而定。井筒中心及十字中心線設(shè)定后，應(yīng)以5″導(dǎo)線檢查測量，兩條十字中心線垂直度允許誤差為±10″。井筒施工給向采用垂線法，中心垂線為2～3.8mm的碳素彈簧細(xì)鋼絲繩，垂球重量不小于30kg。井筒掘進(jìn)過程中，每段砌壁前進(jìn)行校對，井筒中心位置偏差不得超過5mm并及時(shí)測量井底標(biāo)高。

4.4 井壁位移監(jiān)測

按照設(shè)計(jì)要求，井筒最大徑向位移不得超過50mm，依監(jiān)測結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整段高。每一循環(huán)測量分兩次完成，首先在井幫開出1m時(shí)下井埋點(diǎn)，按要求在東、西、南、北四個(gè)方向的刃腳上開出標(biāo)記槽，砸入木楔并測量木楔頂端到標(biāo)記槽的水平距離，其次在落刃腳前復(fù)測木楔頂端到標(biāo)記槽的水平距離。通過現(xiàn)場監(jiān)測，井壁位移均在安全范圍以內(nèi)，保證了井筒施工質(zhì)量。

5 結(jié) 論

1)采用外圈孔、中圈孔、內(nèi)圈孔加防片孔的凍結(jié)方式，可靈活多變地改變凍結(jié)段溫度。隨著開挖深度的增加，通過多圈凍結(jié)管來調(diào)節(jié)凍結(jié)溫度，使開挖基段在保證安全的前提下，不凍實(shí)土體。

2)井筒施工給向采用垂線法，由碳素彈簧細(xì)鋼絲繩加垂球進(jìn)行量測，確保井筒中心位置偏差不得超過5mm，控制井筒位移。

3)爆破方案經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)調(diào)整爆破參數(shù)，增加爆破圈數(shù)、炸藥量和炮孔深度，使爆破進(jìn)尺加大，節(jié)省施工時(shí)間，縮短了施工工期。

4)提升設(shè)施，依據(jù)深度不同，分別采用5m3/4m3/3m3的吊桶，方便排矸。采用兩個(gè)提升絞車，極大地加快了排矸量。

5)環(huán)向鋼筋綁扎前用紅漆做好搭接長度標(biāo)記，方便在井下施工。豎筋采用直螺紋連接方式，可加快綁扎進(jìn)度?；炷恋膹?qiáng)度等級，適應(yīng)隨井深及地質(zhì)條件逐步調(diào)整。

6)施工組織方面，掘進(jìn)采用“滾班制”，內(nèi)壁施工和地面輔助采用“三八制”，通過優(yōu)化勞動(dòng)組織，縮短了工期。